СУДНО, ПРЕДНАЗНАЧЕННОЕ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ОПЕРАЦИЙ В ПОДВОДНОЙ ДЕЙСТВУЮЩЕЙ СКВАЖИНЕ, И СПОСОБ МОРСКОГО БУРЕНИЯ ПРИ ПОНИЖЕННОМ ГИДРОСТАТИЧЕСКОМ ДАВЛЕНИИ Российский патент 2005 года по МПК E21B7/128 E21B15/02 B63B35/44 

Настоящее изобретение относится к судну, предназначенному для проведения операций в подводной действующей скважине.

Скважины для добычи углеводородов создают путем использования бурового снаряда вращательного бурения. Буровой снаряд вращательного бурения приводится в действие с поверхности, при этом в случае морской (подводной) скважины, как правило, с буровой установки, смонтированной на платформе, расположенной над скважиной. Платформа может быть установлена на морском дне или может представлять собой полупогружной агрегат, местоположение которого может поддерживаться почти во всех наиболее экстремальных условиях. После завершения бурения скважину закрепляют трубами для обеспечения возможности прохода жидких углеводородов через насосно-компрессорные трубы из любого местонахождения углеводородов, в которое проходят трубы. В некоторых пластах углеводородные текучие среды и вода занимают один и тот же коллектор, при этом углеводородные текучие среды образуют слой на поверхности воды. Если насосно-компрессорная колонна скважины проникает в пласт, исходно занятый углеводородными текучими средами, то по мере прохода текучей среды в насосно-компрессорную колонну скважины может иметь место явление, известное как “образование водяного конуса”, то есть поверхность раздела между жидкими углеводородами и водой наклоняется вверх в сторону скважины. Это происходит в результате градиентов давления, создаваемых внутри продуктивного пласта, вследствие наличия потока текучих сред через пласт в насосно-компрессорную колонну скважины. Если вершина конусообразной поверхности раздела достигнет насосно-компрессорной колонны скважины, большие объемы воды будут поступать в насосно-компрессорную колонну скважины, вызывая снижение производительности добычи жидких углеводородов [дебита скважины] и увеличение затрат на отделение добываемых углеводородных текучих сред от воды.

Известно, что в скважинах, в которых образование водяного конуса является проблемой, осуществляют дополнительные операции бурения для предотвращения или сведения к минимуму образования водяного конуса. Например, буровой снаряд для забоя ствола скважины может быть использован для бурения поперечных каналов, проходящих в пласт, несущий жидкие углеводороды. Это может быть достигнуто путем использования обычных способов бурения, но такие способы требуют простоя скважины и часто требуют удаления колонны, закрепляющей скважину. Это связано с существенными затратами и риском. Кроме того, пласт, содержащий жидкие углеводороды, может быть поврежден буровыми растворами, требуемыми для дополнительных операций бурения.

Для предотвращения потерь или повреждений скважины, вызванных бурением, был разработан усовершенствованный способ бурения, обеспечивающий выполнение технически трудного бурения без существенного риска повреждения пласта. Этот способ называют бурением при пониженном гидростатическом давлении в стволе скважины. При таком бурении скважина постоянно остается действующей (с положительным давлением на поверхности). Этого можно добиться путем использования легкого бурового раствора или на основе регулирования газлифта путем использования специально сконструированного и изготовленного противовыбросового превентора. Чистый буровой раствор закачивают вниз в скважину и смешивают с текучими средами пласта, при этом обеспечивается возможность потока этих сред, проходящего вверх в скважине и переносящего буровой шлам на поверхность. После этого пять фаз (газ, нефть, пластовую воду, буровой раствор и твердые частицы, образующиеся при бурении) разделяют. На суше этот процесс является простым, поскольку имеется достаточно места. Однако оборудование является крупногабаритным, и его считали неподходящим для морских операций.

