Способ и установка для сооружения подводных нефтяных и газовых скважин

1 Область техники, к которой относится изобретение Изобретение относится к подводным нефтяным и газовым скважинам, в частности, способу и устройству, используемым применительно к подводным нефтяным и газовым скважинам на мелководье, где плавучий лед может разрушить расположенные на морском дне конструкции, и где обычные полупогружные буровые установки на понтонах не могут использоваться обычным образом. В предлагаемом устройстве и способе оборудование, связанное с устьем скважины, в процессе бурения скважины, а также в процессе последующей эксплуатации скважины, расположено в шахтной конструкции, размещенной ниже дна водоема. Уровень техники В подобных внешних условиях крайне важна защита устьев подводных скважин. Ранее пытались использовать подводные кессоны большого диаметра в арктических регионах,однако, это в основном не увенчалось успехом главным образом по причине трудностей, связанных с установкой таких кессонов. Углубление дна с образованием открытых воронок практикуется и в настоящее время, однако, такая процедура является дорогостоящей и не защищает оборудование от размытой породы. Для защиты подводных скважин от снастей рыболовных судов и якорей использовались свайные рамные конструкции, однако они представляют собой громоздкие сооружения, установка которых затруднена и связана с большими расходами. Таким образом, обычно устье подводной скважины расположено на уровне морского дна и связано либо с противовыбросовым устройством во время фазы бурения, либо с блоком клапанов и соединителем выкидной линии во время эксплуатации скважины. Устье скважины и связанное с ним оборудование выступают на определенную высоту над морским дном, в результате чего подвержены повреждениям. Любое оборудование, находящееся на дне океана, подвергается разного рода опасностям. В прибрежных водах с месторождениями углеводородов основная угроза подводному оборудованию исходит от тралов рыболовных судов,а также якорей судов, обслуживающих скважины, барж для прокладки подводных трубопроводов, буровых судов и другие плавучих средств. Что касается месторождения углеводородов в регионах с холодной водой, необходимо учитывать новую опасность, которую создает воздействие льда на морское дно. Например, в районе моря Бофорта скоблящее воздействие льда происходит в регионах вне ледяного шельфа, где образуется лед с острыми кромками,зачастую воздействующими на морское дно. В восточных прибрежных водах Канады большие повреждения морскому дну наносятся при откалывании айсбергов. Таким образом, при проек 004841 2 тировании скважины необходимо предусмотреть возможность обеспечения управления ее работой даже в такой экстремальной ситуации,когда движущийся лед снесет верхнюю часть скважины. Одним из способов решения этой проблемы является установка устройств регулирования давления (например, фонтанная задвижка, система DHSV и т.п.) и оборудования устья скважин вместе с уплотнительными устройствами ниже зоны повреждения дна, а также соответствующих крепежных средств для гарантии целостности скважины. Для осуществления такого способа имеется большое количество вариантов действий. Одним из них является выкапывание открытой воронки в морском дне, имеющей достаточную глубину для установки всех устройств регулирования давления в скважине ниже зоны повреждения дна. Такая открытая воронка является хорошим техническим решением, но это нельзя назвать экономически привлекательным. Другим вариантом решения этой проблемы является разработка фонтанной арматуры, которую можно было бы установить внутри ствола скважины на необходимой глубине с защитным оборудованием, находящимся выше устройств регулирования давления в скважине. Вводимая внутрь фонтанная арматура была разработана с целью сведения к минимуму высоты оборудования, находящегося над уровнем дна. Однако еще не известно, будет ли оборудование, находящееся между поверхностью и устройствами регулирования давления в скважине, выполнять защитную функцию. Однако между этими двумя крайними способами, описанными выше, имеется большое количество других способов решения указанной проблемы. Они заключаются главным образом в установке кессона достаточно большого размера для размещения внутри него стандартной морской донной фонтанной арматуры. Успех этого решения зависит от возможности осуществления установки такого кессона. Для преодоления некоторых из этих проблем было предложено изготовить кессон достаточно