Морское и подводное бурение

Кратко о главном

С опорой на дно — остров, баржа, платформа, самоподъёмная установка — бурят с надводными превенторами почти как на суше. Плавучие установки — полупогружные и буровые суда — бурят через подводное устье и подводную сборку превенторов, связанные с установкой райзером, и могут отсоединиться и уйти, оставив скважину закрытой.
Подводную скважину начинают без райзера: направление спускают в ствол или устанавливают размывом, верхний интервал бурят морской водой со сбросом шлама на дно. После кондуктора с головкой высокого давления ставят превенторы и райзер, и дальше все колонны подвешивают в этой головке.
Райзер держат натяжители. Наименьшее натяжение — вес конструкции в воде плюс «лишний» вес раствора $A_{\text{в}}(p_m - p_{sw})$ : модули плавучести снимают большую часть веса стали, но не раствора.
Запас на райзер — превышение плотности раствора, при котором скважина остаётся задавленной и после отсоединения, когда раствор над дном заменяет морская вода. Под глубокой водой окно между поровым давлением и давлением гидроразрыва узкое, и запас часто недостижим: тогда при отсоединении скважину держат превенторы.
При глушении через подводную сборку к давлению в скважине добавляются потери на трение в длинной линии дросселирования; на запуске насоса их вычитают из давления на дросселе.
На северном Каспии у Кашагана глубина моря 3–4 м и около пяти месяцев в году лёд: бурят с барж и искусственных островов с надводным устьем. В государственной заповедной зоне работы ограничены по сезонам, сбросам, факелам и отходам бурения, а ликвидация скважин и островов идёт по особым требованиям.

Ключевые соотношения

\Delta\rho_{\text{р}} = \dfrac{\rho_{\text{пл}}\,(h_a + h_w) - \rho_{sw}\,h_w}{H - h_a - h_w}

запас на райзер; эквивалентные плотности — от стола ротора

T_{\min} = w_s\,h_w + A_{\text{в}}\,(p_m - p_{sw})

наименьшее натяжение верха райзера

\rho_{\text{ниже дна}} = \rho_{sw} + \dfrac{\Delta p_{\text{изб}}}{0{,}00981\,z}

плотность, которая держит пласт, когда над дном — столб морской воды

Где чаще всего ошибаются

Сравнивать плотность раствора с эквивалентными плотностями, отнесёнными не к столу ротора, а, например, к дну моря: под 1200 м воды поровое давление пласта из примера урока «весит» от дна около 2,1 г/см³, а от стола ротора — 1,17.
Считать, что модули плавучести разгружают и раствор: лишний вес раствора остаётся на натяжителях и растёт с его плотностью.
Держать при запуске насоса давление на дросселе прежним, как на суше: давление в скважине вырастет на потери в линии дросселирования.
Думать, что мелководье облегчает работу плавучей установки: тот же снос даёт тем больший наклон райзера, чем меньше глубина.

После урока вы сможете

сравнить морские буровые установки — искусственный остров, буровую баржу, платформу, самоподъёмную, полупогружную установку и буровое судно — по глубине моря и условиям и сказать, где у каждой стоят устье и превенторы;
описать по шагам строительство подводной скважины: направление (в том числе установку размывом), бурение без райзера, головку высокого давления, спуск превенторов и райзера, подвески колонн в головке;
объяснить устройство райзера и рассчитать его натяжение с учётом раствора, модулей плавучести и отказа натяжителя;
рассчитать запас на райзер и показать, почему под глубокой водой он часто недостижим; оценить потери на трение в линии дросселирования при глушении;
назвать опасности верхней части разреза и способы бурения верхних интервалов;
описать заканчивание, консервацию и ликвидацию подводной скважины и требования казахстанских правил к морским скважинам и к работам в заповедной зоне северного Каспия.

