image
energas.ru

...

ОПЫТ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ СИСТЕМЫ СБОРА ГАЗА В РАМКАХ РЕАЛИЗАЦИИ СТРАТЕГИИ ИМПОРТОЗАМЕЩЕНИЯ В ОБЛАСТИ ПРОИЗВОДСТВА ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ СИСТЕМ ПОДВОДНОЙ ДОБЫЧИ УГЛЕВОДОРОДОВ

Авторы:

УДК 622.279.3.04

П.В. Крылов, к.т.н., ООО «Газпром 335» (Санкт-Петербург, РФ)

В.Ю. Шарохин, ООО «Газпром 335»

А.А. Выдра, ООО «Газпром 335»

Е.С. Кудряшова, ООО «Газпром 335»


Согласно Государственной программе Российской Федерации «Развитие судостроения и техники для освоения шельфовых месторождений на 2013–2030 гг.» одним из приоритетных направлений является эффективное и экологически безопасное освоение морских месторождений углеводородов на континентальном шельфе в Арктической зоне Российской Федерации. Основной технической проблемой, которая должна быть решена в ближайшие десятилетия, являются производство и доставка конечного продукта переработки углеводородного сырья по конкурентным ценам. Один из вариантов решения этой задачи – создание системы подводной добычи (СПД). В настоящий момент на шельфе Российской Федерации функционирует единственная СПД, установленная на Киринском газоконденсатном месторождении (шельф о. Сахалин) в рамках проекта «Сахалин-3». Данная система была спроектирована и изготовлена зарубежной компанией, что накладывает определенные ограничения в связи с санкционными рисками. Для минимизации рисков необходимо спроектировать и изготовить отечественную СПД. В ПАО «Газпром» организована специальная программа, решающая задачи по технологическому развитию и замещению импортируемой продукции. Создание отечественной СПД является комплексной задачей на стыке дисциплин. Освоение производства разделяется на технологическую и опытно-конструкторскую составляющие. В рамках матричной структуры проекта выделена система сбора газа как неотъемлемая часть общего комплекса подводной добычи. Задачи, этапы и стадии работ, связанные с изучением и освоением новых технологий обустройства месторождений на континентальном шельфе, рассмотрены на примере разработки проекта системы сбора газа.

1_1_2.png

МИРОВОЙ ОПЫТ РЕШЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ ОСВОЕНИЯ АРКТИЧЕСКОГО ШЕЛЬФА

Разработка и эксплуатация шельфовых месторождений связаны с решением ряда технических проблем, главными из которых являются удаленность месторождений от береговой линии, отсутствие транспортных коммуникаций, сложная ледовая обстановка.

Обустройство месторождений на континентальном шельфе может осуществляться с помощью ледостойких платформ (рис. 1), искусственных островов, подводных добычных комплексов. Основной недостаток надводного способа освоения для применения в Арктике – это технико-экономическая нецелесообразность использования надводных конструкций объектов обустройства в сложных ледовых условиях. Опыт эксплуатации искусственных островов в мелководной части Канадской Арктики показал, что их главной проблемой, которая до сих пор не решена, является сложность обеспечения защиты откосов от волновой и ледовой эрозии.

Анализ тенденций развития технологий и оборудования для освоения месторождений на шельфе Норвегии показывает, что снижение капитальных и эксплуатационных затрат на обустройство месторождений достигается за счет использования системы подводной добычи, позволяющей осуществлять сбор пластового продукта в условиях постоянного нахождения оборудования под водой. Обширным опытом в проектировании и производстве оборудования СПД обладают такие компании, как TechnipFMC, GE Oil&Gas, Aker Solutions [1].

С учетом экономических санкций и опыта последних лет взаимодействия с иностранными поставщиками в ПАО «Газпром» организована Программа импортозамещения оборудования для шельфовых проектов.
В 2016 г. ПАО «Газпром» создало ООО «Газпром 335», специализирующееся на разработке комплексных решений задач по оборудованию СПД [2].

1_1.pngОБОРУДОВАНИЕ СИСТЕМ ПОДВОДНОЙ ДОБЫЧИ

В составе СПД можно выделить несколько групп оборудования, таких как устьевое оборудование, система управления, система сбора газа, оборудование для ремонта и заканчивания скважин.

