Бурение на воде - надводное бурение в море, океане

Чаще всего о морском бурении пишут как об одной из отраслей нефтяного дела, реже упоминают о геологоразведочном бурении берегового шельфа, еще реже — об исследовательском отборе грунта и проб со дна океана. Совсем малоизвестна история бурения с поверхности воды.

Дно морей и океанов давио привлекает внимание человечества. Однако, несмотря на очевидные успехи в его изучении, наши знания здесь до обидного ничтожны. Все это дает повод ряду ученых удивленно думать: как много мы уже знаем о поверхности Луны и как мало — о дне океана у себя дома!

Еще в XVI в. при поисках месторождений соли русские буровые мастера (они же и геологи в теперешнем понимании этого слова) вынуждены были, прослеживая выклинившиеся соляные слои, ставить буровые станки не только на сухом месте, ио и в озерах, болотах и на ручьях. Пожалуй, это упоминание является одним из первых, когда буровой станок имел под собой водную гладь.

Есть сведения, что в XVIII в. в Прикамье скважины («трубы») закладывались иа болотах, в реках, озерах, топких ямах. Трубные мастера умели строить скважины, несмотря на множество «невыгод поверхностных, самых даже верховых вод, которых приток бывает весьма силен».

Грунтоотборники для обследования дна Каспийского моря у нас в стране известны еще со времен Петра Первого. И не просто грунтоотборники, а устройства, в которых груз, необходимый только для спуска прибора и удара о дно, автоматически сбрасывался перед подъемом трубы,— грунтоноски.

Промышленное обследование дна Атлантического океана потребовалось во второй половине прошлого века при грандиозных работах по прокладке межконтинентального подводного кабеля. Если раньше мы говорили о счастливом сочетании рождения радио рядом
с бурением, то и здесь нельзя снова не упомянуть рождение телеграфа без участия бурения. Бурение во все времена служило новейшим и перспективным направлениям техники!

Среди многочисленных конструкций морских лотов-грунтоотборников можно вспомнить конструкцию Брука (1853 г.), отличающуюся автоматическим устройством для сбрасывании груза (рис. 47). При ударе о дно петля, удерживающая шарообразное грузило, отстегивалась и ядро оставалось на грунте.

Среди достижений прошлого века считался удачным подъем грунта с рекордной для тех лет глубины моря 4450 м. Он был сделан экспедицией судна «Поркюпайн» в 1869 г.

Первый патент №-89794 на бурильную платформу с раздвижными ногами для бурения в открытом море был выдан американцу Томасу Роу- лаиду в 1869 г. Реализация патента задержалась на много десятков лет до середины следующего века.

Исследовательский корабль «Гломар Челленджер» в 1872— 1876 гг. дал геологам около пятисот проб донного грунта. Пробы поднимались паровой лебедкой, снабженной специальным амортизатором, снижающим динамические нагрузки при подъеме грунто- отбориика. Это способствовало сохранению колонки грунта и естественного порядка расположения его слоев.

Нефтяное морское бурение впервые в мире было предложено горным инженером В. К. Згленнцкнм в 1896 г. для добычи нефти со дна Каспийского моря. Позднее, в июле 1900 г., он обнародовал методику и технику разведки бурением морского дна. В. К. Згле- ницкий предлагал устанавливать вышки на сваях. Устье скважин ограждалось от морской воды железными кессонами.

Проект не был осуществлен, но сыграл заметную роль позднее, когда в 1925 г. в Баку по инициативе С. М. Кирова удалось пробурить первую в СССР скважину на дне моря с деревянного свайного острова. Еще раньше, Первого мая 1923 г., первый в стране эдсыпной нефтепромысел на мелководном участке каспий
ского дна был открыт в Баку и районе Бибн-Эйбата. В нашей стране широкое развитие после войны получило бурение с металлических естакад, уходящих с берега в море на многие километры.

11 - 9

/—динамически позиционированное судно; 2 — бурильная колонна; 3— долото; 4 — устье скважнны с направляющей воронкой; 5 — сонарное устройство-пелен- гатор; 6 — маяки дальнего н ближнего обнаружения; 7 — цифровая ЭВМ; S — корабельный гирокомпас; 9 — центральный контрольный пульт; 10 — разделитель стартового ускорителя; 11 — блок контроля вертикального перемещения

Так, на Каспии протяженность металлических эстакад превышает

300 км.