Морские буровые установки и где стоит устье

Бурят на море так же, как на суше: долото вращает колонна труб, раствор выносит шлам, ствол крепят обсадными колоннами (Как бурят скважину: процесс и персонал). Меняется основание буровой, а вместе с ним — место, где окажутся устье скважины и противовыбросовое оборудование (ПВО): над водой, как на суше, или на дне.

Установки делятся на две семьи. Опирающиеся на дно — искусственный остров, буровая баржа на мелководье, стационарная платформа, самоподъёмная установка — неподвижны относительно дна, и на них ставят обычную надводную сборку превенторов. Плавучие — полупогружная установка и буровое судно — качаются на волне и смещаются, поэтому устье и превенторы ставят на дно, а с установкой их связывает водоотделяющая колонна — райзер (marine drilling riser). Её можно отсоединить и увести установку, оставив скважину закрытой превенторами.

СхемаМорские буровые установки от мелководья к глубокой воде (схема, не в масштабе): у опирающихся на дно превенторы над водой, у плавучих — на дне, и с установкой их связывает райзер.

Морские буровые установки (ориентировочно, 2020-е годы)

Установка: Искусственный остров
Как держится: насыпь на дне, защищает от льда и волн
Глубина моря: единицы метров
Устье и ПВО: над водой, как на суше

Установка: Буровая баржа (drilling barge)
Как держится: притоплена до опоры на дно или стоит на якорях
Глубина моря: единицы метров
Устье и ПВО: над водой

Установка: Стационарная платформа (fixed platform)
Как держится: стальная решётчатая опора на сваях или бетонное гравитационное основание
Глубина моря: до сотен метров
Устье и ПВО: над водой; с одной платформы бурят десятки скважин

Установка: Самоподъёмная (jack-up, СПБУ)
Как держится: корпус поднят над водой на опорах, стоящих на дне
Глубина моря: обычно до 120 м, отдельные — до 150 м
Устье и ПВО: над водой; колонны держит подвеска у дна

Установка: Полупогружная (semi-submersible, ППБУ)
Как держится: плавает на погружённых понтонах; якоря или динамическое позиционирование
Глубина моря: от десятков метров до 3 км
Устье и ПВО: на дне; связь — райзер

Установка: Буровое судно (drillship)
Как держится: судно с буровой над шахтой в корпусе; обычно динамическое позиционирование
Глубина моря: сотни метров — до 3,6 км
Устье и ПВО: на дне; связь — райзер

Установка	Как держится	Глубина моря	Устье и ПВО
Искусственный остров	насыпь на дне, защищает от льда и волн	единицы метров	над водой, как на суше
Буровая баржа (drilling barge)	притоплена до опоры на дно или стоит на якорях	единицы метров	над водой
Стационарная платформа (fixed platform)	стальная решётчатая опора на сваях или бетонное гравитационное основание	до сотен метров	над водой; с одной платформы бурят десятки скважин
Самоподъёмная (jack-up, СПБУ)	корпус поднят над водой на опорах, стоящих на дне	обычно до 120 м, отдельные — до 150 м	над водой; колонны держит подвеска у дна
Полупогружная (semi-submersible, ППБУ)	плавает на погружённых понтонах; якоря или динамическое позиционирование	от десятков метров до 3 км	на дне; связь — райзер
Буровое судно (drillship)	судно с буровой над шахтой в корпусе; обычно динамическое позиционирование	сотни метров — до 3,6 км	на дне; связь — райзер

Глубины — ориентир по паспортам установок на 2020-е годы: самые глубоководные буровые суда рассчитаны на 12 000 футов (3,6 км) воды, большинство самоподъёмных установок — до 400 футов (120 м). Кроме глубины, выбор определяют волнение, лёд, грунт, назначение скважины (разведочная или эксплуатационная), удалённость и ставка аренды.