больших размеров, чтобы в нем можно было установить противовыбросовое устройство. Способ установки кессона такого типа описан в патентах США 3344612 и 3796273. В патенте 3344612 описана технология воздействия размывающей струи для кессонов, устанавливаемых в мягкий грунт морского дна, а в патенте 3796273 описана технология роторного бурения для твердых пород морского дна. В последней конструкции на поверхности днища кессона предусмотрены режущие зубья, а весь кессон вращается, высверливая для себя углубление. Хотя такая технология и является вполне осуществимой, она требует наличия очень дорогой буровой установки, а также цементирование с целью обеспечения прочности сооружения, поскольку окружающая порода в 3 значительной степени нарушена. В случае вращающегося кессона осуществимость вращения такого большого тела ближе к моменту завершения его погружения находится под вопросом,поскольку в этом случае имеет место большая площадь поверхности при большом радиусе. В патенте США 3344612 приведено описание кессона, пригодного для обеспечения процесса бурения, осуществляемого с бурового судна, и последующей эксплуатации скважины в прибрежной зоне. Главной целью кессона,описанного в данном патенте, является искусственное понижение дна водоема над местом сооружения скважины таким образом, чтобы противовыбросовое устройство, обычно соединенное с устьем скважины в процессе бурения,могло бы быть расположено на удалении от днища бурового судна, выполняющего операции бурения. Противовыбросовое устройство,которое требуется устанавливать при бурении морских скважин, имеет существенную высоту. Противовыбросовое устройство представляет собой механизм для запечатывания скважины в случае повышения давления нефти или в случае появления газовых карманов, которые встречаются при бурении скважины в геологической формации. Буровые суда обычно имеют в своем корпусе центральную шахту, через которую осуществляется бурение с помощью буровой установки, установленной на судне над этой шахтой. В зоне мелководья высота противовыбросового устройства может оказаться больше,чем расстояние между устьем скважины и днищем бурового судна. В этом случае в процессе бурения буровое судно будет жестко привязано к противовыбросовому устройству, в результате чего оно не сможет отойти от скважины в случае шторма или аварии. В патенте США 3344612 показано, что в условиях такого мелководья дно водоема может быть искусственно занижено кессоном, благодаря чему расстояние между устьем скважины,расположенной в области дна кессона, и днищем бурового судна будет превышать высоту противовыбросового устройства. Таким образом, буровое судно можно будет отвести в случае опасности от места сооружения скважины еще до того момента, когда вместо противовыбросового устройства после завершения бурения будет установлена эксплуатационная задвижка(в промышленности известная под названием фонтанная арматура). Основной целью установки кессона, описанного в данном патенте,является понижение дна водоема в достаточной степени для того, чтобы противовыбросовое устройство находилось ниже корпуса бурового судна. Верхняя часть трубы противовыбросового устройства, подсоединенного к устью скважины во время операции бурения, может выступать над дном водоема. В патенте США 4189255 раскрыта подводная устьевая шахта, которая включает по 4 существу, цилиндрическую полую фиксирующую стеновую конструкцию, причем верхняя цилиндрическая краевая часть конструкции образует верхнее отверстие, а нижняя краевая часть образует донное отверстие. На верхней краевой части установлены крепежные элементы для прикрепления фиксирующей стеновой конструкции к соответствующему крану, опускающему подводную устьевую шахту на морское дно с бурового судна. Внутри фиксирующей стеновой конструкции установлен кольцевой воздушный эжектор, расположенный рядом с нижней краевой частью. В кольцевом воздушном эжекторе предусмотрены средства для его соединения с источником сжатого воздуха. Кольцевой воздушный эжектор включает большое количество воздушных форсунок, направленных, в основном, вертикально вверх. Большое количество выпускных труб установлено,по существу, внутри фиксирующей стеновой конструкции. Эти трубы содержат верхние выпускные части, выступающие наружу из конструкции, и нижние впускные части, расположенные по меньшей мере частично над форсунками для направления воздуха, воды и твердых частиц вверх и наружу из фиксирующей стеновой конструкции. Подводная фиксирующая стеновая конструкция, описанная