Содержание к диссертации
Введение
1 ПРОЕКТИРОВАНИЕ МОРСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ 7
1.1 Обзор норм и правил проектирования морских трубопроводов 8
1.2 Нормативные методы расчета несущей способности морских трубопроводов 20
1.3 Проблемы проектирования морских трубопроводов 27
2 СООРУЖЕНИЕ МОРСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ 3 7
2.1 Укладка трубопроводов на морское дно с поверхности 38
2.2 Укладка трубопроводов с помощью буксировки 45
2.3 Методы пересечения береговой линии 51
2.3.1 Укладка трубопровода в предварительно подготовленную траншею в прибрежной зоне и на участке пересечения береговой линии 52
2.3.2 Метод наклонно-направленного бурения 58
2.3.3 Метод туннелирования 60
3 ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ПРОКЛАДКИ МОРСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ 62
3.1 Трубоукладочные суда для прокладки трубопроводов в мелководных районах шельфа 65
3.2 Трубоукладочные суда для прокладки трубопроводов в глубоководных районах шельфа 71
3.3 Трубоукладочные суда для прокладки гибких морских трубопроводов 84
3.4 Строительство морских трубопроводов в ледовых условиях 99
4 ЭКСПЛУАТАЦИЯ МОРСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ 104
4.1 Угрозы целостности морских трубопроводов 104
4.2 Инспектирование морских трубопроводов 112
4.2.1 Инспектирование стационарных морских трубопроводов 112
4.2.2 Инспектирование гибких морских трубопроводов 119
4.3 Применение химических реагентов в трубопроводном транспорте нефти и газа 124
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 140
Список использованных источников 141
- Обзор норм и правил проектирования морских трубопроводов
- Укладка трубопроводов на морское дно с поверхности
- Трубоукладочные суда для прокладки трубопроводов в мелководных районах шельфа
Введение к работе
Актуальность темы. Более чем столетний опыт показал, что промышленная добыча нефти в море является высокоэффективной. Кроме континентального шельфа, перспективна на нефть и природный газ вся зона континентального склона, занимающая значительную территорию.
С ростом объемов разработки нефтяных и газовых месторождений на морских акваториях расширяются работы по обустройству нефтегазовых промыслов и строительству подводных трубопроводов, обеспечивающих доставку продукции скважин на береговые сооружения.
Эффективность транспортирования нефти и газа по подводным трубопроводам, по сравнению с используемыми для этих целей танкерами, достигается за счет отсутствия влияния на их эксплуатацию погодных условий, возможности дистанционного управления, малой вероятности загрязнения окружающей среды, возможности непрерывного транспортирования нефти и газа, а также использования трубопроводов для хранения перекачиваемой про-. дукции скважин.
Значительный опыт в проектировании и строительстве подводных трубопроводов накоплен за рубежом.
В России добыча углеводородов на шельфе получает развитие к началу XXI в., и одним из важнейших вопросов освоения морских месторождений становится транспортировка продукции скважин на берег.
Так же как и во всем мире, предпочтение отдается трубопроводному транспорту, но, с учетом того, что практически все нефтегазоносные морские месторождения находятся в замерзающих морях, необходимо формирование нового направления в проектировании и строительстве трубопроводов.
Настоящая работа посвящена комплексному анализу проблем, связанных с проектированием, строительством и эксплуатацией морских трубопроводов.
Цель работы. Исследование вопросов становления и развития трубопроводного транспорта продукции скважин морских месторождений.
Проведение анализа эволюционного развития технологий и технических средств для строительства и эксплуатации морских трубопроводов.
Исследование возможности применения зарубежного опыта и достижений в области трубопроводного транспорта в условиях обустройства морских месторождений России.
Научная новизна. Впервые проведен комплексный анализ научных и технических материалов по становлению и развитию трубопроводного транспорта продукции скважин морских месторождений* на этапах проектирования, строительства и эксплуатации.
В историческом плане рассмотрено развитие технологий и технических средств на всех этапах существования* морских трубопроводов и влияние на них специфических условий,регионов, где они располагаются.
Практическая ценность. Основные положения работы использованы в Уфимском* государственном нефтяном техническом университете при подготовке студентов по направлению «Нефтегазовое дело».
Материалы работы могут быть использованы при разработке проектов обустройства морских месторождений акваторий северных морей России.
Рассмотренные в работе вопросы развития и становления трубопроводного транспорта продукции скважин морских месторождений могут быть использованы для создания обобщающих историко-технических трудов, посвященных -развитию нефтегазового дела в России.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на:
Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт нефти». Уфа-2005;
VI Международной конференции «Современные проблемы истории естествознания в области химии, химической технологии и нефтяного дела». Уфа— 2005.
