Вопросы изгиба морской бурильной колоны и райзера при их взаимодействии с системой компенсации 

ПАПУША А. Н., ФЕДОРОВ И. В., ШТРАССЕР В.В.
Мурманский Государственный Технический Университет, Россия,
ФГУП «Арктикморнефтегазразведка», Россия

Как известно, для бурения скважин на суше и на море должно использоваться такое оборудование, которое обеспечивало бы безопасное и рентабельное проведение работ в целом. Однако на море бурение морских нефтегазовых скважин отличается значительно большей сложностью, так как используются специфические технические устройства и системы, которые никогда не используются на суше.

К таким техническим устройствам относятся: системы заякорения и позиционирования морских плавучих средств (МПС); подводное устьевое и противовыбросовое оборудование; системы компенсации качки безопорных плавучих буровых установок (ПБУ) и  др.

Следует отметить, что проектирование сложных технических устройств, к которым следует причислить плавучие морские буровые установки, а в более общем смысле и все шельфовые нефтегазовые технические средства, невозможно без предварительных прочностных и динамических расчетов их ответственных элементов.

В первую очередь, к таким элементам относим морские бурильные колонны, подводная часть которых в отличие от наземных, испытывает такие воздействия и возмущения, которые никогда не испытывают сухопутные бурильные колонны. В этом состоит специфика или если можно так сказать, особенность проектирования оффшорных технических средств.

Необходимо также признать следующие факты, которые говорят о том, что морские течения, боковые движения плавучих морских устройств, ветровые и волновые нагрузки, аварийные отсоединения морской бурильной колонны и райзера от подводного устьевого оборудования, аварийные встречи подвижного морского объекта с подводной частью бурильной колонны решающим образом повлияют на динамику и надежность подводной части морской бурильной колонны и, соответственно, на безопасность всех работ в море в целом.

Проблемы проектирования морских нефтегазовых скважин усугубляются еще больше, если речь идет о работе на шельфе Северных морей России, когда к названным морским осложнениям необходимо добавить температурные и ледовые проблемы их взаимодействия с ответственными элементами шельфовых нефтегазовых технических устройств.

Все названное выше только усугубляет задачи проектирования шельфовых нефтегазовых устройств при сочетании названных внешних морских факторов. Кроме того, необходимо учесть, что динамика и поведение подводной части морской бурильной колонны влияют также на прочность и динамику ее подземной части.

Для того чтобы учесть и решить некоторые вопросы проектирования морских шельфовых средств, к которым относятся морская бурильная колонна и райзер, поставлены и решены главные расчетные задачи проектирования морских бурильных колонн и райзера современными методами компьютерного моделирования.

Актуальность настоящей научно-методической разработки для решения задачи проектирования состоит В постановке и решении новых задач для морских шельфовых устройств по разведке, разработке и добычи нефти и газа.

Следует отметить что, несмотря на значительные достижения в проектировании и строительстве морских разведочных и эксплуатационных скважин [1, 2, 12]. часть вопросов касающихся фундаментальных проблем пространственного изгиба морской бурильной колоны (подводной и подземных частей), изгиба райзера их прочности и устойчивости в естественном состоянии и при их взаимодействия с плавучими морскими средствами (МПС), системой управления, системой компенсации вертикальных колебаний морской плавучей буровой установки (МПБУ), морскими течениями и подводными плавучими морскими объектами (например, при аварийном столкновении объекта с бурильной колонной или райзером) остаются не выясненными до сих пор.

К таким вопросам в первую очередь относятся вопросы изгибной прочности и устойчивости морской бурильной колонны и райзера в условиях эксплуатации в Северных морях России. Это, пожалуй, наиболее ответственные и сложные элементы во всей конструкции МПС и МПБУ, которые непосредственно направлены на бурение морской нефтяной или газовой скважины. Поэтому, от того как спроектированы эти элементы МПС и МПБУ, от их устойчивой и надежной работы зависит в целом успех всей операции в море.

Следующим не менее важным вопросом является поведение упругой протяженной конструкции, к которым относится бурильная колонна и райзер, в аварийной ситуации. К сожалению, этот вопрос ранее в отечественной литературе даже не ставился. Однако ответ на подобный вопрос является важным, если не решающим, при проведении, например, экологической экспертизы проектов [12].

Как известно, первые постановки задачи по решению конструктивной прочности морской бурильной колонны были впервые поставлены в известной монографии А.Е. Сарояна [1]. В этой монографии даны и частично обоснованы рациональный выбор и конструкция морской бурильной колонны. Эти конструктивные решения основаны на классическом подходе по изучению устойчивости сжатого под действием собственного веса упругого стержня [3] (задача, впервые поставленная еще Л.Эйлером).

Разработанные в работе [1] подходы к решению задачи на прочность при изгибе морской бурильной колонны, как упругого стержня, моделирующего бурильную колонну, давали только приближенные оценки прочности морской бурильной колонны и не затрагивали вовсе проектный расчет прочности райзера.

Следует отметить, что хотя в [1] исходная постановка задачи и была сделана в общем виде, но ее решение практически важных задач о прочности и устойчивости морской бурильной колонны было проведено все же в упрощенной постановке. При этом задача о конструктивной прочности райзера в названной работе вообще не решалась. Такой подход существенно ограничивает практическую значимость полученных ранее теоретических результатов, поскольку в общем виде данная задача не была реализована.