Бурениe при пониженном гидростатическом давлении в стволе скважины может выполняться путем использования обычного вращательного бурения или бурения с применением намотанных труб. В секторе Северного моря, принадлежащем Великобритании, четыре скважины были пробурены с использованием вращательного бурения при пониженном гидростатическом давлении в стволе скважины, но это было возможно только благодаря использованию сравнительно больших неподвижных (опирающихся на морское дно) платформ. На суше использовалось бурение с применением намотанных труб. В этих известных случаях применения длинную бесшовную трубу, которая хранится на барабане, вталкивают в скважину с помощью инжектора против направления действия давления в действующей скважине. Турбобур устанавливают на нижнем конце трубы, и гидравлическое давление подают к турбобуру по трубе. Это приводит в действие турбобур и обеспечивает возможность выполнения бурения. Малый диаметр трубы (как правило, от 1 до 2 7/8") позволяет пропускать трубу через существующие трубы, служащие для закрепления скважины (обычно это называется заканчиванием), так что отсутствует необходимость в значительных затратах и рисках, связанных с удалением таких труб, служащих для закрепления скважины.

Имеются легкие суда, предназначенные для проведения операций в скважине, которые обеспечивают возможность выполнения таких операций, как обслуживание скважин, например, выполнения геофизических исследований в скважинах (каротажа) и общего технического обслуживания и ремонтных работ. Однако такие суда нельзя рассматривать как подходящие платформы для проведения операций в скважинах, требующих бурения, поскольку они не являются достаточно устойчивыми для таких операций и, кроме того, не позволяют выполнять бурение при пониженном гидростатическом давлении в стволе скважины, так как они слишком малы для манипулирования и транспортировки тех объемов материала, которые имеют место при таком бурении. Кроме того, легкие суда, предназначенные для проведения операций в скважинах, требуют больших капитальных вложений по сравнению с их возможной отдачей, в частности потому, что они сильно уязвимы при плохих погодных условиях, так что затраты на проведение операций в скважинах являются относительно большими, а время использования сравнительно малым. Естественно, можно использовать полупогружные буровые платформы, предназначенные для проведения операций в скважинах, но полупогружные буровые платформы пока еще нельзя использовать для бурения при пониженном гидростатическом давлении в стволе скважины. Даже такой подход потребовал бы наличия поддерживающих судов для приема добытых жидкостей и твердых веществ. Соответственно, не было предпринято никаких попыток использовать бурение при пониженном гидростатическом давлении в стволе скважины, осуществляемое с применением намотанных труб с плавучих средств.

Целью настоящего изобретения является разработка судна, предназначенного для проведения операций в подводной скважине, обеспечивающего повторный вход в существующие эксплутационные скважины так, чтобы обеспечить возможность проведения операций в скважине без вывода скважины из ее эксплутационного состояния и без загрязнения подводного оборудования для добычи потоками, возникающими при проведении операций в скважине, например, твердыми частицами, образующимися при бурении.

В соответствии с настоящим, изобретением разработано судно, предназначенное для проведения операций в подводной скважине, содержащее выполненный с возможностью динамического позиционирования танкер и оборудование, предназначенное для непосредственного проведения операций в подводной скважине, установленное на палубе танкера и содержащее оборудование для невращательного бурения при пониженном гидростатическом давлении в стволе скважины и оборудование для отделения жидких углеводородов, соединенное с резервуарами-хранилищами танкера, так что отделенные жидкие углеводороды могут храниться на танкере.

В соответствии с изобретением также разработан способ морского бурения при пониженном гидростатическом давлении в стволе скважины, при котором танкер, имеющий оборудование, предназначенное для непосредственного проведения операций в подводной скважине и установленное на его палубе, динамически позиционируют над водоотделяющей колонной, проходящей от подводной скважины, оборудование, предназначенное для проведения операций в скважине, соединяют с водоотделяющей колонной и выполняют невращательное бурение при пониженном гидростатическом давлении в стволе скважины, образующуюся в результате многофазную смесь разделяют на танкере, и отделенные жидкие углеводороды хранят в резервуарах-хранилищах танкера.