За рубежом первую скважину с надводной платформы соорудили на озере Каддо Лейк в штате Техас в США. И лишь к 1933 г. относится первая попытка морского бурения вдали от берега со стационарной установки.

С тех пор морское бурение в мире получило весьма широкое распространение. Сейчас морские буровые установки считаются самыми крупными сооружениями, которые когда-либо строило чело-

вечество.

Морские буровые установки строятся надводными плавучими и стационарными подводными.

Плавучие буровые установки можно создать проще всего, если приспособить существующие морские суда. Переоборудование такого судна сводится к установке буровой вышки и оборудования. Сначала буровые станки устанавливались консольно, а поздиее бурение стали вести через отверстие в центре судна. Бурильные трубы укладыва
лись горизонтально. Главные проблемы начинаются позже, при бурении скважины, особенно если глубина моря составляет несколько сотен метров.

В общих чертах эти проблемы формируются так: ⁴ необходимость создания надежной системы динамического позиционирования судна: устье скважины в море потерять очень просто, а отыскать его бесконечно трудно (якорные системы удержания судна над заданной точкой дна при больших глубинах неэффективны);

потребность в технике и оборудовании для повторного ввода инструмента в скважину при спуско-подъемных операциях и замене долота;

безопасность и надежность управления работой подводного устьевого превентора, автоматически закрывающего скважину при аварийном выбросе нефти или газа в процессе бурения (от этого зависит не только потеря скважины и нефти, но и загрязнение моря).

Общий вид такого судна показан на рис. 48. Наибольший янтерес представляет электронно-счетная система динамической стабилизации корабля иад заданной точкой дна океана — устьем скважины. Положение судна контролируется радиомаяками или акустическими датчиками. Последние более предпочтительны при больших глубинах моря.

Система контроля положения судна через короткие промежутки времени передает информацию вычислительной машине. Она автоматически включает двигатели винтов, и корабль постоянно находится на одном и том же месте. Ручное управление оказывается, как правило, неэффективным, особенно при волнении поверхности моря.

На рис. 48,6 показаны системы контроля динамической стабилизации бурового судна. В их состав входит гироскоп, автоматически разворачивающий судно в положение наименьшего влияния ветра и волн. Неприятности от вертикальных колебаний преодолеваются различного рода телескопическими и другими компенсаторами, вплоть до автоматического управления положением крон- блока.

О сложности описанной системы можно судить по ее стоимос-¹ ти: 4 млн. дол., а ежесуточные затраты на обслуживание бурового судна — 25 тыс. дол.

Непрерывность буровых операций в море зависит от надежности попадания инструмента в устье скважины на дне океана. При больших глубинах моря различного рода направляющие приспособления себя не оправдали — они неустойчивы.

Пути решения задачи были ясны после Оценки способов ИОиЄкА устья гидролокационным, акустическим методом и разнесенными радиомаяками. На устье стали монтировать специальные направляющие воронки. Судно перемещается до тех пор, пока два отдельных радиомаяка не окажутся друг иад другом по вертикали. Один нз маяков находится на дне возле устья, а второй монтируется па конце инструмента, спускаемого на дно. При спуске с судна бурильной колонны долото и воронка устья на экране пульта управления видны как светящиеся точки, которые совмещаются оператором. Точность попадания весьма высока и достигает 1—4% от мощности водной толщи. Этот вид подводных операций наделено отработан для доступных глубин мори.

Французскими корабелами по заказу геологоразведчиков Каспия построено специализированное судно для изучения дна древнего Хазара — так называли Каспийское море в Азербайджане. Общая компоновка корабля в целом повторяет только что описанную конструкцию: в центре установлена буровая вышка высотой 22 м. Наиболее интересной новинкой корабля стало использование гибкого шланго-кабеля, с помощью которого можно проходить геологоразведочные скважины глубиной до 300 м при такой же глубине моря. Вертикальное расположение части гибкого шланга над устьем скважины обеспечивается плавучим буем. Он погружается в море на глубину, исключающую волнения морской поверхности. Спуско- подъемные операции с помощью шланго-кабеля делаются непрерывными. Благодаря гибкости колонны допускаются любые амплитуды вертикальных перемещений судна при шторме. Впрочем, на судне предусмотрена возможность обычного бурения на легкосплавных бурильных трубах.

