МОРСКАЯ ДОБЫЧА НЕФТИ
ПЛАВУЧИЕ МОРСКИЕ СООРУЖЕНИЯ
Самоподъёмная плавучая платформа
Самоподъёмной плавучей платформой называют платформу (буровую установку), состоящую из двух основных частей: верхнего строения 1 и опор 2 (a). Верхнее строение (палуба) с помощью специальных устройств может подниматься и опускаться по опорам 2, занимая необходимое для работы положение. Верхнее строение обладает необходимой плавучестью, чтобы можно было обеспечить буксировку всей платформы от места ее изготовления к месту работы. В процессе подготовки платформы для буксировки опоры поднимаются в верхнее положение; после закрепления опор осуществляется буксировка (б). Все сооружение при этом удерживается на плаву за счет плавучести верхней части, обладающей свойствами понтона.
Опоры обычно размещаются по углам верхнего строения. Таким образом освобождается большая часть площади верхнего строения для размещения технологического оборудования, а большое расстояние между опорами повышает устойчивость платформы на опрокидывание под воздействием горизонтальных сил (течения, волны, ветер).
Платформа со стабилизирующими колоннами
Главной особенностью плавучих платформ является необходимость обеспечения их положительной плавучести. Поэтому все плавучие платформы имеют в своей комплектации емкости, позволяющие удерживать их в необходимом положении и регулировать его. Регулировка заключается как в изменении общей плавучести платформы, так и их отдельных частей, что позволяет изменять глубину погружения платформы и осуществлять необходимый крен (отклонение от вертикали).
Одной из таких платформ является платформа со стабилизирующими колоннами. Так называют платформу, состоящую из трех основных частей:
Стабилизирующие колонны и корпуса предназначаются для регулировки плавучести платформы и ее остойчивости. Сами стабилизирующие колонны делаются пустотными, имеют различные отсеки (помещения), которые могут заполняться водой (балласт) и тем самым регулируют величину плавучести вплоть до положения, при котором верхнее строение поднимется над поверхностью воды. Стопы также делаются пустотными (с отсеками) и могут регулировать величину плавучести. Не менее важной функцией колонн и стоп является стабилизация положения платформы, подвергающейся воздействию ветра, волн и течений. Масса колонн и стоп удерживает платформу от быстрых отклонений от вертикали и от резкого подъема вверх и вниз. Волны, набегая на колонны, разбиваются, и вода обтекает колонны.
Рассмотрим схему платформы, полностью находящейся в плавающем состоянии. Удержание такой платформы в точно заданном положении довольно сложно. Поэтому, если позволяет глубина моря и длина стабилизирующих колонн, платформа может опираться на дно через корпуса стоп. В этом случае устойчивость положения платформы намного выше, чем для случая полностью плавающих стабилизирующих колонн и корпусов. Даже без каких-либо расчетов ясно, что размеры и колонн, и корпусов весьма значительны, так как им приходится удерживать на плаву десятки тысяч тонн верхних конструкций.
Платформа, закрепляемая в рабочем положении с помощью якорей
Платформа, закрепляемая в рабочем положении с помощью якорей представляет собой верхнее строение (понтон) со стабилизирующими колоннами и корпусами (понтонами) на концах колонн, удерживаемое в рабочем состоянии на плаву с помощью якорной системы.
Платформа состоит из 5 основных частей. Понтон (верхнее строение) 1 располагается на стабилизирующих колонах 2 с корпусами-понтонами 3. Все эти части платформы представляют конструкции с регулируемой плавучестью за счет заполнения водой или опорожнения от воды. Оттяжки 4 соединяют платформу с якорями 5 и удерживают ее от плановых перемещений. Якорное удержание представляет собой весьма сложную систему якорей и оттяжек. Рассчитывают число якорей, их размещение. В практике имеются примеры использования до 20 якорей, причем вес каждого якоря может составлять несколько десятков тонн. Конструкции якорей разрабатывают в зависимости от необходимой удерживающей силы одного якоря и всей системы в целом. Рассчитывается и прочность каждой оттяжки.