Плавучую установку держат над скважиной двумя способами. Якорная система (mooring) — обычно 8–12 якорных линий из цепи и стального каната, на больших глубинах — с синтетическими тросами; якоря раскладывают и натягивают буксиры-якорезаводчики, а перед этим проверяют, нет ли на дне трубопроводов. Динамическое позиционирование (dynamic positioning, DP) — компьютер по спутниковой навигации и гидроакустическим маякам на дне непрерывно держит точку подруливающими устройствами; системы делают с резервированием, чтобы отказ одного двигателя или генератора не сдвинул установку. Чем глубже море, тем длиннее и тяжелее якорные линии, поэтому на больших глубинах преобладает динамическое позиционирование.

Самоподъёмную установку буксируют на точку на плаву, опускают опоры до дна и поднимают по ним корпус над водой. Перед работой опоры преднагружают — принимают балласт, чтобы грунт под ними заранее принял нагрузку больше рабочей. Самая опасная авария здесь — продавливание опоры (punch-through): прочный слой над слабой глиной внезапно проламывается, и опора уходит в грунт на метры. Поэтому грунт под опорами изучают инженерными изысканиями так же тщательно, как место скважины.

Превенторы самоподъёмной установки стоят над водой, на колонне, продолженной от дна до буровой. Но установка после бурения уходит, и колонны должны держаться у дна. Их подвешивают в подвесной системе у дна (mudline suspension): подвески спускают вместе с колоннами и сажают одну в другую на уровне дна, а выше них колонны на время бурения продолжают до буровой. Закончив бурение, эти надставки отсоединяют и поднимают, скважину консервируют у дна — и позже либо подключают к платформе, построенной над ней, либо заканчивают с подводной арматурой, либо ликвидируют.

Как строят подводную скважину

Подводную скважину строят «от опоры»: сначала на дне создают основание — направление с корпусом низкого давления, — затем ставят в него головку высокого давления, на неё — превенторы и райзер, и только после этого бурят с возвратом раствора на установку. Пока райзера нет, раствор и шлам выходят из скважины прямо на дно. Ниже — учебная скважина под 1200 м воды; её данные используются во всех примерах урока.

Конструкция учебной подводной скважины (условно)

Колонна: Направление 914,4 мм (36″)
Ствол: — (установка размывом)
Башмак ниже дна: 75 м
Как бурят интервал: грунт размывают струёй, бурения нет

Колонна: Кондуктор 508 мм (20″) с головкой 476 мм (18¾″)
Ствол: 660,4 мм (26″)
Башмак ниже дна: 700 м
Как бурят интервал: без райзера, морской водой с вязкими пачками; шлам — на дно

Колонна: Промежуточная 339,7 мм (13⅜″)
Ствол: 444,5 мм (17½″)
Башмак ниже дна: 2000 м
Как бурят интервал: через превенторы и райзер; раствор возвращается

Колонна: Эксплуатационная 244,5 мм (9⅝″)
Ствол: 311,1 мм (12¼″)
Башмак ниже дна: 3300 м
Как бурят интервал: так же

Колонна: Хвостовик 177,8 мм (7″)
Ствол: 215,9 мм (8½″)
Башмак ниже дна: 3800 м
Как бурят интервал: так же; подвешен в предыдущей колонне

Колонна	Ствол	Башмак ниже дна	Как бурят интервал
Направление 914,4 мм (36″)	— (установка размывом)	75 м	грунт размывают струёй, бурения нет
Кондуктор 508 мм (20″) с головкой 476 мм (18¾″)	660,4 мм (26″)	700 м	без райзера, морской водой с вязкими пачками; шлам — на дно
Промежуточная 339,7 мм (13⅜″)	444,5 мм (17½″)	2000 м	через превенторы и райзер; раствор возвращается
Эксплуатационная 244,5 мм (9⅝″)	311,1 мм (12¼″)	3300 м	так же
Хвостовик 177,8 мм (7″)	215,9 мм (8½″)	3800 м	так же; подвешен в предыдущей колонне

Стол ротора — на 25 м выше уровня моря, глубина моря — 1200 м; глубина от стола ротора равна 25 + 1200 + глубина ниже дна. Сочетания колонн и долот — обычный дюймовый ряд (колонны по назначению); на практике под глубокой водой колонн часто больше — из-за узкого окна давлений.

