Райзер что это такое в бурении
Содержание
Морской буровой райзер
Морской буровой райзер имеет основную трубу низкого давления большого диаметра с внешними вспомогательными линиями, которые включают штуцер высокого давления и линии глушения для циркуляции жидкости в подводный противовыбросовый превентор (BOP) и обычно линии питания и управления для BOP. Конструкция и эксплуатация морских буровых райзеров сложны, и требование высокой надежности означает, что требуется обширный инженерный анализ.
При использовании на глубине более 20 метров морской буровой райзер должен быть натянут для сохранения устойчивости. Морской стояк натяжитель расположен на буровой платформе обеспечивает почти постоянная силу натяжения адекватной для поддержания стабильности стояка в морских условиях. Требуемый уровень натяжения зависит от веса оборудования райзера, плавучести райзера, сил от волн и течений, веса внутренних жидкостей и адекватного учета отказов оборудования.
Чтобы уменьшить напряжение, необходимое для поддержания устойчивости райзера, к соединениям райзера добавляются модули плавучести, известные в отрасли как «пироги плавучести», чтобы они были близки к нейтральной плавучести при погружении.
Подвесной буровой райзер
Привязной стояк может быть либо одной трубой высокого давления большого диаметра, либо набором концентрических труб, расширяющих обсадные колонны в скважине до наземного превентора.
Как добывают нефть под водой
Как известно, техногенные катастрофы не случаются сами по себе. Их устраивают люди. В нефтегазовой отрасли последствия некомпетентности ужасны. Трагедия платформы Deepwater Horizon на месторождении Макондо и выброс нефти на шельфовой скважине Монтара в Тиморском море в 2009 году наглядно продемонстрировали дьявольский потенциал «человеческого фактора». Уже почти не осталось мест, где сочащуюся из песка нефть можно черпать ведрами. Зато технологически сложных углеводородов в толще геосферы еще предостаточно. Каких-то 30 лет назад бурение на дне океана, в вечной тьме и холоде, под давлением, сминающим титановые корпуса подлодок, как пивные жестянки, было фантастикой. Впрочем, это и сегодня чрезвычайно опасно. И потому запредельно дорого.
На дне
Перед бурением глубоководной скважины буровое судно (на профессиональном жаргоне «дриллшип») «зависает» над заданной геофизиками точкой дна, непрерывно корректируя свое положение тягой винтовых движителей системы динамического позиционирования на основе GPS. После этого через сквозную буровую шахту в корпусе судна на буровой колонне спускается первое звено будущей скважины — кондуктор. Это стальной толстостенный трубный фундамент массой 200 и более тонн и высотой до 27,5 м с фланцем для соединения с устьевой арматурой.
Под внимательным взором телекамер подводных аппаратов гидромониторное долото, находящееся внутри кондуктора, мощнейшими струями размывает на дне колодец, и гигантская конструкция соскальзывает в него под давлением воды. Кондуктор намертво бетонируется в колодце цементным тестом, которое подается по буровой колонне и через специальную головку выдавливается в затрубное пространство.
Тестом называется масса, образующаяся при соприкосновении вяжущих минеральных веществ с морской водой. Она превращается в искусственный камень не более чем через 18 часов. Сразу после этого в скважину спускается долото, вращающееся под напором морской воды, как турбина, и буровики проходят еще около сотни метров для установки первой секции обсадной трубы.
Затем на устье с борта платформы опускается блок противовыбросовых превенторов (ПВП) массой около 100 т. Именно эти мощнейшие автоматические затворы призваны спасти акваторию от загрязнения нефтью в случае аварии. Сверху к ПВП присоединяется вертикальный трубопровод, или райзер.
Райзер, состоящий из десятков и иногда сотен отдельных секций, соединяет буровую установку со стволом скважины. По райзеру, как по дороге жизни, в скважину доставляется все необходимое — буровая колонна с гидравлическим долотом, буровой раствор, обсадные трубы, цементное тесто, измерительная аппаратура и специнструмент. По нему же отработанный буровой раствор выносит наверх обломки породы.