Пунктиром показана форма платформы с укороченными стабилизирующими колоннами. Это сделано для того, чтобы показать, что высота колонн зависит от величины создания необходимого запаса плавучести. Колонны могут быть длиннее, но меньшего диаметра (при круглой форме их поперечного сечения) и короче, но большей площади. Все эти вопросы решаются в каждом конкретном случае с учетом особенностей каждой платформы.
Основные размеры платформы: длина по низу понтонов 100 м, высота понтона 10 м; высота от дна понтонов до верха палубы 50 м.
На палубе 1, имеющей квадратную форму в плане, размещаются две буровые вышки б, вертолетная площадка 7, различное технологическое оборудование и помещения для обслуживающего персонала (для упрощения рисунка они не показаны). Вертикальные колонны 2 имеют высоту около 30 м, диаметр 12 м. Удерживается платформа в заданной точке системой якорных связей (цепей) 4 на якорях 5. Регулирование вертикального положения платформы осуществляется заполнением водой емкостей 2 и 3 (палуба опускается) или освобождением этих емкостей от воды (палуба поднимается). Регулировка наклона поверхности палубы производится за счет различного объема воды в колоннах и понтоне. Как в колоне, так и в понтоне 3 имеются отсеки, предотвращающие динамическое воздействие воды на стенки понтона и колонн при резких наклонах платформы.
Основное внимание при проектировании данной формы платформ должно уделяться расчету якорной системы: как самих якорных устройств, так и цепей (канатов) 4, регулирующих пространственную определенность платформы.
Платформы на натяжных связях
Плавучая платформа на натяжных связях, закрепленных на дне с помощью якорных устройств, представляет морское нефтегазовое сооружение, состоящее из трех основных частей:
Конструкция 7 по физической сущности представляет понтон, постоянно плавающий на воде, имеющий возможность изменять глубину погружения. Для того чтобы натянуть связи 2, понтон 7 притапливают на некоторую глубину, выбирают слабину связей с помощью натяжного устройства типа лебедок, а затем увеличивают плавучесть понтона, откачивая балластную воду из отсеков понтона. В результате связи оказываются натянутыми до расчетного значения и удерживают платформу в необходимом положении. Соответственно значению наибольшего усилия натяжения связей рассчитывается и удерживающая сила якорей 3.
Схему обычно применяют на малых глубинах и, что очень важно, на водоемах, где высота волны не достигает верхней части понтона 7, на которой размещается технологическое оборудование.
Для уменьшения воздействия волн и течений на понтон 7, его можно приподнять над поверхностью воды с помощью стабилизирующих колонн. Эти колонны 2 должны обладать плавучестью, достаточной для того, чтобы поднять все верхнее строение 1 над поверхностью воды.
Натяжные связи 3 крепятся к колоннам 2 и к якорной системе 4. Для того чтобы натянуть связи 2, понтон 7 притапливают на некоторую глубину, выбирают слабину связей с помощью натяжного устройства типа лебедок, а затем увеличивают плавучесть понтона, откачивая балластную воду из отсеков понтона. В результате связи оказываются натянутыми до расчетного значения и удерживают платформу в необходимом положении. Соответственно значению наибольшего усилия натяжения связей рассчитывается и удерживающая сила якорей 3.
Схема может применяться и на средних глубинах, а поскольку верхнее строение в рабочем положении поднято над поверхностью воды, то воздействие волн на него исключается. Зная максимальное значение высоты волн, можно определить и необходимую высоту размещения нижней части верхнего строения над поверхностью моря.
Описанная конструкция может применяться при освоении небольших месторождений, так как затраты на строительство самой платформы, связей и якорных систем (обычно это массивные бетонные блоки) существенно меньше, чем на более сложные стационарные и иные виды платформ.
Кроме того, платформу описанного типа можно построить без создания береговых баз, такой, например, как порт. Доставка платформ осуществляется буксировкой к уже установленным на дне якорным системам с прикрепленными к ним связями.
На плане платформы (вид сверху) видны места крепления четырех колонн 2, вертикальная площадка 8, а также обслуживающие платформу суда 9. Платформы описанной формы сооружались на глубинах до 300 м.