в этом патенте, устанавливается следующим образом. Сначала бурится отверстие примерно в центре заданного участка дна океана, который должен быть расчищен. Струйное приспособление в дальнейшем используется для подачи струи сжатого воздуха или иного газа в зону пробуренного отверстия для расширения этого отверстия до величины,достаточной для установки фиксирующей стеновой конструкции. Внутри частично очищенного отверстия может также вращаться струйное нагнетательное приспособление таврового сечения, обеспечивая направление наружу через большое количество форсунок нагнетаемой среды для ослабления грунта морского дна. Ослабленный грунт удаляется путем всасывания в выпускные трубы, смонтированные на фиксирующей стеновой конструкции. Все эти изобретения относятся к традиционному способу забуривания и завершения скважин бурением, а именно к бурению одиночных скважин, когда направляющая обсадная труба зацементирована в грунт и соединена с устьем скважины. Однако в последние годы возрос интерес к использованию опорных плит для бурения, когда на одном месте можно бурить несколько скважин. Но опорная плита для бурения требует хороший фундамент, кроме того, перед бурением она должна быть надежно закреплена. Ни один из упомянутых выше способов не может быть использован вместе с такой опорной плитой. Другая проблема заключается в соединении выкидных линий и составных шлангов с устьем скважины. Эти линии и шланги обычно 5 подсоединяются к верхней части фонтанной арматуры, следовательно, подвергаются опасности срезания и повреждения перемещающимся льдом. Таким образом, все существующие решения данных проблем заключают в себе так называемое слабое звено, т.е. выкидные линии и составные шланги будут разорваны обычно в соединителе, при задевании льдом. Раскрытие изобретения Настоящее изобретение обеспечивает эффективный, простой, экономичный и надежный способ и устройство для сооружения полой конструкции типа шахты, такой как подводная устьевая шахта, которая должна использоваться вместе с опорной плитой для бурения. В дальнейшем такая шахтная полая конструкция будет также именоваться шахтой. Особо следует отметить, что данное изобретение предлагает усовершенствованную шахту для мелководья, которая может быть установлена за счет использования простых средств ударного воздействия или вибрационных средств. Мелководьем считаются глубины менее 10 м и особенно ниже 5 м. Согласно предлагаемому способу шахтную полую конструкцию или шахту сначала устанавливают, по существу, по вертикали. Далее шахту опускают до тех пор, пока ее нижний конец не встанет на морское дно, а затем забивают в грунт до расположения верхнего края шахты приблизительно на уровне верха грунтовой формации, т.е. дна водоема. Далее из шахты удаляют скальные породы или грунт и формируют на дне шахты бетонную плиту. На бетонное основание устанавливают опорную плиту для бурения, после чего в грунтовой формации бурят требуемые скважины через кондукторы(направляющие трубы) для забуривания скважин, которыми оснащена опорная плита. Устройство включает полую конструкцию типа шахты с открытым верхом и низом. Внутренняя область шахты представляет собой камеру, размер которой позволяет полностью разместить в ней опорную плиту для бурения, связанную с оборудованием для нескольких скважин, например, трубной обвязкой. Около основания шахты размещена бетонная плита, служащая в качестве фундамента для опорной плиты. На опорной плите для бурения закреплена фонтанная арматура, трубная обвязка и другое соответствующее оборудование. Выкидные линии и/или составные шланги проходят в шахту через отверстие в боковой стенке. Краткое описание чертежей Упомянутые выше, а также другие признаки предлагаемого изобретения более полно изложены в приведенном ниже описании предпочтительного варианта реализации изобретения со ссылкой на сопроводительные чертежи,где на фиг. 1 схематически представлено покомпонентное изображение основных узлов подводной устьевой шахты; 6 на фиг. 2 - устьевая шахта, установленная ниже морского дна; на фиг. 3 - последовательность операций способа установки. Осуществление изобретения На фиг. 1 показана подводная устьевая шахта в виде шахтной полой конструкции 1,которая предпочтительно выполнена в форме цилиндра, однако может иметь и другую форму,например прямоугольную, восьмиугольную или даже асимметричную форму. Предпочтительно полая конструкция 1 изготавливается из стали,однако, если условия грунта позволяют, она может быть изготовлена