После установки райзера начинается рутинный процесс бурения, длящийся несколько месяцев: проходка отрезка, спуск очередной секции обсадной трубы, тампонаж, опрессовка, тесты на герметичность, смена долота, снова проходкаи т. д. Но по мере приближения к нефтеносному пласту обстановка в прямом смысле слова накаляется: на глубине свыше 5 км температура подскакивает до 130 °C, а давление — до 900−1000 атм.
Линия обороны
По мнению директора Бюро по вопросам безопасности и природоохраны США (BSEE) Джеймса Уотсона, только ужесточение требований к надежности скважинного оборудования может компенсировать катастрофические проявления человеческого фактора. А вот инженеры-буровики, работающие «в поле», уверены, что стихию можно держать под надежным контролем и без особых инноваций.
Первая линия обороны скважины — грамотное цементирование, адекватное геофизическим свойствам пласта. Вторая линия — глушение избыточного давления прорвавшейся внутрь ствола скважинной жидкости подачей глинистого бурового раствора с удельным весом 2,5−3,5 т/м3. Как правило, подобная пробка эффективно закупоривает рвущиеся к устью нефть и газы.
Но если буровой раствор не в состоянии сдержать натиск фонтана, а также в случае внезапного сноса платформы с точки бурения и отрыва буровой колонны от насоса оператор обязан заглушить скважину через блок противовыбросовых превенторов. Стандартный глубоководный блок ПВП — это многоэтажная конструкция из двух или более кольцевых и не менее чем из трех срезных плашечных превенторов.
Управление блоком ПВП может осуществляться подачей электрического или закодированного гидроакустического сигнала, механически при помощи подводных беспилотников и в автоматическом аварийном режиме с питанием от донного гидроаккумулятора в случае повреждения гидросистемы на райзере. При этом трубные плашки сначала фиксируют буровую колонну в канале (если она там есть), а срезные окончательно глушат скважину.
В 2010 году на Deepwater Horizon первые две линии обороны пали из-за некомпетентности персонала, а в блоке ПВП не сработал ни один превентор из пяти. Впрочем, нечто подобное могло случиться гораздо раньше. Еще в 2004 году Службой по недропользованию США были опубликованы шокирующие данные по оценке надежности превенторов на глубоководных скважинах Мексиканского залива. Оказалось, что 50% из проверенных блоков ПВП были не в состоянии заглушить скважину в момент, когда в ней находится буровая колонна или обсадная труба, из-за недостаточной мощности срезных плашек. Тогда скандал был спущен на тормозах, а через шесть лет…
Мокрое дело
Основой GDWC, масса которой вместе с дополнительной оснасткой составляет 500 т, является 12-метровая 100-тонная стальная заглушка. В случае аварии она будет устанавливаться с судна непосредственно на блок превенторов, а процесс глушения обеспечат две клиновые задвижки с гидроприводом. В корпус заглушки интегрирована система распыления диспергаторов (веществ, разбивающих нефть на мельчайшие капли) и система подачи метанола для растворения метанового льда, которая может пригодиться в тех случаях, когда необходимо стравливание нефти из заглушки на танкеры.
GDWC комплектуется 28 переходными фитингами для адаптации к буровым установкам всех 15 типов, работающих на месторождениях BP, и выдерживает давление до 1055 атм. Вскоре ожидается появление аналогичной заглушки с рабочим диапазоном до 1406 атм. Максимальная глубина развертывания GDWC составляет 4000 м.
В комплекте GDWC имеется мобильный гидроаккумулятор и манипуляторы для подводных роботов компании Oceaneering: телекамеры, сонары, прожекторы, гидромониторы, трубные захваты и набор клешней-труборезов, способных перекусывать стальные болванки толщиной 1,5 м. По словам вице-президента BP Ричарда Моррисона, система в разобранном виде упакована в 20-футовые контейнеры и находится на базе компании в Хьюстоне. Но если случится беда, в течение недели она будет доставлена в любую точку Мирового океана. Для этого потребуется 35 трейлеров и семь самолетов типа АН-124 или Boeing 747. После прибытия в пункт назначения контейнеры будут пришвартованы к грузовым вертолетам и переброшены на буровую платформу, где после сборки с помощью крана заглушка будет отправлена на дно.