Рассмотрим форму платформы с наклонными натяжными тросами 2. Такое расположение натягиваемых тросов позволяет регулировать не только вертикальное положение понтона платформы 1, но и удерживать ее с помощью якорей 3 в необходимой точке в плане. Условия работы этой платформы упрощаются, так как обеспечивается необходимая стабильность пространственного положения платформы или, иначе говоря, обеспечивается ее статическая определенность.
Как добывают нефть в море: как создаётся и работает морская нефтяная платформа
Морская добыча нефти, наряду с освоением сланцевых и трудноизвлекаемых углеводородных запасов, со временем вытеснит освоение традиционных месторождений «чёрного золота» на суше в силу истощения последних. В то же время, получение сырья на морских участках осуществляется преимущественно с применением дорогих и трудоёмких методов, при этом задействуются сложнейшие технические комплексы — нефтяные платформы
Специфика добычи нефти в море
Сокращение запасов традиционных нефтяных месторождений на суше заставило ведущие компании отрасли бросить свои силы на разработку богатых морских блоков. Пронедра писали ранее, что толчок к развитию данного сегмента добычи был дан в семидесятые годы, после того, как страны OPEC ввели нефтяное эмбарго.
По согласованным оценкам специалистов, предполагаемые геологические нефтяные запасы, располагающиеся в осадочных слоях морей и океанов, достигают 70% от совокупных мировых объёмов и могут составить сотни миллиардов тонн. Из этого объёма порядка 60% приходятся на шельфовые участки.
К настоящему времени из четырёх сотен нефтегазоносных бассейнов мира половина охватывает не только континенты на суше, но и простирается на шельфе. Сейчас разрабатываются порядка 350 месторождений в разных зонах Мирового океана. Все они размещаются в пределах шельфовых районов, а добыча производится, как правило, на глубине до 200 метров.
На актуальном этапе развития технологий добыча нефти на морских участках сопряжена с большими затратами и техническими сложностями, а также с рядом внешних неблагоприятных факторов. Препятствиями для эффективной работы на море зачастую служат высокий показатель сейсмичности, айсберги, ледовые поля, цунами, ураганы и смерчи, мерзлота, сильные течения и большие глубины.
Бурному развитию нефтедобычи на море также препятствует дороговизна оборудования и работ по обустройству месторождений. Размер эксплуатационных расходов увеличивается по мере наращивания глубины добычи, твёрдости и толщины породы, а также удалённости промысла от побережья и усложнения рельефа дна между зоной извлечения и берегом, где прокладываются трубопроводы. Серьёзные затраты связаны и с выполнением мероприятий по предотвращению утечек нефти.
Отгрузка добытой нефти на танкер
Типы и устройство нефтяных платформ
При добыче нефти из месторождений Мирового океана компании-операторы, как правило, используют специальные морские платформы. Последние представляют собой инженерные комплексы, с помощью которых осуществляется как бурение, так и непосредственно извлечение углеводородного сырья из-под морского дна. Первая нефтяная платформа, которая использовалась в прибрежных водах, была запущена в американском штате Луизиана в 1938 году. Первая же в мире непосредственно морская платформа под названием «Нефтяные Камни» была введена в эксплуатацию в 1949 году на азербайджанском Каспии.
Основные виды платформ:
Плавучая буровая установка с выдвижными опорами «Арктическая»
Разные типы платформ могут встречаться как в чистом, так и в комбинированном видах. Выбор того или иного типа платформы связан с конкретными задачами и условиями освоения месторождений. Использование разных видов платформ в процессе применения основных технологий морской добычи мы рассмотрим ниже.
Конструктивно нефтяная платформа состоит из четырёх элементов — корпуса, системы якорей, палубы и буровой вышки. Корпус — это понтон треугольной или четырёхугольной формы, установленный на шести колоннах. Сооружение удерживается на плаву за счёт того, что понтон наполняется воздухом. На палубе размещаются бурильные трубы, подъёмные краны и вертолётная площадка. Непосредственно вышка опускает бур к морскому дну и поднимает его по мере необходимости.
1 — буровая вышка; 2 — вертолётная площадка; 3 — якорная система; 4 — корпус; 5 — палуба
Комплекс удерживается на месте якорной системой, включающей девять лебёдок по бортам платформы и стальные тросы. Вес каждого якоря достигает 13 тонн. Современные платформы стабилизируются в заданной точке не только при помощи якорей и свай, но и передовых технологий, включая системы позиционирования. Платформа может быть заякоренной в одном и том же месте несколько лет, вне зависимости от погодных условий в море.