Публикации и личный вклад автора. По теме диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, в том числе 5 статей и 2 доклада.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, содержит 148 страниц машинописного текста, в том числе 6 таблиц, 123 рисунка, библиографический список использованной литературы из 126 наименований.
Обзор норм и правил проектирования морских трубопроводов
Вопросы проектирования отечественных морских трубопроводов стали освещаться в литературе сравнительно недавно [13].
В настоящее время существует целый ряд актуальных вопросов, требующих своего решения. Это, прежде всего, выбор оптимального расположения конструкции трубопровода под водой по различным критериям:
безопасности эксплуатации, экологии, стоимости конструкции в деле технологичности и т. п.;
выбор материала труб, защитного покрытия, электрохимической защиты;
продольная и поперечная устойчивость конструкции с учетом воздействия подводных течений;
обеспечение целостности и проходного сечения;
защита от коррозии и эрозии;
. сварка и неразрушающий контроль в процессе монтажа;
диагностика и мониторинг;
технологические режимы перекачки нефти, природного газа и газового конденсата при высоком внутреннем давлении;
прочность и устойчивость первоначальной формы равновесия цилиндрических оболочек трубопроводов и другие технологические и экологические аспекты.
В принципе все эти вопросы должны быть отражены в нормативных документах (нормах, правилах, стандартах, руководящих указаниях, инструкциях и т. д.). Однако, как показывает практика проектирования, это происходит далеко не всегда и объясняется следующими причинами:
1. Нормы проектирования отражают уже накопленный и проанализированный опыт проектирования, строительства и эксплуатации трубопроводов. Внедрение новых технологий, расширение диапазона рабочих параметров, строительство в уникальных природно-климатических условиях, применение новых материалов и оборудования требуют постоянной кор ректировки нормативной документации, что на практике и происходит, но не опережающими темпами, а лишь после накопления и обобщения соответствующего опыта. Например, всемирно признанная спецификация на трубы-API 5L [116] претерпела к настоящему времени 42 издание.
2. Некоторые вопросы достаточно сложны для формулировки простых инженерных методик или просто отсутствуют как в отечественных литературных источниках, так и в зарубежных. Типичным примером этого является расчет, напряженно-деформированного состояния оболочки трубопровода в процессе укладки на большие глубины.
3. Многие технические решения не имеют строгого научного обоснования и нуждаются в проведении специальных теоретических и экспериментальных исследований.
Однако даже хорошо изученные вопросы (например, расчет толщины стенки трубопровода на действие внутреннего давления) нельзя считать окончательно решенными. Нормы, разных стран [116, 85, 90, 112, 113, 118, 8, 94] предусматривают применение различных значений одних и- тех же коэффициентов надежности и безопасности- в аналогичных расчетных моделях, что связано с различными? подходами к оценке оптимального уровня безопасности, качеством производства строительных работ, особенностями эксплуатации и стоимостными показателями.
Эта проблема встает наиболее остро при появлении необходимости или возможности выбора тех или иных иностранных норм проектирования по причине отсутствия национальных нормативных документов, как это было при проектировании морского участка газопровода «Голубой поток», строительство которого завершилось в декабре 2002 г. (рисунок 1).
ТЭО строительства данного газопровода было выполнено на основе норвежских «Правил для морских трубопроводных систем» DNV 1981 [112]. Впоследствии (в 1996 г.) вышла новая редакция Правил DNV 1996 [113], которая легла в основу базового и детального проектирования морского участка газопровода.
Укладка трубопроводов на морское дно с поверхности
Современные трубоукладочные суда способны укладывать данным способом трубопроводы-диаметром до 1420 мм на глубину до 300 м, а диаметром, 810 мм - на глубину до 700 м со скоростью 3-5 км/сут. При этом, с увеличением диаметра или глубины воды требуются все более мощные системы натяжения и крупногабаритные стингеры. На практике максимальное растягивающее усилие составляет около 3000 кН. В свою очередь, увеличение радиуса кривизны и общей длины стингера осложняет управление и делает его уязвимым к воздействию волн и течений.
Укладка трубопроводов с бурового судна, или так называемый J-метод, также получивший свое название по форме изогнутого участка наращиваемого трубопровода, был впервые использован в Северном море при строительстве глубоководных трубопроводов большого диаметра в конце 1970-х гг. [13].
Основное отличие данного метода заключается в вертикальном расположении верхнего конца трубопровода, благодаря чему отпадает необходимость в применении стингера. Управление процессом строительства ведется в основном за счет регулировки усилия натяжения на судне, а угол наклона вышки, как правило, небольшой (рисунок 19).