Порядок строительства

1
Площадка и дно
Место изучают заранее: батиметрия, высокоразрешающая сейсморазведка верхней части разреза, пробы и зондирование грунта. Установку ставят на точку, и телеуправляемый необитаемый подводный аппарат (ТНПА, remotely operated vehicle, ROV) осматривает дно перед спуском оборудования. На средних глубинах инструмент и оборудование направляют к устью по натянутым канатам-направляющим, закреплённым на направляющей раме на дне; под глубокой водой обходятся без канатов и наводят по видеокамерам аппарата.
2
Направление
Первая колонна — направление большого диаметра с корпусом низкого давления (low-pressure wellhead housing) наверху. Его либо спускают в пробуренный ствол и цементируют до дна, либо в мягких глинах устанавливают размывом (jetting): внутри трубы на бурильной колонне висит компоновка с долотом, струя воды из насадок размывает грунт у башмака, и направление погружается под собственным весом и частью веса компоновки. Потом грунту дают время «схватиться» вокруг трубы и только затем отсоединяют спускной инструмент. Направление несёт вес следующих колонн, устьевого оборудования и превенторов и изгиб от райзера, поэтому его длину рассчитывают по прочности грунта (раздел для углублённого изучения).
3
Бурение без райзера
Ствол под кондуктор бурят через корпус низкого давления, без райзера и превенторов: промывают морской водой с вязкими пачками, раствор и шлам выходят из устья на дно. Против неглубоких песков с водой или газом под давлением держат наготове утяжелённый раствор; его тоже закачивают «на потерю» — он уходит на дно (pump and dump). Существуют и системы, которые откачивают выходящий из устья раствор насосом со дна на установку.
4
Кондуктор и головка высокого давления
Кондуктор спускают с приваренной наверху головкой высокого давления (high-pressure wellhead housing) — массивным корпусом с проходом 476 мм (18¾″). Головка садится и защёлкивается в корпусе низкого давления. Кондуктор цементируют через внутреннюю колонну — бурильные трубы, спущенные внутрь, — и поднимают цемент до дна, проверяя выход цемента камерой аппарата.
5
Превенторы и райзер
Сборку превенторов спускают на райзере одним рейсом; гидравлический соединитель внизу сборки защёлкивается на головке. Затем натягивают райзер, подключают линии, проверяют работу превенторов и опрессовывают их. Дальше бурят как на суше: раствор поднимается по затрубью и райзеру на установку.
6
Следующие колонны
Каждая следующая колонна заканчивается подвеской, которую спускают через райзер и превенторы и сажают в головке высокого давления: подвески ложатся одна на другую. Колонну цементируют через спускной инструмент и тем же рейсом ставят и опрессовывают уплотнение между подвеской и головкой. Посадочные поверхности головки на время бурения закрывают сменной защитной втулкой. Хвостовик подвешивают в предыдущей колонне, а не в головке.
7
Испытания
Каждую колонну опрессовывают, а после выхода из башмака проводят испытание на поглощение (как его проводят и читают): от него зависит, с каким раствором можно бурить следующий интервал.

СхемаПервые этапы подводной скважины (схема, не в масштабе): 1 — направление с корпусом низкого давления устанавливают размывом; 2 — ствол под кондуктор бурят без райзера, шлам выходит на дно; 3 — кондуктор с головкой высокого давления зацементирован до дна; 4 — на головке стоит сборка превенторов, раствор возвращается по райзеру на установку.

Подводная головка — предельный случай компактной колонной головки (колонная обвязка устья): один корпус принимает подвески всех колонн, их сажают сквозь превенторы, не снимая сборку, а колонна незапланированного размера в него не встанет. Поэтому конструкцию подводной скважины выбирают заранее и с запасом: если давления окажутся хуже прогноза, лишнюю колонну придётся делать хвостовиком.