Бур, работа которого контролируется при помощи подводных роботов, собирается по секциям. Длина одной секции, состоящей из стальных труб, составляет 28 метров. Выпускаются буры с достаточно широкими возможностями. К примеру, бур платформы EVA-4000 может включает до трёх сотен секций, что даёт возможность углубиться на 9,5 километра.
Буровая нефтяной платформы
Строительство буровых платформ осуществляется путём доставки в зону добычи и затопления основания конструкции. Уже на полученном «фундаменте» и надстраиваются остальные компоненты. Первые нефтяные платформы создавались путём сварки из профилей и труб решетчатых башен в форме усечённой пирамиды, которые намертво прибивались к морскому дну сваями. На такие конструкции и устанавливалось буровое оборудование.
Строительство нефтяной платформы «Тролль»
Необходимость разработки месторождений в северных широтах, где требуется ледостойкость платформ, привела к тому, что инженеры пришли к проекту строительства кессонных оснований, которые фактические представляли собой искусственные острова. Кессон заполняется балластом, обычно — песком. Своим весом основание прижимается к дну моря.
Стационарная платформа «Приразломная» с кессонным основанием
Постепенное увеличение размеров платформ привело к необходимости пересмотра их конструкции, потому разработчики из Kerr-McGee (США) создали проект плавучего объекта с формой навигационной вехи. Конструкция представляет собой цилиндр, в нижней части которого размещается балласт. Днище цилиндра прикрепляется к донным анкерам. Такое решение позволило строить относительно надёжные платформы поистине циклопических размеров, предназначенные для работ на сверхбольших глубинах.
Плавучая полупогружная буровая установка «Полярная звезда»
Впрочем, следует отметить, что большого отличия непосредственно в процедурах извлечения и отгрузки нефти между морскими и сухопутными буровыми нет. К примеру, основные компоненты платформы стационарного типа на море идентичны элементам буровой вышки на суше.
Морские буровые характеризуются в первую очередь автономностью работы. Для достижения такого качества установки оснащаются мощными электрогенераторами и опреснителями воды. Пополнение запасов платформ осуществляется при помощи судов обслуживания. Кроме того, морской транспорт задействуется и с целью перемещения конструкций к точкам работы, в спасательных и противопожарных мероприятиях. Естественно, транспортировка полученного сырья производится при помощи трубопроводов, танкеров или плавающих хранилищ.
Технология морской добычи
На современном этапе развития отрасли при небольших расстояниях от места добычи до побережья бурятся наклонные скважины. При этом иногда применяется передовая разработка — управление дистанционного типа процессами бурения горизонтальной скважины, что обеспечивает высокую точность контроля и позволяет отдавать команды буровому оборудованию на расстоянии в несколько километров.
Глубины на морской границе шельфа как правило составляют порядка двухсот метров, однако иногда доходят до полукилометра. В зависимости от глубин и удалённости от побережья при бурении и извлечении нефти применяются разные технологии. На мелководных участках сооружаются укреплённые основания, своеобразные искусственные острова. Они и служат основой для установки бурильного оборудования. В ряде случае компании-операторы окантовывают дамбами участок работы, после чего из полученного котлована откачивается вода.
Если расстояние до берега составляет сотни километров, то в этом случае принимается решение о строительстве нефтяной платформы. Стационарные платформы, наиболее простые в конструкции, возможно использовать только на глубинах в несколько десятков метров, мелководье вполне позволяет закрепить конструкцию с помощью бетонных блоков или свай.
Стационарная платформа ЛСП-1
При глубинах порядка 80 метров применяются плавучие платформы с опорами. Компании на более глубоких участках (до 200 метров), где закрепление платформы проблематично, применяют полупогружные буровые установки. Удержание таких комплексов на месте осуществляется при помощи системы позиционирования, состоящей из подводных двигательных систем и якорей. Если речь идёт о сверхбольших глубинах, то в этом случае задействуются буровые суда.