Цена вопроса
Нефти на суше осталось предельно мало, поэтому нефтяным компаниям приходится рисковать и «нырять» в глубину.
Райзер
В случаях, подобных катастрофе Макондо, когда все штатные методы глушения неконтролируемого фонтана оказываются бессильны, скважину приходится «убивать», как говорят нефтяники. Для этого необходимо пробурить наклонную разгрузочную скважину, добиться пересечения с основным стволом и «забить» в него заглушку из мощного заряда цемента. Эта работа занимает месяцы и требует от инженеров хладнокровия и снайперской точности, ведь буровому долоту нужно попасть в мишень размером с суповую тарелку с дистанции в несколько километров. А вот разлив нефти необходимо взять под контроль немедленно.
На мелководье с локализацией выбросов справляются просто: на устье скважины водружают огромный стальной или бетонный кессон (пустотелое свободное от воды помещение) и присоединяют его к гибкому райзеру, отводящему нефть на танкеры.
Но опыт Макондо показал, что на глубинах более километра из-за множества факторов кессонное глушение не работает. Как не работают и другие методы с красочными названиями — Top Kill (глушение устья буровым раствором), Junk Shot (блокирование ствола зарядом цемента с забутовкой из гравия, кусков автопокрышек и мячей для гольфа) и Top Hat (установка на фонтан тяжелой стальной пробки).
В Макондо укротить стихию удалось только через три месяца с момента катастрофы при помощи 40-тонной клапанной заглушки, установленной на блок ПВП. За это время в Мексиканский залив вылилось более 780 000 кубов нефти.
Безопасность
Кольцевой, или трубный, превентор в разрезе. Для фиксации буровой колонны требуется намного меньше энергии, чем для перекусывания ее и полного глушения скважины, поэтому вероятность срабатывания у кольцевого превентора несколько выше, чем у срезного.
Срезной плашечный превентор был придуман в 1922 году Джеймсом Абекромби и Харри Кэмероном, совладельцами мастерской Cameron Iron Works (ныне — компания Cameron, один из лидеров рынка буровой техники), и стал применяться повсеместно с 1924 года. По сути, срезные плашки — это ножницы из карбида вольфрама, обладающие чудовищной силой, которые способны мгновенно перекусить долото или буровую колонну и перекрыть скважину. Так, например, у самого мощного ПВП в мире — Cameron EVO 20K, рассчитанного на давление в стволе 1450 атм, — гидравлика воздействует на торцы плашек с силой 105 атм.
Кольцевой или трубный превентор, состоящий из двух резинометаллических плашек в форме полуколец, в 1946 году изобрел главный инженер компании Hydril Гранвилл Нокс. Функции трубного превентора — центровка, захват и удержание буровой колонны с одновременной герметизацией канала.
Бурение
Для компенсации напора глубинных течений и горизонтального «рыскания» платформы нижняя секция райзера оснащается гибким резинометаллическим шарниром.
Верхняя телескопическая секция, притянутая системой растяжек к днищу платформы, демпфирует вертикальную качку.
Снаружи райзер несет на себе трубопровод гидравлической системы, оптоволоконный кабель, а также штуцерную линию и линию глушения скважины.
Райзер — невероятно тяжелая штука. В среднем километр трубопровода в полной комплектации весит до 2000 т. Поэтому для разгрузки буровой установки секции одевают в пенопластовые поплавки, а верхнюю часть райзера подвешивают в толще воды на понтонах.
Заглушка
Спасительный взрыв
По мнению главного технолога Shell по скважинному оборудованию Чака Уильямса, модернизация ПВП неизбежна, но не только за счет «наращивания мускулов». В техцентре Shell в голландском Нордвейке в кооперации с инженерами National Oilwell Varco была создана аварийная пиротехническая система, которая будет устанавливаться на нижнюю секцию райзера.