СхемаПодводная устьевая головка в разрезе (схема, не в масштабе): корпус низкого давления на направлении, в нём головка высокого давления на кондукторе, в её проходе — подвески промежуточной и эксплуатационной колонн с уплотнениями; сверху на головку защёлкивается соединитель превенторов, позже — фонтанной арматуры.

Райзер: связь установки со скважиной

Райзер — колонна труб большого диаметра (обычно 533 мм, 21″) из секций длиной около 23–27 м, соединённых фланцами или муфтами. По нему раствор поднимается на установку, через него спускают инструмент и колонны, а снаружи вдоль него идут линии дросселирования и глушения, вспомогательная линия для подкачки раствора в низ райзера и линии управления сборкой.

Нижний блок райзера (lower marine riser package, LMRP): верхняя, отсоединяемая часть подводной сборки: универсальные превенторы, гидравлический соединитель и блоки управления. Его поднимают вместе с райзером, а плашечные превенторы остаются на устье и держат скважину закрытой (подводное ПВО).
Гибкие шарнирные соединения (flex joints): внизу и вверху райзера: позволяют ему отклоняться от вертикали на несколько градусов без перегиба труб у соединителя.
Модули плавучести (buoyancy modules): оболочки из синтактной пены (пеноматериала с полыми стеклянными микросферами) на секциях: снимают большую часть веса райзера в воде. Со временем они набирают воду и теряют часть подъёмной силы.
Телескопическое соединение (telescopic joint): под буровой: внутренняя труба скользит во внешней, и райзер не чувствует вертикальной качки установки и прилива.
Натяжители (riser tensioners): гидропневматические цилиндры, которые через тросы или напрямую тянут внешнюю трубу телескопического соединения вверх с почти постоянной силой.
Дивертор под столом ротора: отводит в сторону газ, попавший в райзер выше закрытых превенторов (дивертор).
Компенсатор вертикальной качки (heave compensator): в талевой системе или в лебёдке: развязывает бурильную колонну с качкой, чтобы нагрузка на долото не менялась, хотя установка поднимается и опускается на метры.

Райзер не может стоять на сборке сам: длинная тонкая колонна под собственным весом изогнулась бы. Его держат в растяжении, и считают натяжение по эффективной осевой силе — той же, что решает устойчивость бурильной колонны (истинная и эффективная осевая сила). Эффективный вес метра райзера в море — это вес его конструкции в воде $w_s$ плюс разность весов раствора внутри и морской воды, которую вытеснил бы канал: $g(\rho_m - \rho_{sw})A_{\text{в}}$ . Сложив по длине и добавив раствор над водой, получаем натяжение, при котором эффективная сила у низа райзера равна нулю.

Наименьшее натяжение верха райзера

T_{\min} = w_s\,h_w + A_{\text{в}}\,(p_m - p_{sw}), \qquad p_m = \rho_m\,g\,(h_w + h_a), \quad p_{sw} = \rho_{sw}\,g\,h_w

где:

$T_{\min}$ натяжение у верха райзера, при котором эффективная осевая сила у его низа равна нулю, Н
$w_s$ вес метра конструкции райзера в морской воде — труб, линий, фланцев и модулей плавучести вместе, без жидкости в канале, Н/м
$h_w$ глубина моря; длина райзера принята равной ей, м
$h_a$ высота стола ротора (и выкидной линии) над уровнем моря, м
$A_{\text{в}}$ площадь внутреннего канала райзера, м²
$p_m,\ p_{sw}$ давление столба раствора внутри и морской воды снаружи у низа райзера, Па
$\rho_m,\ \rho_{sw}$ плотность раствора и морской воды (1030 кг/м³), кг/м³

Единицы: СИ; в примерах — кН, МПа и г/см³ ( $p = 0{,}00981\,\rho\,h$ МПа при $\rho$ в г/см³)

Справедливо, если

райзер вертикален и неподвижен: течение, волны и качка не учтены; высотой сборки превенторов над дном пренебрегаем;
раствор стоит столбом от выкидной линии на высоте стола ротора; при циркуляции к давлению внутри добавляются потери на трение;
это нижняя граница: натяжители настраивают выше — с запасом на неточность веса и плавучести, на трение и наклон тросов и на внезапный отказ натяжителя.