1 - трубоукладочное судно; 2 - трубопровод
Наибольшее отклонение вышки от вертикали применяется в начале и конце трассы при работе на относительно мелководных участках.
При работе с секциями труб диаметром 50 - 250 мм темп укладки составляет 500 - 1500 м/сут, с секциями труб на резьбовых соединениях - 2 - 4 км/сут.
Преимущество данного способа заключается в возможности проведения одним судном ряда операций - бурение и обустройство подводных скважин, укладка и соединение трубопроводов и т. п. [14].
На ранней стадии развития способов укладки морских трубопроводов существовала еще одна концепция - вертикальная укладка труб с использованием полупогружного бурового судна. Этот способ аналогичен способу укладки труб под водой по J-образной кривой; отличие состоит в том, что труба изгибается на вертикальном башмаке, установленном в донной части полупогружного судна в процессе спуска под воду и перемещения.
Этим способом в 1969 г. компанией «Шелл Пайплайн» был уложен трубопровод диаметром 200 мм на глубине 91 м в проливе Сауф Пасс (США) [96].
На рисунке 20 показана трубоукладочная баржа с полупогружным корпусом, предназначенная для укладки подводного трубопровода при незначительных волнениях моря и силе ветра [63].
Трубоукладочные суда для прокладки трубопроводов в мелководных районах шельфа
В ходе дальнейших разработок в 1980-х гг. появились высокопроизводительные трубоукладочные баржи с системами динамического позиционирования, в основу критериев проектных решений которых были положены сокращение сроков строительства трубопроводов, возможность их укладки на больших глубинах, эксплуатация в трудных условиях северных морей, расширение работ по освоению морских месторождений, рост глубин бурения, усложнение климатических условий в связи с перемещением на север [18].
Для удержания трубоукладочных судов в заданном месте и перемещения их вдоль трассы прокладываемого трубопровода (при жестких ограничениях перемещений под действием ветра, волнений и течений) с 1950-х гг. использовалась мощная якорная система. Суда оборудовали 8-12 якорями по 10 - 20 т, которые крепились на канатах диаметром 50-60 мм, используемых в качестве якорь-цепи [14].
Из-за сложности ручного управления якорной системой при перестановке якорей, особенно при воздействии ветра и волн, с середины 1950-х гг. начали использовать автоматическое управление с применением ЭВМ, якорные канаты с тяжелыми цепями на дне и легкими синтетическими канатами наверху, что уменьшало смещение судна, якоря новых типов, способные без риска их подрыва выдерживать определенные вертикальные нагрузки. Для уменьшения перемещения судна под действием внешних нагрузок применяли автоматически регулируемые лебедки.
Помимо якорной системы удержания с 1980-х гг. начали применять систему динамического позиционирования, для чего трубоукладочное судно оборудуют системой движителей, позволяющих быстро менять их направление и силу упора при изменении внешней нагрузки.
Преимущества динамически позиционируемого трубоукладочного судна таковы [24]:
отсутствие какой-либо опасности повреждения существующих подводных кабелей и трубопроводов;
уменьшенные взаимные помехи в случае проведения других операций вблизи платформ;
возможность работы в пределах зоны расстановки якорей буровых установок и заякоренных судов;
гибкость в выборе мест спуска и укладки труб на дно;
быстрый спуск и укладка труб на дно;
быстрое прекращение работ в случае ухудшения погодных условий;
никаких простоев из-за ограничений в расстановке якорей при неблагоприятных погодных условиях;
сокращение простоев в результате механических повреждений;
возможность работы при непрерывной вертикальной качке в процессе трубоукладочных операций.
Недостатком динамического позиционирования является глубокая осадка судна, оснащенного азимутальным движителем, находящимся примерно в 4 м ниже киля; подход к берегу невозможен, так как требуется глубина воды не-менее 15 м.
По сравнению с оснащением судна съемными движителями и системой заякоривания более экономичным и практически выполнимым считается использование небольшой баржи с малой осадкой, оптимизированной для буксировки трубоукладочного судна к берегу.
Возможно использование комбинированной системы удержания, при которой на судне одновременно устанавливают и якоря, и движители, снимающие пиковые нагрузки на якорные канаты и уравновешивающие поперечные силы, действующие на судно [14].
Для сохранения правильного движения судна-трубоукладчика вдоль трассы трубопровода необходимо точно определить его местоположение в море, что осуществляется с помощью радиогеодезических систем, а также гидроакустических систем.