Термин “невращательное бурение” используется здесь для обозначения любого бурения, при котором отсутствует вращение бурильной колонны, включая бурение при пониженном гидростатическом давлении в стволе скважины, при котором используется вращающаяся бурильная головка, приводимая в действие с помощью невращающейся бурильной колонны, но невращательное бурение не ограничивается бурением только такого типа.

Оборудование, предназначенное для проведения операций в скважине, может быть смонтировано на надстройке над главной палубой обычного танкера снабжения. Оборудование для невращательного бурения при пониженном гидростатическом давлении в стволе скважины может быть выполнено с применением намотанных труб и может быть установлено рядом с передвижной платформой, приспособленной смещаться в забортное положение над водоотделяющей колонной скважины, к которой должно быть присоединено указанное оборудование. Таким образом, проведение операций в скважине может быть осуществлено посредством динамического позиционирования танкера снабжения рядом с водоотделяющей колонной скважины, перемещения передвижной платформы в забортное положение, присоединения оборудования для бурения с применением намотанных труб к водоотделяющей колонне и выполнения необходимого проведения операций в скважине, к которой присоединена водоотделяющая колонна, при этом текучие среды и твердые частицы, полученные в процессе бурения с применением намотанных труб, разделяются с помощью оборудования, установленного на надстройке, и осуществляется перемещение жидких углеводородов из оборудования для отделения в предназначенный для хранения трюм танкера снабжения.

В качестве альтернативы выполнению передвижной платформы, способной смещаться в заборное [навесное] положение, оборудование для невращательного бурения при пониженном гидростатическом давлении в стволе скважины может быть выполнено с применением намотанных труб и установлено рядом с буровой шахтой, расположенной над водоотделяющей колонной скважины, к которой должно быть присоединено указанное оборудование.

Далее с помощью примера будут описаны варианты осуществления настоящего изобретения со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых изображено следующее:

Фиг.1 изображает схематичный вид, иллюстрирующий образование водяного конуса;

Фиг.2 - вид, показывающий результаты бурения с применением накатанных труб в конструкции, показанной на фиг.1 для увеличения интенсивности добычи жидких углеводородов;

Фиг.3 - вид сбоку известного танкера снабжения, который применяется в Северном море и на котором установлено оборудование, предназначенное для непосредственного проведения операций в скважине, в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.4 - схему расположения оборудования, предназначенного для непосредственного проведения операций в скважине, показанного на виде сбоку на фиг.3;

Фиг.5 - схематичный вид танкера, в котором образованы буровые шахты, посредством которых может выполняться бурение с применением намотанных труб.

На фиг.1 показан ряд пластов, содержащих несущий углеводороды пласт 1, который расположен над водоносным пластом 2. Скважина 3 пробурена через пласты 1, 2. Давление в пласте, несущем жидкие углеводороды, и в водоносном пласте такое, что создается поток, проходящий в скважину 3. В результате этого потока вокруг скважины 3 образуется “водяной конус” 4, и в результате коническая поверхность 5 раздела создается между жидкими углеводородами и водой. Если скважина 3 закреплена стальными трубами до верхней части пласта 1 и водяной конус дойдет до зоны рядом с закрепленной частью скважины, будут получены большие объемы воды. Очевидно, что это очень невыгодно, и поэтому известно, что осуществляют проведение операций в скважине, в которой возникают проблемы из-за образования водяного конуса. На фиг.2 показаны результаты такого размещения.

На фиг.2 показано ответвление 6 скважины в процессе бурения его в пласте 1. Бурение такого ответвления 6 может обеспечить существенное улучшение соотношения добываемых жидкостей в пользу жидких углеводородов. Хорошо известно использование бурения с применением намотанных труб для создания ответвления, такого как ответвление 6 на фиг.2.