В случаях, когда срезные плашки ПВП оказываются не в силах перерезать буровую колонну, кодированный акустический сигнал с пульта оператора или управляющего компьютера замыкает контакты 52 крошечных «адских машинок» направленного взрыва.
Огромная температура и давление, локализованные по окружности райзера, моментально срезают буровую колонну, и она проваливается в бездну скважины. В случае «осечки» приводится в действие заряд-дублер. После этого глушение выброса можно выполнить, активировав превенторы при помощи подводного манипулятора непосредственно с панели управления ПВП.
В конце июня этого года прототип «огнестрельной» гильотины Shell был удачно испытан в ледяных водах залива Пьюджет-Саунд в присутствии агентов Бюро по вопросам безопасности и природоохраны США.
Мобильная пробка
Британская ассоциация v, в состав которой входят компании нефтегазовой отрасли, государственные регуляторы и научные организации, разработала собственную версию аварийной заглушки с рабочим давлением 1055 атм для использования в Северном море в районе Шетландских островов на глубинах от 40 до 1670 м.
В отличие от системы GDWC, требующей перевозки в разобранном виде, 38-тонная заглушка OSPRAG настолько компактна, что может быть переброшена на буровую платформу обычным вспомогательным судном или вертолетом. Установка ее также не представляет большой сложности. Для этого достаточно возможностей штатного оборудования платформы — лебедки или бурового станка.
Заглушка способна надежно закрывать выбросы объемом 75 000 баррелей в сутки и может быть доставлена в точку установки в течение 20−30 дней.
Райзер что это такое в бурении
ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Нефтяная и газовая промышленность
СИСТЕМЫ ПОДВОДНОЙ ДОБЫЧИ
Система райзеров. Технические требования
Petroleum and natural gas industry. Subsea production systems. Riser systems. Technical requirements
Срок действия с 2021-08-01
до 2024-08-01
Предисловие
1 РАЗРАБОТАН Обществом с ограниченной ответственностью «Газпром 335» (ООО «Газпром 335»)
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 023 «Нефтяная и газовая промышленность»
Правила применения настоящего стандарта и проведения его мониторинга установлены в ГОСТ Р 1.16-2011 (разделы 5 и 6).
Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии собирает сведения о практическом применении настоящего стандарта. Данные сведения, а также замечания и предложения по содержанию стандарта можно направить не позднее чем за 4 мес до истечения срока его действия разработчику настоящего стандарта по адресу: inf@gazprom335.ru и/или в Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии по адресу: 123112 Москва, Пресненская набережная, д.10, стр.2.
В случае отмены настоящего стандарта соответствующая информация будет опубликована в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты» и также будет размещена на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)
Введение
Создание и развитие отечественных технологий и техники для освоения шельфовых нефтегазовых месторождений должно быть обеспечено современными стандартами, устанавливающими требования к проектированию, строительству и эксплуатации систем подводной добычи. Для решения данной задачи Министерством промышленности и торговли Российской Федерации и Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии реализуется «Программа по обеспечению нормативной документацией создания отечественной системы подводной добычи для освоения морских нефтегазовых месторождений». В объеме работ программы предусмотрена разработка национальных стандартов и предварительных национальных стандартов, областью применения которых являются системы подводной добычи углеводородов.
Целью разработки настоящего предварительного национального стандарта является установление единых правил и общих технических требований к проектированию, типам расчетов, изготовлению, испытаниям, контрольной проверке разработанного проекта, сертификации и монтажу на море динамических райзеров в системах подводной добычи углеводородов.
1 Область применения
1.1 Настоящий стандарт распространяется на динамические райзеры.
1.2 В настоящем стандарте приведены технические требования по разработке систем динамических райзеров. В систему динамических райзеров могут входить следующие элементы:
— металлические райзеры (т.е. стальные, титановые);
— райзеры из композитных материалов;
— шлангокабели (имеются в виду отдельно располагающиеся динамические шлангокабели, а также шлангокабели, прикрепленные к райзерам);
1.3 Настоящий стандарт включает в себя технические рекомендации в области научных исследований, проектирования, установки и эксплуатации систем динамических райзеров, а также информацию по контрольной проверке системы райзеров и сертификации продукции.