Установка судна на точке бурения стабилизируется системой Динамической стабилизации, аналогичной описанной. Имеется телевизионная установка для наблюдений под водой. Корабль прошел ^пУть по Балтийскому морю, Волго-Балтийскому каналу и сейчас работает в Баку.

Морские суда, приспособленные для бурения, обладают малой Устойчивостью, а иногда и грузоподъемностью. Глубокие скважины ^в несколько тысяч метров для них недостижимы. Делаются попытки ^стРоить специальные плавучие платформы. Некоторое представление ⁰ них можно получить из рис. 49, где показано полупогружное Яровое основание, спроектированное Французским нефтяным инсти- ^том. Оно рассчитано на бурение скважин глубиной до 9000 м.

Стационарные морские буровые платформы для бурения скважин на нефть в настоящее время находят все большее распростра- ^Не"ие во многих странах мира. Сейчас в общей сложности их

насчитывается более 450. В СССР такие установки работают на акваториях Каспийского, Черного и Охотского морей. Это домкрат" ные установки типа «Хазар», «Апшерон», «Азербайджан», «Баку* и «60 лет Октября».

Отечественные плавучие установки имеют металлическую к°^н' струкцию с высотой опор 108 м. Глубина бурения—до 6 ^кМ' Спроектированы установки для бурения скважин при^eltte большей глубине моря — до 200 м. Опоры (их четыре) опускаютс" на дно автоматически до упора. На буровой установке созданы отличные условия для труда и отдыха. К услугам команды каюты, столовая, кинозал, клуб, комнаты отдыха и быта.

Наиболее часто стационарные платформы можно встретить

Северном море. Природные условия Северного моря очень сложные: большие глубины, частые, порой непредсказуемые штормы. Высота волн может достигать 30 м. Все это заставляет конструкторов искать Традиционные решения при проектировании буровых платформ.

Британская нефтяная компания располагает самой большой в ^Мире морской платформой, рассчитанной на глубины моря до 180— м (рис. 50). Для сравнения на рис. 50 показаны наиболее ^гР^андиозные сооружения Лондона: телевизионная башня главного "Ютового управления и собор св. Павла. Этот собор, похожий ¹⁾⁹ наш Исаакиевский в Ленинграде, выглядит карликом рядом ^ttt бальной опорой буровой платформы.

Стоимость таких установок необычно высокая.

Смелость, с которой иефтяиые корпорации мира идут иа риск больших капиталовложений при строительстве и монтаже крупных морских нефтепромысловых и буровых оснований, объясняется очень просто: малая потребность в рабочей силе. Для иллюстрации сказанного можно привести одно весьма показательное сравнение. На голландском газовом месторождении Гроиингеи в Северном море работает 600 человек, а во всей угледобывающей промышленности Англии — 250 тыс. Количество же энергии от добываемого топлива в том и другом случаях примерно одинаковое.

Наибольшую долю стоимости платформ составляет сталь- В крупнейших установках ее расходуют до 45—57 тыс. т. Для сравнения — масса Эйфелевой башни в восемь раз меньше, Попытки удешевления строительства связаны с заменой металла иа более дешевый и долговечный — железобетон, что особенно важно в морских условиях при высокой скорости коррозии металлических конструкций. Опыт показывает, что бетонные основания экономически кыгодиы при глубинах моря свыше 75—90 м. Расчетная продолжительность их службы — 30 лет.

На рис. 49 были даны две характерные конструкции таких платформ. Внизу размещены бетонные резервуары для иефти.

Любопытна конструкция платформы иа шарнирном основании. Ее цилиндрические бетонные элементы телескопически входят друг в друга- Шарнирное соединение компенсирует колебания платформы при волнениях на море.

Внутри телескопического набора бетонных труб размещено шахтное направление с транспортным подъемником, трубопроводами, аварийными лестницами и др. Платформа спроектирована для кодиых глубин до 400 м.

Во всем мире инженеры приходят к выводу, что дальнейшая эскалация массы стационарных морских установок (а оиа неизбежна при дальнейшем увеличении глубин моря) больше продолжаться не может. По-видимому, плавучие буровые установки специальной конструкции придут им иа смену, так как цена установки, имеющей самое совершенное оборудование, включая электронное, будет все же меньше стоимости тысячетонной стационарной громады.