Буровое судно Maersk Valiant
Скважины обустраиваются как одиночным, так и кустовым методами. В последнее время начали использоваться передвижные основания для бурения. Непосредственно бурение в море производится с использованием райзеров — колонн из труб большого диаметра, которые опускаются до дна. После завершения бурения на дне устанавливаются многотонный превентор (противовыбросная система) и устьевая арматура, что позволяет избежать утечки нефти из новой скважины. Также запускается оборудование для контроля состояния скважины. Закачивание нефти на поверхность после начала добычи осуществляется по гибким трубопроводам.
Применение разных систем добычи в море: 1 — наклонные скважины; 2 — стационарные платформы; 3 — плавучие платформы с опорами; 4 — полупогружные платформы; 5 — буровые суда
Сложность и высокотехнологичность процессов освоения морских участков очевидна, даже если не вдаваться в технические детали. Целесообразно ли развитие данного сегмента добычи, учитывая немалые сопутствующие сложности? Ответ однозначен — да. Несмотря на препятствия в освоении морских блоков и большие расходы в сравнении с работой на суше, всё же нефть, добытая в водах Мирового океана, востребована в условиях непрекращающегося превышения спроса над предложением.
Напомним, Россия и азиатские страны планируют активно наращивать мощности, задействованные в морской добыче. Такую позицию можно смело считать практичной — по мере истощения запасов «чёрного золота» на суше, работа на море станет одним из основных способов получения нефтяного сырья. Даже принимая во внимание технологические проблемы, затратность и трудоёмкость добычи на море, нефть, извлечённая таким образом, не только стала конкурентоспособной, но уже давно и прочно заняла свою нишу на отраслевом рынке.
Дома под водой: как устроены гидрополисы прошлого, настоящего и будущего
Современные гидрополисы — это здания на дне океана. В них могут размещаться жилые дома, отели, рестораны или лаборатории.
Идея создания подводных домов пришла ученым после того, как они увидели проблему перенаселения планеты, ведь число жителей ежегодно увеличивается на 80 млн человек. Возможно, скоро людям не хватит места на материках и придется осваивать новые пространства для жизни.
Когда наступит перенаселение планеты
О первых подводных поселках писали советские фантасты Александр Беляев («Подводные земледельцы», 1930) и Григорий Адамов («Изгнание владыки», 1946). В британском фильме «Капитан Немо и подводный город» (1969) действие разворачивается в городе Темплемир, расположенном на дне океана. Гидрополисы встречаются в американском фильме «Путешествие на дно моря» и японском мультфильме Миядзаки о рыбке Поньо. О жителях подводной научно-исследовательской станции ОРКА рассказывается в австралийском сериале «Девочка и океан».
Современные ученые считают, что критический уровень перенаселения Земли наступит совсем скоро — в середине XXI века. Для решения проблемы они предложили создать гидрополисы, которые будут представлять собой гигантские подводные небоскребы. Исследователи считают, что жить в них гораздо комфортней, чем на земле: под водой нет атмосферных явлений, землетрясений, перепадов давления и температур. Предполагается, что подводные города станут получать энергию с помощью приливных электростанций и генераторов, работающих на перепаде температур.
Испытания первых гидрополисов во Франции и СССР
Первые эксперименты по созданию станций для полноценной жизни под водой прошли в 1960-е годы.
«Преконтинент». Первый гидрополис построил Жак-Ив Кусто. В сентябре 1962 года у берегов Марселя он опустил свою первую установку на глубину 10 м. За основу Кусто взял разработки ВМС США. «Преконтинент-1» изготовили из железной цистерны, а за сходство с бочкой прозвали «Диогеном». Первые жители провели в нем неделю.
Через год Кусто приступил созданию следующего проекта. «Преконтинент-2» спустили на воду в Красном море недалеко от Порт-Судана. Проект состоял из нескольких сооружений: дом в форме звезды опустили на 11 м, двухместный дом «Ракету» — на 27 м, для хозяйственных нужд рядом разместили подводный гараж и склад. Технически усовершенствованный «Преконтинент-3» опустился на 100 м. Несмотря на успех, работа Кусто не получила финансирования и проект был заморожен. «Преконтинент» показан в фильме «Мир без солнца», а его остатки сегодня используют в качестве декораций для дайвинга.