Однако при использовании подобного способа необходимо поддерживать условия пониженного гидростатического давления в стволе скважины (то есть поддерживать положительное давление в верхней части скважины 3) для предотвращения повреждения скважины твердыми частицами, образующимися при бурении. Такие способы никогда не использовались при морском бурении, поскольку с таким объемом образующегося материала могли справляться только большие установки.

На фиг.3 показан танкер снабжения, в котором реализовано настоящее изобретение. Фиг.3 базируется на чертеже, взятом из работы “First Olsen Tankers”, и показывает танкер снабжения такого типа, который широко используется в Северном море. Единственным изменением, выполненным по отношению к стандартному танкеру снабжения, является установка надстройки 7 над главной палубой танкера, например, на высоте приблизительно 3 м для освобождения [от препятствий] установленных палубных клюзов и вентиляционных каналов. На этой надстройке смонтировано все оборудование, необходимое для непосредственного проведения операций в скважине, включая кран 8. Подробная схема расположения оборудования, установленного на надстройке 7 по фиг.3, показана на фиг.4.

Как показано на фиг.4, передвижная платформа 9 установлена центрально на надстройке 7 рядом с портальным краном 10. Оборудование 11 для бурения с применением намотанных труб обычного вида установлено рядом с портальным краном 10. Блок 12 сепараторов и вспомогательное оборудование 13 для обеспечения бурения также установлено на надстройке 7. Все остальное оборудование, предназначенное для непосредственного проведения операций в скважине, также установлено на надстройке 7. Блок 12 сепараторов соединен с расположенным соответствующим образом блоком факельных установок, например, на корме судна (не показано) и с резервуарами-хранилищами (накопительными танками) танкера для обеспечения возможности накопления и хранения добываемых углеводородных текучих сред для последующей транспортировки.

При использовании танкер динамически позиционируют рядом с водоотделяющей колонной подводной скважины. После этого передвижную платформу 9 перемещают в забортное положение (не показано) над водоотделяющей колонной для обеспечения возможности подсоединения оборудования 11 для бурения к водоотделяющей колонне. Затем соответствующие вмешательства могут быть осуществлены через водоотделяющую колонну, и, в частности, бурение с применением намотанных труб может быть выполнено так, что будет получена многофазная смесь, которую впоследствии разделяют на ее отдельные фазы в блоке 12 сепараторов.

Система, описанная со ссылкой на фиг.3 и 4, представляет собой большое достижение в морском бурении, испытании, удалении отходов и техническом обслуживании скважин. Грузовые трюмы танкеров могут быть использованы для накапливания добываемой нефти в процессе бурения при пониженном гидростатическом давлении в стволе скважины. Система может обеспечить непосредственный доступ к испытаниям подводных скважин в течение продолжительных периодов времени. Система может быть использована для испытаний, связанных с продолжительным нагнетанием воды, и также обеспечивает возможность удаления отходов в подводную скважину. Существующие системы, напротив, не обеспечивают возможности выполнения бурения с применением намотанных труб и накапливания добываемой нефти и требуют использования отдельного танкера снабжения, если в процессе бурения добывается нефть.

Кроме того, сохраняются исходные элементы танкера снабжения, и поэтому судно может по-прежнему использоваться для чартерных перевозок, когда оно не применяется для осуществления непосредственного проведения операций в скважине. В результате в соответствии с изобретением предлагается решение проблемы обеспечения непосредственного проведения операций в скважине при осуществлении бурения с применением намотанных труб без существенных затрат, связанных со строительством и эксплуатацией специальных судов.