Первое слагаемое — вес самой конструкции; модули плавучести снимают его почти целиком. Второе — «лишний» вес раствора: столб раствора в канале тяжелее столба воды того же объёма. Модули его не уменьшают, поэтому с утяжелением раствора и с глубиной моря натяжение растёт пропорционально площади канала.

Настройка натяжителей с запасом на отказ

T_{\text{уст}} = \frac{N}{(N - n)\,\eta}\;T_{\min}

где:

$T_{\text{уст}}$ суммарное натяжение, на которое настраивают натяжители, Н
$N,\ n$ число натяжителей и число тех, что могут отказать одновременно, —
$\eta$ доля силы натяжителей, доходящая до райзера по вертикали (трение, наклон тросов), —

Единицы: любые одинаковые единицы силы

Справедливо, если

нагрузка делится между натяжителями поровну; отказавший перестаёт тянуть сразу;
$\eta$ и допустимое число отказов берут из технических данных установки и проекта работ; значения в примере условные.

Оставшиеся $N - n$ натяжителей должны и после отказа дать райзеру не меньше $T_{\min}$ . Пока все исправны, натяжение больше наименьшего, и эффективная сила у низа райзера положительна — это запас его прямолинейности (раздел для углублённого изучения).

Расчётный примерНатяжение райзера под 1200 м воды

Исходные данные (условные)

Глубина моря $h_w$ ; стол ротора над морем $h_a$: 1200 м; 25 м
Райзер: 533,4 × 488,9 мм (21″, стенка 22,2 мм)
Вес конструкции в воде $w_s$: с модулями плавучести 0,40 кН/м, без модулей 3,60 кН/м (условно)
Раствор; морская вода: 1,30 г/см³; 1,03 г/см³
Натяжители: 6, расчёт на отказ одного; $\eta = 0{,}95$ (условно)

Решение

Площадь канала: $A_{\text{в}} = \pi\cdot 0{,}4889^2/4 = 0{,}18773$ м².
Давления у низа райзера: раствор $p_m = 0{,}00981\cdot 1{,}30\cdot(1200 + 25) = 15{,}622$ МПа, морская вода $p_{sw} = 0{,}00981\cdot 1{,}03\cdot 1200 = 12{,}125$ МПа; разность 3,497 МПа.
Лишний вес раствора: $A_{\text{в}}\,(p_m - p_{sw}) = 0{,}18773\cdot 3{,}497\cdot 1000 = 656{,}5$ кН (м² · МПа = МН).
Вес конструкции: с модулями $0{,}40\cdot 1200 = 480$ кН, без модулей $3{,}60\cdot 1200 = 4320$ кН.
Наименьшее натяжение с модулями: $480 + 656{,}5 = 1136{,}5$ кН — около 116 тс (1 тс = 9,807 кН); без модулей — 4976,5 кН, около 507 тс.
Настройка натяжителей: $1136{,}5\cdot 6/(5\cdot 0{,}95) = 1435{,}6$ кН.
Каждые +0,10 г/см³ раствора добавляют $0{,}00981\cdot 0{,}10\cdot 1225\cdot 0{,}18773\cdot 1000 = 225{,}6$ кН.

Ответ: Райзеру с модулями плавучести нужно не меньше 1136,5 кН (около 116 тс), а натяжители настраивают примерно на 1435,6 кН; без модулей понадобилось бы 4976,5 кН.