из бетона. Полая конструкция 1 может быть образована из нескольких меньших конструкций, составленных до необходимой высоты. В дальнейшем полая конструкция именуется как шахта 1. Крышка 3, представляющая собой защитную крышу, может устанавливаться поверх шахты 1, закрывая верхний проход шахты 1 для защиты оборудования устья скважины, расположенного внутри шахты 1. Плита 4 основания выполнена с возможностью размещения внутри шахты 1. Эта плита предпочтительно изготавливается из бетона и предпочтительно отливается на месте после того, как из шахты 1 будет удален весь материал. Плита 4 представляет собой фундамент для опорной плиты 5 для бурения. Плита 4 отливается на месте, благодаря чему она обеспечивает выровненное основание для опорной плиты 5,устраняя необходимость выравнивания опорной плиты по горизонтали. Процедура выравнивания опорной плиты 5 в традиционном способе сооружения шахты является трудоемкой операцией и занимает много времени. За счет применения выровненного основания для размещения опорной плиты, эта процедура намного упрощается или даже устраняется. Плита 4 основания,особенно если она отливается на месте, защищает шахту 1 от просачивания в нее воды во время монтажа оборудования и бурения или впоследствии, во время обслуживания скважины. Это расширяет возможность проведения работ на скважине, в основном, в сухой обстановке. Кроме того, плита 4 основания, в том случае, когда морское дно рыхлое, например,образовано илом, песком или подобным материалом, обеспечивает прочное основание для выполнения различных работ. В опорной плите 5 для бурения установлены направляющие корпуса для направления буровой колонны во время бурения и размещения оборудования устья скважины и фонтанной арматуры 8, а также связанной с ней трубной обвязки 6. Выкидные линии или составные шланги предпочтительно проложены в морском дне во избежание повреждения льдом. Чтобы связать выкидную линию с трубной обвязкой, предпочтительно пропустить эту линию через отверстие 9 а. В предпочтительном варианте в отверстие 9 а 7 устанавливается врезная пробка 9 для герметизации отверстия и для пропускания выкидной линии или составного шланга внутрь шахты 1. В альтернативном варианте врезная пробка 9 может содержать соединители, расположенные как внутри, так и снаружи. Выкидная линия или составной шланг вставляется в пробку с наружной стороны, в то время как трубная обвязка соединяется с пробкой при помощи короткого фланцевого соединения с внутренней стороны шахты 1. Кроме того, как показано на фиг. 1, поверх шахтной конструкции могут быть размещены полые удлинительные элементы 7, в результате чего шахта будет возвышаться над уровнем воды. Благодаря этому вода из шахты может быть откачана, и все работы, например обслуживание оборудования, могут выполняться в сухих условиях. Как показано на фиг. 2, после того, как сооружение скважины будет завершено, скважинное оборудование окажется в безопасной обстановке внутри шахты, таким образом, будет защищено от воздействия плавающего льда или рыболовного оборудования, которые могли бы нанести повреждение. Система подводной устьевой шахты предназначена для использования совместно со специальным буровым судном 10, способным опускать шахту 1, а также обеспечивать непроницаемость шахты 1 и буровой шахты 12 в корпусе бурового судна для окружающей воды. Благодаря этому обеспечивается возможность установки и подключения оборудования в сухих условиях. Способ сооружения показан на фиг. 3 в виде схематической последовательности операций. В процессе установки подводной устьевой шахты шахту 1 вынимают из баржи или иного подобного судна 10 и поднимают в вертикальное положение. Далее шахту 1 сначала опускают до размещения в вертикальном положении на морском дне 2. Чтобы погрузить шахту 1 в морское дно, предпочтительно используют ударное или вибрационное оборудование, хорошо известное из уровня техники и не требующее дальнейшего описания. Эти операции на фиг. 3 не показаны. На фиг. 3(1) показан этап, на котором шахта 1 уже забита в морское дно 2. После того, как шахта 1 будет погружена в морское дно, материал, находящийся внутри шахты, вычерпывается или выкапывается, фиг. 3(2), в результате чего образуется котлованная зона 11. После этого буровое судно 10 располагается над шахтой 1 и опускается таким образом, чтобы его буровая шахта 12 села на морское дно 2. Как показано на фиг. 3(3), буровая шахта 12 судна может быть оборудована выступающими юбками, которые заглубляются на небольшое расстояние в морское дно 2, обеспечивая возможность откачки воды из буровой шахты 12, а также шахты 1. 