Типовой танкер снабжения, пригодный для работы в условиях Северного моря, с динамическим позиционированием может быть легко зафрахтован и оснащен новой палубой над установленными палубными клюзами и вентиляционными каналами. На этой палубе может быть установлено следующее соответствующее оборудование:

устройство для манипулирования подъемником мачтового крана, установленного на передвижной платформе, с подводной панелью управления;

тумбы для оборудования, предназначенного для проведения операций в подводной скважине;

стеллаж для труб;

барабаны для намотанных труб, управляющее устройство и источник питания;

устройство для цементирования и смеситель;

испытательное оборудование и контрольно-измерительная аппаратура, используемые при эксплуатации, включая штуцерный манифольд, подогреватель-эмульгатор, сепараторы, колонный компенсатор давления, предназначенный для дегазации, и свеча для сжигания газа;

резервуары для бурового раствора для глушения скважины;

замкнутая система циркуляции, предназначенная для транспортировки бурового раствора и образующихся при бурении твердых частиц во время бурения при пониженном гидростатическом давлении в стволе скважины;

резервуары-хранилища для химикатов и твердых отходов;

крановое оборудование для подводного оборудования и вспомогательные материалы;

транспортные средства с дистанционным управлением для работы и наблюдения;

запасы воды для охлаждения и пожаротушения.

Возможно, существует порядка 2000 подводных оснащенных скважин, эксплуатируемых в настоящее время. При использовании настоящего изобретения может быть обеспечен доступ в такие оснащенные скважины за сумму порядка 100000 долларов США в день в отличие от назначаемых в настоящее время сумм порядка от 200000 до 300000 долларов США в день. Таким образом, изобретение позволяет существенным образом повлиять на технические возможности индустрии морского бурения с учетом финансовых ограничений, с которыми сталкивается данная индустрия.

Технические решения в области бурения с применением намотанных труб включают использование оправдывающего затраты оборудования низа бурильной колонны, применяемого для типовых систем промывки буровым раствором, и оборудования низа бурильной колонны на вспомогательном канате, которое в полной мере использует преимущества бурения через трубы, включая применение пеногенераторов и пневматических систем. Настоящее изобретение обеспечивает возможность использования способов наземного бурения при пониженном гидростатическом давлении в стволе скважины для морского бурения, и при этом не требуется длительная доработка оборудования. Данное изобретение также обеспечивает возможность добычи значительных объемов углеводородов без необходимости использования дополнительных судов для накопления и хранения углеводородов, в результате чего уменьшается потребность в денежных средствах, и при этом одновременно избегают повреждений скважины в результате выполнения операций бурения. Параметры движения относительно большого танкера снабжения больше подходят для выполняемых с особой точностью операций бурения при пониженном гидростатическом давлении в стволе скважины, чем существующие относительно меньшие и обладающие большей плавучестью альтернативные суда. Это позволяет продлить время, в течение которого погодные условия позволяют работать, и уменьшить усталостные нагрузки, действующие на намотанные трубы, когда их подают из танкера в водоотделяющую колонну подводной скважины. Изобретение также обеспечивает возможность надлежащей очистки скважин после проведения операций, в результате чего избегают загрязнения иногда чувствительной системы, используемой для добычи. Создается возможность справляться с отходами, возникающими при бурении, оптимальным образом, и это может быть осуществлено относительно безопасно при условии наличия большого палубного пространства. Все эти преимущества недостижимы, если использовать обычную полупогружную платформу, или обычное специально сконструированное и изготовленное судно, предназначенное для проведения операций в скважине.

В варианте осуществления изобретения, описанном со ссылкой на фиг.3, 4, элементы, необходимые для реализации изобретения, установлены на передвижной платформе, которая может быть смещена в забортное положение. В альтернативной конструкции, проиллюстрированной на фиг.5, такие элементы установлены рядом с буровыми шахтами, проходящими через конструкцию обычного в других отношениях танкера.

Как показано на фиг.5, две буровые шахты 13, 14 проходят вертикально через конструкцию модифицированного танкера снабжения. Три крана 15, 16, 17 могут проходить над буровыми шахтами и зонами, обозначающими клапанные коробки 18 грузовой системы танкера, модуль 19 мачтового крана и зону 20 монтажа. В зоне 21 размещены устройства для сжатия и обработки газа, в зоне 22 - грузовая стрела факельной установки, в зоне 23 - передвижная платформа для барабанного сепаратора [газоотделителя] факельной установки, и зона 24 представляет собой дополнительную зону монтажа, обслуживаемую краном 25.