Система сбора газа включает:

• манифольд (рис. 2) – систему приемных/распределительных коллекторов и трубопроводов с разветвлениями, используемых для сбора пластовой продукции из скважин, распределения реагентов/инжектируемого газа для поддержания пластового давления, а также газлифтного газа по скважинам [3];

• оконечное устройство (рис. 3) – начало или точку присоединения подводного трубопровода к основному оборудованию системы подводной добычи;

• линейный тройник (рис. 4) – устройство, необходимое для присоединения вновь прокладываемых магистральных труб или отводов к существующим магистральным трубам с учетом перспектив развития месторождения и необходимости создания более разветвленной сети;

• донную опорную плиту (фундамент) (рис. 5) – конструкцию, обеспечивающую монтаж оборудования на грунте с заданным положением и передающую нагрузки от него на грунт;

• подводную дожимную компрессорную станцию (рис. 6) – систему, обеспечивающую стабильный и бесперебойный поток продукции скважин за счет нагнетания необходимого давления газа для его транспортировки на береговую станцию в условиях падения внутрискважинного добычного давления;

• защитные конструкции, интегрированные в основное оборудование или отдельно монтируемые (рис. 7), обеспечивающие защиту оборудования системы подводной добычи от внешних воздействий.

Рассмотрим на примере манифольда и его фундамента задачи, которые оборудование должно выполнять на всех этапах своего жизненного цикла, включающих проектирование, изготовление, испытание, транспортировку и монтаж, сервисное обслуживание, демонтаж.

1_1_1.pngПроектирование оборудования выполнено с учетом следующих исходных данных:

• планируемый дебет и скорость потока флюида;

• давление на устье скважины;

• состав и температура флюида (газового конденсата);

• глубина месторождения;

• схема обустройства месторождения;

• грунты на площадках под оборудование;

• сейсмическая активность региона;

• требования по защите оборудования от случайных повреждений, таких как падающие объекты, траление;

• нормативы и стандарты.

Манифольд представляет собой нестандартное изделие, компоновка которого напрямую зависит от схемы обустройства месторождения. Тем не менее можно выделить следующие основные элементы этого оборудования:

• трубопровод газосборный;

• трубопроводная арматура;

• система управления;

• элементы системы соединения;

• рамные конструкции;

• защитные конструкции;

• система выравнивания.

Компоновка донной опорной плиты, в свою очередь, напрямую зависит от манифольда, вариантов установки, сейсмической активности региона и грунта. Выделяется четыре основных варианта донных опорных плит:

• с фундаментом свайного типа;

• с юбочным фундаментом;

• с центральной сваей;

• интегрированные в конструкцию.

1_1_3.pngПРОЕКТИРОВАНИЕ

В рамках опытно-конструкторской работы (ОКР) «Манифольд» по Государственной программе Российской Федерации «Развитие судостроения и техники для освоения шельфовых месторождений на 2013–2030 гг.» [4] ООО «Газпром 335» совместно с АО «СПМБМ «Малахит» ведет проектирование и расчеты для манифольда и донной опорной плиты. Дополнительно для расчетов взаимодействия конструкций с грунтом и на сейсмическую устойчивость привлечено АО «Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники имени Б.Е. Веденеева». Поскольку задачей ОКР является отработка конструкции, максимально близкой к перспективным месторождениям российского шельфа, исходные данные для проектирования взяты на основе Южно-Киринского газоконденсатного месторождения.

На рис. 8 представлен общий вид спроектированного манифольда и донного основания. Рабочее давление манифольда – 34,5 МПа, вес образцов – 350 т, габариты 25,5 × 12,5 × 19,5 м.

Спроектированная конструкция манифольда отвечает требованиям по количеству подключений фонтанных арматур, имеет оптимальный диаметр газосборного коллектора, интегрированную защитную конструкцию, выдерживающую нагрузки от трала и падающих объектов.

После проработки концептуальных решений донной опорной плиты по данным предварительных расчетов в качестве основания для манифольда была выбрана донная опорная плита с фундаментом свайного типа. Спроектированное донное основание позволяет добиться соответствия требованиям по горизонтированию в 1° только за счет самой конструкции, так как подготовительные работы с грунтом на глубине 200 м – очень дорогой и трудоемкий процесс. Также она предусматривает точное позиционирование манифольда на финальном этапе спуска на фундамент.

1_1_4.pngИЗГОТОВЛЕНИЕ

Следующей задачей ООО «Газпром 335» будет совместная работа с заводом-строителем по изготовлению опытного образца и проведению приемо-сдаточных испытаний.