1.4 Настоящий стандарт не распространяется на стационарные райзеры.
2 Термины и определения
В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ Р 55311, а также следующие термины с соответствующими определениями:
2.1 буровой райзер (drilling riser): Райзер, используемый при буровых операциях и капитальном ремонте скважины, который предназначен для изолирования скважинного флюида от окружающей среды.
верификация (verification): Подтверждение, посредством представления объективных свидетельств того, что установленные требования были выполнены.
1 Объективное свидетельство, необходимое для верификации, может быть результатом контроля или других форм определения, таких как осуществление альтернативных расчетов или анализ документов.
2 Деятельность, выполняемая при верификации, иногда называется квалификационным процессом.
3 Термин «верифицирован» используют для обозначения соответствующего статуса.
2.3 временный райзер (temporary riser): Райзер, который периодически используется для задач, ограниченных по времени (таких как заканчивание, капитальный ремонт и сервисное обслуживание скважин), и который может быть извлечен при тяжелых условиях окружающей среды.
2.4 гибридный райзер (hybrid riser): Комбинация райзера натяжения и гибкого райзера с растяжками.
2.5 гибкая структура (slender structures): Используется в качестве общего термина, обозначающего райзер, натяжные элементы и якорные оттяжки.
2.6 гибкий райзер (flexible riser): Гибкая труба, соединяющая платформу/модуль плавучести/судно с выкидным трубопроводом, морским подводным оборудованием или другой платформой, где райзер может быть свободно подвешен (свободный, провисающий), закреплен в нескольких точках (модули плавучести, цепи), закреплен по всей длине или заключаться в трубу (I— или J-трубы).
2.7 гибкий райзер с растяжками (compliant riser): Райзер, предназначенный для компенсации перемещения плавучей установки путем изменения геометрии без использования систем для компенсации вертикальной качки.
2.8 гибкое соединение (flex joint): Многослойный металло-эластомерный узел, имеющий центральный сквозной канал, диаметр которого равен или превышает отверстие сопрягаемой трубы, и устанавливаемый в секции райзера для снижения локальных изгибающих напряжений (обычно устанавливается в месте соединения с плавучей установкой или морским дном).
2.9 звено райзера (riser joint): Звено райзера состоит из центральной трубной части и концевых соединителей с каждой стороны.
2.10 компенсирующее звено (stress joint): Специальное звено райзера, спроектированное с поперечным сечением такой формы, чтобы обеспечивать снижение локальных изгибающих напряжений, а также концентраторов напряжений.
2.11 компонент райзера (riser component): Любая часть системы райзера, которая может подвергаться давлению внутренней жидкости.
2.12 контрольная проверка: Верификация разработанного проекта системы райзеров, выполняемая с целью подтверждения того, что система райзеров удовлетворяет требованиям проекта к конкретному местоположению и методам установки и эксплуатации с учетом особенностей конструкции, включая выбор материалов и защиту от коррозии, а также используемые методы расчетов.
2.13 модуль плавучести (buoyancy modules): Структура из легкого материала, обычно вспененных полимеров, обвязанных или зажатых на внешней стороне звеньев райзера, для уменьшения веса погруженного райзера.
2.14 монтаж (installation): Операция, связанная с использованием райзерной системы, такая как спуск, посадка и соединение, или укладка, крепление и так далее для динамического райзера.
2.15 общий расчет (global analysis): Расчет всей райзерной системы с описанием общих статических и динамических конструктивных параметров при воздействии на систему стационарных условий нагружения окружающей среды.
2.16 овализация (ovalisation): Процесс возникновения отклонения профиля поперечного сечения райзера от круглой формы, при котором он имеет форму эллипса.
2.17 отклик низкочастотный (low frequency response): Отклик на движение, частота которого ниже или приближена к собственным периодам продольных колебаний, поперечных колебаний и колебаний рысканья плавучей установки.