Что это значит. Модули сняли почти 90 % веса конструкции, и теперь 58 % натяжения приходится на раствор — его модули не компенсируют. Поэтому каждое утяжеление раствора требует проверки натяжения, а большой запас на райзер (следующий раздел) оплачивается ещё и нагрузкой на натяжители. При замене раствора в райзере морской водой — например, перед плановым отсоединением — натяжение падает почти до веса конструкции, и натяжители перенастраивают. Данные примера условные.

РасчётНаименьшее натяжение райзера с модулями плавучести из примера в зависимости от глубины моря для морской воды в канале и растворов 1,30 и 1,60 г/см³; расчёт по формуле выше. Разрыв между линиями — лишний вес раствора; точка — пример урока (1200 м, 1,14 МН).

Что меняется, если…

…море вдвое глубже — оба слагаемых вдвое больше: натяжение растёт почти пропорционально глубине;
…раствор тяжелее — растёт только второе слагаемое: под 1200 м воды примерно на 226 кН на каждые 0,10 г/см³;
…отказал натяжитель — натяжение сразу уменьшается на его долю: настройка с запасом на отказ оставляет райзеру наименьшее натяжение, а без такого запаса эффективная сила у низа стала бы отрицательной, и райзер начал бы изгибаться;
…модули плавучести набрали воду — растёт первое слагаемое; их состояние проверяют при каждом подъёме райзера.

Ветер, волны и течение сносят установку, и райзер наклоняется. Наклон у нижнего шарнира ограничен: при большом угле бурильные трубы трутся о шарнир и низ райзера, а сборка и головка изгибаются. Поэтому для каждой скважины задают допустимые смещения от точки над устьем: внутренний круг, за которым начинают готовиться к отсоединению, и внешний, за которым отсоединяются. Аварийное отсоединение (emergency disconnect sequence) идёт автоматически: срезающие плашки перерезают трубы в сборке и закрывают скважину, и нижний блок райзера отсоединяется. Насколько сильнее наклоняется низ райзера, чем верх, показывает расчёт в разделе для углублённого изучения.

Давления под глубокой водой: запас на райзер и линия дросселирования

Раствор в скважине с подводным устьем стоит столбом от выкидной линии на установке до забоя, поэтому его плотность, как и на суше, сравнивают с поровым давлением и давлением гидроразрыва в эквивалентных плотностях от стола ротора. У глубокой воды две особенности. Первая — окно узкое: горное давление на той же глубине от стола ротора меньше, чем на суше, потому что верхние сотни и тысячи метров столба — морская вода, а не порода (горное давление на море). Вторая — столб раствора выше дна существует, только пока райзер соединён со скважиной.

Если райзер отсоединят — по плану перед штормом или аварийно, когда установку сносит, — раствор над устьем сменит морская вода, и давление на забое упадёт. Запас на райзер (riser margin) — превышение плотности раствора над поровым давлением, при котором скважина остаётся задавленной и после отсоединения. После отсоединения на устье давит столб морской воды от уровня моря — ровно гидростатика моря, — поэтому раствору ниже дна остаётся удержать только превышение порового давления над гидростатикой морской воды.

Плотность раствора с запасом на райзер

\rho_{\text{р}} = \frac{\rho_{\text{пл}}\,H - \rho_{sw}\,h_w}{H - h_a - h_w}, \qquad \Delta\rho_{\text{р}} = \rho_{\text{р}} - \rho_{\text{пл}} = \frac{\rho_{\text{пл}}\,(h_a + h_w) - \rho_{sw}\,h_w}{H - h_a - h_w}

где:

$\rho_{\text{р}}$ плотность раствора, которая удержит пласт и после отсоединения райзера, г/см³
$\rho_{\text{пл}}$ поровое давление пласта в виде эквивалентной плотности от стола ротора, г/см³
$\Delta\rho_{\text{р}}$ запас на райзер, г/см³
$\rho_{sw}$ плотность морской воды, около 1,03, г/см³
$H$ глубина пласта по вертикали от стола ротора, м
$h_a,\ h_w$ высота стола ротора над уровнем моря и глубина моря, м

Единицы: плотности — в одинаковых единицах (г/см³), глубины — по вертикали в метрах

Справедливо, если

после отсоединения от уровня моря до устья стоит морская вода, ниже дна остаётся прежний раствор; высота сборки над дном не учтена;
давления гидростатические: циркуляции нет, раствор не загазован;
считают для самого напорного пласта открытого ствола; если $\rho_{\text{р}}$ больше эквивалентной плотности гидроразрыва под башмаком, запас недостижим.