Особый интерес вызывает бурение в высоких арктических широтах океана. Отличительная особенность такого бурения — постоянная ледовая опасность для буровых платформ. Если арктическое море постоянно или, по крайней мере, значительное время года покрыто льдом, то сооружение металлического острова — главная строительная трудность. С другой стороны, в открытом море со свободной водной поверхностью всегда вероятно появление плавающих ледяных глыб-айсбергов. Против иих защиты иет и, прежде ^чем строить, приходится заранее и тщательно изучать направления Учений и ветров. Для трех основных морских ЗОИ — мелководья, ^г,1Крытой воды и ледяных полей — принимаются различные технические решения.

Против отдельных плавающих льдии еще можно иайти средва борьбы. Попытки как-то застраховаться от таких льдии при- ^Вели к созданию специальных гидравлических нагнетателей. Сильной ^ВоДяной струей оии держат лед иа некотором отдалении от буровой вышки. Конечно, такое решение ие может считаться панацеей от всех Существуют и другие проекты, ио реализация подавляющего "ьшииства их связана с большими затратами. Судьба таких "Роектов пока одинакова: все они лежат иа полках до поры до времени. Например, в одном из проектов предусматривается постоянная приписка ледокола на все время сооружения скважины. Есл_и скважина разведочная, то такое решение экономически еще оправ, дано, но для эксплуатационной скважины, дающей нефть и работающей годами, ледокольное решение неприемлемо.

Наиболее простым решением вопроса бурения скважин на площадях со сплошными ледяными полями считается установка буро- вого оборудования прямо на льду. При толщине льда 3 м и более надежность ледяного основания оказывается достаточной на дли- тельное время. Она может быть повышена искусственным намерзанием дополнительного слоя льда вплоть до промерзания на мелководье слоя воды до океанского дна.

Недавно в Канадской Арктике на одном из океанских газовых месторождений была пробурена скважина с помощью обычной установки для бурения на суше. Скважину пробурили со льда. Толщина его в обычных условиях составляла 2,4 м. Надежность такого основания была признана недостаточной. Наращивание льда выполнялось искусственно морской водой, нагнетаемой насосами из пробуренных во льду скважин. Вода разбрызгивалась по кругу диаметром 120 м. Хорошее промерзание новых слоев льда было обеспечено тем, что ежедневно наращивали не более 75 мм ледяного покрова. Таким путем мощность ледяного острова в центре площадки была доведена до 5 м.

Под массой бурового оборудования и намороженной воды основной слой льда несколько прогнулся, но вполне выдержал нагрузку до конца бурения скважины. Буровое оборудование устанавливалось на изоляционную подушку из слоев полиэтиленовой пленки и пенопласта.

Как бы ни была дешева ледяная платформа, она имеет один существенный недостаток: сезонность работы в самое холодное время года, когда льды неподвижны. Ограничена масса буровой установки, а стало быть, и глубина скважины. Недавно опубликован проект самоходной полупогружной буровой установки для высокоширотных условий работы. Она отличается роторным ледорезом, представляющим собою многозаходный винтовой шнек диаметром несколько метров. Шнек бурит мощные льды толщиной до 17 открывает доступ буровому инструменту ко дну моря И соединяет буровую платформу с ее погружной частью.

Специалисты считают, что для такой установки сезонные изменения ледовой обстановки не будут страшны на протяжении всего календарного года.

Морское бурение применяется ие только для добычи неф¹" или газа, ио и в целях разведки дна иа твердые полезные иск» паемые. Человек-исследователь и геолог вместе с буровой установкой как в прошлом, так и в наше время все более настойчиво исследует дно рек, озер, болот, морей и океанов. Эта настойчивость проявляется не только в том, что увеличиваются глубины вод и буровые станки становятся все более тяжелыми и механизированными. Бурение перемещается на дно моря в буквальном смысле: буровые становятся подводными, чаще всего полностью автоматизированными. Такой подход обусловлен тем, что возможности работы обслуживающего персонала под водой ограничены требованиями безопасности людей.

Самостоятельной отраслью бурения стало исследование морских грунтов перед началом строительства морских буровых платформ. Без надежной оценки несущей способности грунта ии один подрядчик в наше время ие рискнет начать монтаж дорогостоящего стального строва.