Тем не менее, руководящий документ в нефтегазовом производстве - «Инструкция по расчету бурильных колонн для бурения нефтяных и газовых скважин" [11] - достаточно жестко предписывает проверку на статическую и усталостную (при роторном способе бурения) прочность сечений бурильных колонн на плавучих буровых установках и на уровне дна моря именно с использованием упомянутых приближенных формул, возможность применения которых самой инструкцией ограничена глубинами акватории до 150 метров. Для глубин моря более 150 м решение проблемы учета нагрузок на бурильные трубы в акваториальной части скважины от смещения МПС в горизонтальном направлении, от крена ПБУ, от воздействия течений и т.д. - просто не существует.

Из всего сказанного следует, что проблема проектирования важнейших элементов морских плавучих буровых установок к которым относятся морская бурильная колонна и райзер, по-прежнему остается актуальной.

Новизна данной работы и ее значение для практики обусловлено применением современных методов расчета и проектирования, основанных на компьютерных технологиях.

С внедрением компьютерных технологий задача о прочности морской бурильной колонны и райзера может быть перенесена в новую расчетную среду

С внедрением в практику проектирования морских сооружений и морских плавучих буровых установок (МПБУ) современных компьютерных технологий расчета и конструирования, задача о конструкционной прочности морской бурильной колонны и райзера может быть перенесена в новую расчетную среду. В данном случае это компьютерная среда Mathematica. При этом важную роль играют компьютерные методы нахождения символьных решений сформулированных задач проектирования.

Как известно, аналитические или символьные решения в компьютерном исполнении имеют двоякую ценность:

• во-первых они всегда служат эталонными решениями при различных численных реализациях:

• во-вторых символьные решения позволяют исследователю наглядно проследить влияние основных параметров заложенных в проект на конечный результат; что не удается при численных решениях:

• и, наконец, они всегда служат сравнительными решениями с уже известными и эталонными решениями при различных аналитико-численных реализациях.

• каким образом, компьютерные методы решения задач проектирования основных объектов МПС и МПБУ позволяют приблизить расчетные задачи к задачам конструирования едиными электронными средствами. Будущий успех проектирования становится независимым от субъективности принимаемых решений, а зависит только от исходных данных проектирования и искусства проектировщика в выборе компьютерных решений.

В настоящей работе разработаны и представлены в среде Mathematica методы компьютерного моделирования пространственного изгиба конструкций морской бурильной колонны и райзера при бурении морских нефтегазовых скважин.

В рамках развитых методов проектирования удается решить ряд новых задач проектирования, к которым относятся: расчет и проектирование райзера для глубоководного бурения; расчет и проектирование морской бурильной колонны для процесса забуривания; и райзера; расчет и проектирование морской бурильной колонны и райзера в аварийной ситуации, которые до настоящего времени не только не решились, но даже и не ставились.

Полученные символьные решения для ряда задач проектирования морской бурильной колонны и райзера в дальнейшем могут служит эталонными решениями, по которым в будущем инженер-конструктор может сравнивать новые численные решения полученные, например, компьютерной версией МКЭ. Все компьютерные расчеты по проектным решениям для бурильной колонны и райзера выполнены без каких либо ограничений на глубину моря. Последнее обстоятельство открывает новый путь к совершенствованию проектных решений для разработки глубоководных скважин при разведке и добыче нефти и газа на шельфе Северных морей России.

Литература
[1] Сароян А.Е. Бурильные колонны в глубоком бурении. - М:, "Недра". 1980, 232 с.
[2] Пригулецкий В.Т. Оптимальное управление при бурении скважин. - М:, "Недра". 1988. 227 с.
[3] Тимошенко С.П. Устойчивость упругих систем. - М:, ОГИЗ. Гос. изд. технико-теоретической литературы. 1946. 531 с.
[4] Балицкий П.Б. Устойчивость бурильной колонны при бурении вертикальных нефтяных и газовых скважин забойными двигателями. М:, Государственная академия нефти и газа им. И.М. Губкина. 1996. 52 с.
[5] Тимошенко С.П. Прочность и колебания элементов конструкций. М; "Наука". 1975.704 с.
[б] П.К. Корн, Т.К. Корн. Справочник по математике. М:, "Наука", 1974, 831 с.
[7] Srephen Wolfram. The Mathematica. Fourth Edition. Mathematica Version 4. Cambridge University Press. 1999. 1470 pp.
[8] Шенкс Ф.Э. Оборудование для бурения в глубоководных районах с сильным течением. Нефть и газ за рубежом. 1998, №7. с. 16-20.
[9] Барский И.Л., Гусман A.M., Левина АБ. Метод управления динамикой бурильной колонны. Нефтегазовые технологии. №1,2000. стр. 14-19.
[10] Сароян А.Е. Теория и практика работы бурильной колонны. - М:, "Недра". 1990. 263 с.
[11] Инструкция по расчету колонн для бурения нефтяных и газовых скважин / В.М. Валов. К.И. Джафаров. О.Д. Даниленко, и др. - М,: Госгортехнадзор России, № 10.-13/298 от 11.06.1997. 156 с.
[12] Мнацаканян О.С, Пушнов В.М, Сочнев О.Я., Таныгин ИЛ. Воздействие поисково-оценочных работ на экосистемы Печорского моря. М:. ЦНИИПЭнефтехим, 2002, 202 с.

Материалы международной конференции "Нефть и газ арктического шельфа - 2004"

Еще статьи на тему "морской":

Северный морской путь - евро-азиатский морской транспортный коридор

Семинар «Северный морской путь - перспективы и вызовы современности»

Роль северного морского пути в хозяйственном развитии и освоении северных территорий

Северный морской путь и ледокольный флот

Мурманск - база для Северного морского пути