8 Далее в шахте размещают плиту 4 основания,либо путем опускания с судна предварительно изготовленной бетонной плиты, либо, предпочтительно заливкой бетона внутрь шахты 1 с образованием плиты 4, служащей фундаментом для опорной плиты 5 для бурения. Поскольку на данном этапе можно работать в сухих условиях,с помощью бетонирования можно изготовить ровный горизонтальный фундамент. После этого опускают в шахту опорную плиту 5 для бурения. Плита может быть заанкерена в бетоне при помощи стандартных технических средств. Теперь бурение может выполняться обычным способом с использованием кондукторов для забуривания скважин, которыми оснащена опорная плита. По завершении бурения на опорную плиту 5 устанавливается трубная обвязка 6, а на каждую скважину устанавливается фонтанная арматура 8, фиг. 3(4). В случае необходимости внутренние стенки шахты 1 могут быть оснащены вертикальными направляющими (на чертежах не показаны),с помощью которых опорную плиту 5 направляют для установки на плите основания в правильном положении. Кроме того, в процессе отливки в бетон могут быть заложены анкерные или крепежные элементы для закрепления опорной плиты для бурения. После окончания бурения и завершающих мероприятий опускают крышу в виде крышки 3 для защиты шахты 1 ото льда и воздействия других внешних факторов, фиг. 3(5). В процессе установки опорной плиты 5 для бурения и трубной обвязки может быть установлена труба, идущая от обвязки 6 к врезной пробке 9 в стенке шахты для последующего подсоединения выкидной линии. На завершающей стадии сооружения или позднее, если возникнет необходимость в капитальном ремонте скважины, крышку 3 удаляют,а поверх шахты устанавливают полые удлинительные кольца 7, фиг. 1, выступающие над поверхностью воды, тем самым обеспечивающие проведение работ в сухих условиях. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ сооружения скважин на мелководье на территориях, где существует угроза со стороны дрейфующего льда, включающий следующие стадии: а) доставляют судном (10) полую конструкцию (1) в зону сооружения скважины и опускают известным образом упомянутую конструкцию на морское дно (2) в вертикальное положение; б) погружают конструкцию (1) в морское дно (2) за счет средств ударного воздействия или вибрационных средств до расположения верхнего края конструкции (1) по существу на одном уровне с морским дном; в) удаляют материал изнутри конструкции (1); г) заполняют внутреннюю часть конструкции (1) бетоном с образованием выровненной плиты (4) основания; д) устанавливают известным образом на плиту (4) опорную плиту (5) для бурения, оснащенную кондукторами для забуривания скважин; и е) бурят и заканчивают бурением заданное количество скважин через упомянутые кондукторы опорной плиты (5). 2. Способ по п.1, в котором закрывают крышкой (3) верхний край полой конструкции(1). 3. Способ по п.1, в котором выполняют отверстие (9 а) в стенке конструкции (1), через которое пропускают выкидные линии и/или составные шланги из-за пределов конструкции (1) в ее внутреннюю область. 4. Устройство для сооружения скважин на мелководье на территориях, где существует угроза со стороны дрейфующего льда, используемое в способе, заявленном в п.1, содержащее полую конструкцию (1) с открытыми концами,выполненную с возможностью погружения в морское дно (2) и размещения в ней опорной плиты (5) для бурения, связанной с оборудованием, таким как трубная обвязка (6) и фонтан 10 ная арматура (8) для нескольких скважин; основание в виде отлитой плиты (4), расположенной внутри полой конструкции (1), причем плита (4) служит в качестве фундамента для упомянутой опорной плиты. 5. Устройство по п.4, в котором в боковой стенке полой конструкции (1) выполнено отверстие (9 а) для введения выкидной линии или подобного устройства. 6. Устройство по п.4 или 5, в котором отлитая плита (4) основания содержит анкерные или крепежные средства для опорной плиты (5). 7. Устройство по любому из пп.4-6, в котором полая конструкция (1) оснащена крышкой(3). 8. Устройство по любому из пп.4-7, в котором полая конструкция (1) содержит направляющие, прикрепленные к внутренней стенке для направления опорной плиты в соответствующее положение на плите (4). 9. Устройство по любому из пп.4-8, в котором полая конструкция (1) имеет цилиндрическую форму. 10. Устройство по любому из пп.4-9, в котором полая конструкция (1) имеет многоугольную форму.