Если использовать типовой двухкорпусной танкер снабжения, то модификации, необходимые для получения судна, схематично проиллюстрированного на фиг.5, которое может функционировать в соответствии с настоящим изобретением, будут включать в себя повышение способности к динамическому позиционированию, установку первой буровой шахты (8 м²) для выполнения операций в скважине, установку второй буровой шахты (4 м²), предназначенной для работы транспортных средств с дистанционным управлением, монтаж кранов, технологического оборудования и создание зон монтажа установленного на палубе оборудования и монтаж факельных установок и соответствующих средств обеспечения.

Изобретения относятся к оборудованию для бурения скважин и добычи углеводородов и могут быть использованы при операциях с подводными действующими скважинами. Танкер, имеющий установленное на его палубе оборудование, предназначенное для непосредственного проведения операций в подводной скважине, динамически позиционируют над водоотделяющей колонной, проходящей от подводной скважины. Указанное оборудование соединяют с водоотделяющей колонной и выполняют невращательное бурение при пониженном гидростатическом давлении в стволе скважины. Образующуюся в результате многофазную смесь разделяют на танкере и отделенные жидкие углеводороды хранят в резервуарах-хранилищах танкера. Оборудование для непосредственного проведения операций в подводной скважине может быть смонтировано на надстройке над главной палубой танкера снабжения. Оборудование для невращательного бурения при пониженном гидростатическом давлении в стволе скважины может быть выполнено с применением намотанных труб и может быть установлено рядом с буровой шахтой, расположенной над водоотделяющей колонной скважины, к которой должно быть присоединено указанное оборудование или рядом с передвижной платформой, приспособленной смещаться в забортное положение над водоотделяющей колонной скважины. Изобретения позволяют проводить буровые операции и операции по обслуживанию скважины, не выводя ее из эксплуатационного состояния. 2 н. и 3 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Судно, предназначенное для проведения операций в подводной действующей скважине, содержащее выполненный с возможностью динамического позиционирования танкер и оборудование, предназначенное для непосредственного проведения операций в подводной скважине, установленное на палубе танкера и содержащее оборудование для невращательного бурения при пониженном гидростатическом давлении в стволе скважины и оборудование для отделения жидких углеводородов, соединенное с резервуарами-хранилищами танкера так, что отделенные жидкие углеводороды могут храниться на танкере.2. Судно по п.1, в котором оборудование, предназначенное для проведения операций в подводной скважине, смонтировано на надстройке над главной палубой танкера снабжения.3. Судно по п.1 или 2, в котором оборудование для невращательного бурения при пониженном гидростатическом давлении в стволе скважины выполнено с применением намотанных труб и установлено рядом с передвижной платформой, приспособленной смещаться в забортное положение над водоотделяющей колонной скважины, к которой должно быть присоединено указанное оборудование.4. Судно по п.1 или 2, в котором оборудование для невращательного бурения при пониженном гидростатическом давлении в стволе скважины выполнено с применением намотанных труб и установлено рядом с буровой шахтой, расположенной над водоотделяющей колонной скважины, к которой должно быть присоединено указанное оборудование.5. Способ морского бурения при пониженном гидростатическом давлении в стволе скважины, при котором танкер, имеющий оборудование, предназначенное для непосредственного проведения операций в подводной скважине и установленное на его палубе, динамически позиционируют над водоотделяющей колонной, проходящей от подводной скважины, оборудование для проведения операций в подводной скважине соединяют с водоотделяющей колонной и выполняют невращательное бурение при пониженном гидростатическом давлении в стволе скважины, причем образующуюся в результате многофазную смесь разделяют на танкере и отделенные жидкие углеводороды хранят в резервуарах-хранилищах танкера.