В ходе проведения ОКР по разработке манифольда и донной опорной плиты было определено, что для реализации проекта российским производителям необходимо освоить такие технологии, как:

• наплавка коррозионностойких сплавов на внутренние поверхности сложного профиля;

• сварка трубопроводов большого диаметра из двухфазных нержавеющих сталей марки Super Duplex;

• разнородная сварка трубопроводов большого диаметра из двухфазных сталей марки Super Duplex и изделий из низколегированной стали;

• изготовление деталей трубопровода сложного профиля из порошковых материалов марки Super Duplex методом горячего изостатического прессования;

• изготовление съемных элементов защиты манифольда больших габаритов из армированного стеклопластика;

• нанесение фторполимерных покрытий (XylanTM) на крупногабаритные (размером до 1 м) детали;

• изготовление бесшовных труб малого диаметра (до 25,4 мм) из никелевых сплавов (Inconel 625);

• изготовление бесшовных труб большого диаметра из материалов из двухфазных нержавеющих сталей марки Super Duplex;

• технология выравнивания крупногабаритного оборудования на грунте под водой.

Сложные условия функционирования оборудования для подводной добычи обусловливают особые требования к материалам, полуфабрикатам, изделиям и производству для изготовления оборудования СПД.
ООО «Газпром 335» активно взаимодействует с крупнейшими металлургическими предприятиями РФ, производящими необходимый сортамент для производства манифольдов. Важным направлением работы является производство специальных материалов, таких как двухфазные нержавеющие аустенитно-ферритные стали с содержанием хрома 25 %, известные на мировом рынке как Super Duplex 25Cr. Эта сталь обладает рядом особенностей, характерных для легированных материалов, в том числе высоким уровнем сопротивляемости питтинговой коррозии (эквивалентное число сопротивления питтинговой коррозии PREN > 40), высокими прочностными характеристиками, которые сохраняются при работе при температуре до 90 ºC, пределом текучести при нормальных условиях 550 МПа.
В настоящее время в России идет освоение производства этого материала при непосредственном участии ООО «Газпром 335». Конечное изделие будет соответствовать классификации UNS 32750/32760 c PREN > 40.

1_1_5.pngВвиду нагрузок, испытываемых трубопроводной обвязкой манифольда в ходе грузоподъемных операций, монтажных работ, эксплуатационного периода, в системах трубопроводов предполагается использовать изделия, изготовленные из порошковых материалов Super Duplex методом горячего изостатического прессования для нестандартного типоразмера с геометрией и прочностными характеристиками, рассчитанными под конкретные условия. Такие изделия требуют особого контроля, технологии изготовления и производственных мощностей. В настоящее время ООО «Газпром 335» проводит работы по поиску потенциальных изготовителей данной продукции.

В рамках ОКР также налаживается производство из специальных сплавов двойного назначения (никелевых) высокоточных изделий, предназначенных для соединения оборудования, работающего под давлением до 69 МПа.

  

ПРИЕМО-СДАТОЧНЫЕ ИСПЫТАНИЯ

После изготовления системы запланировано проведение приемо-сдаточных испытаний. При этом, учитывая специфику конструкции, необходимо также провести промежуточные испытания на этапе сборки и, дополнительно, расширенные испытания элементов системы с учетом того, что назначенный срок ее службы составляет 30 лет, а срок службы ряда стандартных компонентов – 25 лет.

В настоящее время ООО «Газпром 335» разрабатывает программу испытаний манифольда и донного основания, включающую гидростатические испытания до 105 МПа, функциональные испытания совместно с оборудованием смежных ОКР, испытания сопряжения манифольда и донного основания. Проведение полного комплекса испытаний требует от завода-изготовителя наличия гидравлических стендов, грузоподъемного оборудования, площадки необходимого размера, защитных экранов и монтажных стендов. Одним из главных условий является обеспечение безопасности при 1_1_6.pngпроведении испытаний с учетом дистанционного управления арматурой, гарантии сброса давления после каждого испытания. Все эти требования учтены при составлении программы испытаний.

 

ТРАНСПОРТИРОВКА И МОНТАЖ

Поскольку натурные испытания на открытой воде не входят в рамки отдельного ОКР, одной из задач при проектировании являются учет и расчет нагрузок при транспортировке и монтаже. Предполагается транспортировка конструкции водным транспортом, что требует учета следующих параметров: ветровая нагрузка – до 30 м/с; угол бортовой качки – 20°, период до 10 с; угол килевой качки – 12°, период до 10 с; вертикальная качка – 1,96 м/с2.

При спускоподъемных и установочных операциях рассчитываются такие фазы, как нахождение в воздухе, прохождение зоны всплеска, нахождение в морской воде, установка донного основания в грунт, установка манифольда на донное основание.