2.18 отчет о верификации проекта; ОВП (design verification): Документ, выпущенный в целях подтверждения соответствия изделия или процесса заданным требованиям.
2.19 плавучая установка (floater): Плавучая установка, которая удерживается на одном месте за счет активных систем позиционирования, или прикрепляется к морскому дну системами швартовки на временной или постоянной основе.
2.20 постоянный райзер (permanent riser): Райзер, который находится в постоянной эксплуатации (подсоединенный к подающему и принимающему устройству и транспортирующий флюид) в течение длительного периода времени, независимо от условий окружающей среды.
2.21 предельное состояние (limit state): Состояние струны райзера с такими параметрами внешних и внутренних нагрузок, а также с такими показателями технического состояния самого райзера, что малейшее изменение хотя бы одного из них в сторону ухудшения эксплуатационных условий работы райзера приведет к тому, что райзер или его часть больше не смогут удовлетворять требованиям, предъявляемым к функционированию или эксплуатации райзера.
2.22 пробковый режим потока (slug flow): Режим потока, характеризующийся последовательным чередованием пробок газа и жидкости, размеры которых определяются количественным соотношением газа и жидкости.
2.23 проверки конструкции (design checks): Исследования конструкционной безопасности райзера под воздействием нагрузки (случаев расчетных нагрузок) в отношении заданных критических состояний, приводящих к одному или нескольким видам отказа, с точки зрения сопротивления соответствующих конструкционных моделей, полученных согласно указанным в данном стандарте принципам.
2.24 проектирование по коэффициентам нагрузок и сопротивления; ПКН (load and resistance factor design): Способ расчета, основанный на методе предельного состояния и частном коэффициенте запаса прочности.
2.25 промышленная сборка (fabrication): Действия по сборке различных деталей для заданной цели.
2.26 протокол согласования результатов верификации (verification comments sheets): Документ, содержащий информацию о согласовании решений участвующих сторон по результатам верификации разработанной системы райзеров.
2.27 райзер (riser): Трубопровод или связка промысловых трубопроводов, которые соединяют морскую плавучую производственную установку или буровую установку с подводным устьевым или коллекторным оборудованием, а также с надводными морскими объектами и сооружениями для производственных целей добычи, перемещения или нагнетания агента в продуктивный пласт, либо для целей бурения, заканчивания и капитального ремонта скважин.
2.28 райзер для заканчивания и капитального ремонта скважин; райзер C/WO: (completion and workover riser): Временно установленный райзер, используемый для операций по заканчиванию или капитальному ремонту и включающий в себя любое оборудование между морской донной фонтанной арматурой или трубной головкой и системой натяжения плавучей установки.
2.29 райзер подачи или приема (export or import riser): Райзер подачи или приема предназначен для транспортировки добываемых жидкостей от или к плавучим установкам от или к другим объектам, таким как другие платформы, плавучие установки или трубопроводы.
2.30 райзер натяжной (tensioned riser): Райзер, который преимущественно остается в прямом состоянии и все части которого натянуты при приложении к нему усилия натяжения.
сертификация (certification): Форма осуществляемого органом по сертификации подтверждения соответствия объектов требованиям технических регламентов, документам по стандартизации или условиям договоров.
2.33 система натяжения райзера (riser tensioner system): Устройство, создающее натяжение трубы райзера с компенсацией относительного вертикального перемещения (хода) между плавучей установкой и райзером. Изменение степени натяжения определяется жесткостью системы.
2.34 система райзера (riser system): Система, состоящая из райзера, всех связанных компонентов райзера и системы защиты от коррозии.
2.35 технический отчет (technical report): Документ, содержащий общие сведения, теорию, методологию, исходные данные и результаты расчета или других проведенных работ.
усталость (fatigue): Процесс постепенного накопления повреждений материала под действием переменных напряжений, приводящий к изменению свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению.
2.37 частотный отклик волны (wave frequency response): Отклик на частотах воздействующих волн.