Основная цель такого бурения заключается в том, чтобы поднять со дна моря колонки-образцы грунтов для их натурных испытаний в лабораторных условиях. Применяются конические и лопастные пенетрометры, оснащенные пьезометрами, датчиками для измерения силы трения и угла наклона пенетрометра, и многое другое. В Нидерландах сконструирован интересный пробоотборник, имеющий нейлоновый гибкий рукав для защиты грунта от размывания водой и выпадения из трубки. Рукав может иметь длину до 27 м и подниматься на поверхность с помощью троса. Трос протянут внутри керноподъемных труб.

Сравнение этой конструкции с уже описанным ранее грунтоносом АМС «Луна-24» позволяет найти немало общих конструктивных черт и решений.

Стратегия подводных исследований значительно чаще, чем представляют себе, копирует космическую технику, где в последнее время все большее предпочтение отдается автоматам, а не высадке людей на поверхность космических тел. Даже внешне морские буровые установки повторяют отдельные решения космической техники. Выше был помещен рисунок французской полупогружной буровой Платформы. Не требуется большого воображения, чтобы увидеть ^в ией элементы длительной космической станции, проекты которой "ередко помещаются на страницах периодической печати.

На рис. 51 показан буровой станок Лиото, где влияние космических мотивов особенно заметно. Проект французского изобретателя Лиото почти копирует ннешне американский космический корабль "Сервейор», побывавший на Луне н в первых своих вариантах имевший автоматическую буровую установку. Особую схожесть конструкций создают опоры станка, складывающиеся при спуске

Рис. 51. Подводный буровой станок Лкото:

1 — корпус; 2 — шланг гидросистемы станка; 3 — опоры; 4 — башмаки; 5 — растяжки; 6 — насос гидросистемы; 7 — вентильное устройство; 8 — электрокабель. Справа — взятие проб донного грунта подводным бурением с вертолета и подводная буровая установка фирмы «Вирт» (ФРГ); 9—кабели; 10 — направляющая воронка; 11 — магазин с бурильными трубами; 12— прожектор » передвижная телекамера

Вдоль корпуса. После установки станка на морском дне приступают к очистке верхнего слоя рыхлых пород струей воды, подаваемой насосом гидросистемы. Корпус станка — вращатель опускается вниз, и после упора в твердые породы в работу включается ведут®" бурильная труба с алмазной коронкой. Вращение создается гидромотором, а подача — поршневой системой.

По-видимому, влияние космических конструкций на технику морских исследований заключается ие столько в простом внешнем копировании, сколько в общности необычных, экстремальных У^сЛ°" вий работы, заставляющих конструкторов искать неординарные пу^тИ решения прочностных, весовых и других аналогичных проблем.

Глядя на станок Лиото, так и хочется опустить его на аэростате для бурения на поверхности Венеры, где атмосферное давление, как " глубоком море, а о температурах и говорить страшно («500°С).

Спуск станка на тросе в условиях Землн был реально смоделирован в СССР еще в 1971 г. С помощью вертолета малогабаритный буровой станок иа кабель-тросе спускался на дно моря. Вертолет зависал над водной поверхностью. Место бурения фиксировалось по бую. Он сбрасывался с иертолета и служил летчику хорошим ориентиром. Глубина скважин могла доеттать 5—6 м.

Для более сложных условий бурения спроектированы автоматизированные буровые установки в водолазных колоколах и подводных лодках, где размещается оборудование и персонал.

Существует подводная буровая лодка с высокоавтоматизированным буровым устройством. Все операции по спуску и подъему труб, их соединению, укладке и отводу от оси скважины выполняются механическими автоматами. Они содержат гидроцилиндры подачи и вращателя, клиновые захваты для труб, поворотные устройства и труборазвороты, каретки продольного и поперечного перемещения труб по отсекам лодки.

Электроэнергия и воздух подаются в лодку с поверхности по кабелю и шлангам, а необходимые материалы и инструмент — в специальных контейнерах.

Иитересна конструкция сложной подводной буровой установки, предложенной фирмой «Вирт» (ФРГ). Она может работать на полиостью автоматическом режиме без участия людей и при глубинах моря до 200 м. Все операции по бурению н спуско-подъемам долота наблюдаются через телевизионный тракт, включающий передвижную телевизионную камеру, прожекторный осветитель и кабель связи с надводным кораблем.