Sealab. Первый американский гидрополис Sealab I («Морская лаборатория») появился в 1964 году. Проект разработал Джордж Бонд по заказу ВМС США. Подводный дом для четырех акванавтов был опущен на глубину 59 м в районе Бермудских островов.
28 августа 1965 года Sealab II был погружен на 61 м близ побережья Ла-Хойя, Калифорния. Гидрополис был рассчитан на десять человек и, в отличие от своего предшественника, оснащен горячим душем и системой охлаждения. Спустя четыре года, 15 февраля 1969 года, появился Sealab III, он погрузился в три раза глубже, а на его борту разместились пять команд по девять акванавтов. После успешных испытаний проект был остановлен, а Sealab I выставлен в Музее человека и моря во Флориде.
«Ихтиандр» и «Садко». Первую советскую подводную установку для жизни под водой «Ихтиандр» в 1966 году создали водолазы из Донецка. Гидрополис по форме напоминал перевернутый стакан, воздух в него нагнетал авиационный компрессор, а энергию получали от старой электростанции. В августе 1966 года на крымском побережье «Ихтиандра» опустили на 11 м. Пожить в подводном доме мечтали более сотни человек. Но гидрополис площадью 6 кв. м вмещал лишь двоих, поэтому спускаться в дом, оборудованный электричеством, телефоном и санузлом, было решено посменно. Провизию доставляли водолазы через специальный шлюз. Эксперимент длился три дня. Через год его повторили и построили гидрополис в форме звезды площадью 28 кв. м. В нем было четыре комнаты, где исследователи провели 14 дней. Однако проект не получил господдержки и в 1969 году его закрыли.
В том же 1966 году правительство СССР решило провести аналогичный эксперимент. Акустический институт в Сухуми разработал первую подводную лабораторию «Садко». Гидрополис в виде сферы диаметром 3 м разместили на глубине 12 м при помощи специальной подставки. «Садко» был оборудован вентиляцией, устройством для выравнивания давления и телефоном. За время эксперимента гидрополис посетили восемь экипажей по два человека. Через несколько лет ученые создали «Садко-2». Он был более просторным, с санузлом и кладовой. В 1969 году появился «Садко-3», к которому исследователи погружались в специальном аппарате. Эти проекты доказали, что советские ученые были готовы к созданию подводных домов. Однако проекты оказались дорогими, не имели практического применения, поэтому работы остановили.
Как выглядят современные гидрополисы
Попытки поселиться на дне океана инженеры не оставили и по сей день, воплощая в жизнь яркие идеи фантастов и футурологов.
Under — подводный ресторан в Норвегии, который открылся в марте 2019 года у побережья города Линдеснес. Первое в Европе подводное заведение спроектировало бюро Snøhetta. Здание длиной 34 м и площадью 495 кв. м частично погрузили на глубину 5 м. Ресторан рассчитан на 40 человек, которые во время ужина могут наблюдать за жизнью морских обитателей через панорамное смотровое окно. Как отмечают разработчики, со временем оболочка подводной части интегрируется в морскую среду и превратится в искусственный риф. Таким образом они планировали подчеркнуть экологический баланс между сушей и морем. Здание работает и как центр по изучению морской среды: исследователи могут наблюдать за поведением рыб при помощи измерительных приборов, установленных на фасаде ресторана.
В ближайшем будущем на дне океана могут появиться масштабные проекты жилых комплексов и городов — с небоскребами, бульварами и магазинами.
Sub-Biosphere. Еще один проект гидрополиса разработал британский архитектор Фил Поли, он предложил построить на дне океана автономный город Sub-Biosphere. По задумке автора, проект будет состоять из восьми «биокуполов» диаметром 340 м: центральной биосферы, модуля для наблюдений и жилых блоков, в каждом из которых смогут жить 100 человек.
Подводный небоскреб The Gyre. В 2010 году компания Zigloo разработала проект плавучего подводного небоскреба The Gyre. Он представляет собой перевернутую конструкцию площадью 212 тыс. кв. м, достигающую глубины 400 м. Его четыре крыла настолько большие, что смогут принимать самые крупные из существующих кораблей.