Манифольд оборудован системой мягкой посадки для обеспечения гарантированного и безопасного для систем манифольда спуска на донную опорную плиту. Основным элементом системы мягкой посадки является гидроцилиндр, принцип работы которого аналогичен принципу работы амортизатора.

Для обеспечения точного монтажа оборудования предусмотрена система направления манифольда на донную опорную плиту. С этой целью используются две съемные направляющие разной высоты для упрощения операции установки и позиционирования устанавливаемого оборудования. По мере установки система направления за счет конструктивных особенностей уменьшает поле допуска.

Фундамент донной опорной плиты рассчитан на оптимальное по времени погружение в грунт до проектной отметки, выдерживание сейсмических нагрузок без выхода за критический угол горизонта (расчет на устойчивость).

1_1_7.pngВ дополнение к основному оборудованию предусматривается проработка вопросов позиционирования оборудования при установке. Если угол к горизонту обеспечивается конструкцией фундамента, то угол по азимуту и местоположение – применением дополнительного навесного оборудования. Навесное гидроакустическое и контрольно-измерительное оборудование должно быть расположено таким образом, чтобы обеспечивать снятие показаний без погрешностей, предоставлять свободный доступ манипулятору телеуправляемого подводного аппарата как к штатным, так и к внештатным устройствам управления, а также с учетом дистанционного демонтажа навесного оборудования с манифольда. Для решения этих задач ООО «Газпром 335» взаимодействует с несколькими организациями, специализирующимися на разработке гидроакустических навигационных систем.

Отдельным направлением проектирования является проработка вариантов установки оконечных устройств и линейных тройников. Монтаж должен производиться путем приварки к линейному трубопроводу и размещения на морском дне с помощью стингера трубоукладочного судна или вспомогательного оборудования при укладке трубопровода. Для установки оконечных устройств и линейных тройников должен быть выполнен статический анализ с учетом и без учета течений. При этом поперечные течения являются неблагоприятным фактором для процедуры установки.

При проектировании оборудования учтена возможность технической совместимости с оборудованием зарубежных производителей, подключения к текущим или перспективным объектам обустройства месторождения через трубную и кабельную продукцию посредством сварных, муфтовых и других видов соединений. Все элементы сопряжения, такие как ответные элементы соединения, разъемы, переходники, изготовлены в соответствии с международными стандартами.

 

СЕРВИСНОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ И ДЕМОНТАЖ

В области сервисного обслуживания оборудования систем сбора газа ООО «Газпром 335» ведется работа по формированию требований по временным интервалам обслуживания. Конструкция манифольда и донной опорной плиты должна предусматривать полный доступ телеуправляемого необитаемого подводного аппарата ко всем устройствам управления, как штатным, так и нештатным. Проверка областей доступа проводится еще на этапе проектирования.

Расчеты по демонтажу конструкции проводятся для вариантов демонтажа через непродолжительное время после установки и через 30 лет эксплуатации. С учетом износа оборудования после всего срока эксплуатации необходимо рассчитать нагрузки при выемке донной опорной плиты из грунта. Конструкция манифольда и донной опорной плиты должна обеспечивать наименьшее время демонтажа.

 

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ

Еще одним направлением работы являются определение и проработка дополнительного или перспективного оборудования, входящего в систему сбора газа. В качестве примера можно привести подводную дожимную компрессорную станцию и элементы инфраструктуры для автономных необитаемых подводных аппаратов. Данные вопросы актуальны, в том числе, для применения систем сбора газа на арктических месторождениях, для которых характерны удаленность от берега и сложная ледовая обстановка.

Также необходимо упомянуть о задаче снижения капитальных затрат при обустройстве месторождения с помощью СПД. Обеспечить ее решение можно за счет снижения стоимости проектирования и производства оборудования, что достигается максимальной стандартизацией применяемых решений и технологий. Так, применительно к манифольду необходимо предусматривать модульность конструкции, т. е. в зависимости от схемы освоения компоновать манифольд оборудованием в составе уже спроектированных подсборочных единиц.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На примере манифольда и его донной опоры рассмотрены этапы жизненного цикла оборудования для системы подводной добычи: проектирование, изготовление, испытание, транспортировка и монтаж, сервисное обслуживание, демонтаж.

Планируется, что выполнение всех перечисленных работ в комплексе позволит обеспечить импортозамещение системы подводной добычи на шельфе Российской Федерации. Начатый проект станет основой для выполнения работ по освоению морских месторождений с привлечением российских компаний на всех этапах жизненного цикла оборудования.