Числитель — недостача давления: столб высотой $h_a + h_w$ , который при равновесии «стоил» $\rho_{\text{пл}}$ , после отсоединения стоит $\rho_{sw}$ на высоте $h_w$ и ничего — над водой. Восполнить её может только раствор ниже дна, поэтому в знаменателе — длина ствола ниже дна. Чем глубже море и чем ближе пласт к дну, тем больше запас.

Расчётный примерЗапас на райзер для пласта на 1500 м ниже дна

Исходные данные (условные)

Скважина: учебная: стол ротора на 25 м над морем, глубина моря 1200 м, кондуктор на 700 м ниже дна
Пласт: на 1500 м ниже дна; давление на 4,0 МПа выше гидростатики морской воды от уровня моря (условно)
Модель окна под башмаком: осадки 2,0 г/см³, давление гидроразрыва $p_f = p_p + 0{,}6\,(\sigma_v - p_p)$ (оценка через эффективное напряжение); у башмака давление гидростатическое
Раствор при бурении: 1,19 г/см³

Решение

Глубина пласта от стола ротора: $H = 25 + 1200 + 1500 = 2725$ м. Поровое давление: $p_p = 0{,}00981\cdot 1{,}03\cdot 2700 + 4{,}0 = 31{,}282$ МПа, эквивалентная плотность от стола ротора $\rho_{\text{пл}} = 31{,}282/(0{,}00981\cdot 2725) = 1{,}170$ г/см³.
После отсоединения над устьем — морская вода с давлением у дна $0{,}00981\cdot 1{,}03\cdot 1200 = 12{,}125$ МПа; остальное даёт раствор на 1500 м ниже дна: $\rho_{\text{р}} = (31{,}282 - 12{,}125)/14{,}715 = 1{,}302$ г/см³, где $14{,}715 = 0{,}00981\cdot 1500$ . Запас на райзер $1{,}302 - 1{,}170 = 0{,}132$ г/см³; формула выше даёт то же.
Гидроразрыв под башмаком кондуктора: горное давление $0{,}00981\cdot(1{,}03\cdot 1200 + 2{,}0\cdot 700) = 25{,}859$ МПа, поровое $0{,}00981\cdot 1{,}03\cdot 1900 = 19{,}198$ МПа, давление гидроразрыва $19{,}198 + 0{,}6\cdot(25{,}859 - 19{,}198) = 23{,}195$ МПа, или $23{,}195/18{,}884 = 1{,}228$ г/см³ от стола ротора ( $18{,}884 = 0{,}00981\cdot 1925$ ).
Для запаса на райзер нужен раствор 1,302 г/см³, а порода под башмаком выдержит не больше 1,228: такой раствор её разорвёт. Бурят раствором 1,19 г/см³ — между 1,170 и 1,228.
Если отсоединиться с этим раствором, давление у пласта станет $0{,}00981\cdot(1{,}03\cdot 1200 + 1{,}19\cdot 1500) = 29{,}636$ МПа — на 1,65 МПа ниже порового.

Ответ: Запас на райзер — 0,132 г/см³ (раствор 1,302 г/см³), но он недостижим: под башмаком допустимо не больше 1,228 г/см³. Для того же разреза он был бы достижим под водой мельче 679 м.

Что это значит. Под глубокой водой это обычный случай. Тогда интервал бурят без полного запаса, а при отсоединении скважину держат превенторы: перед плановым отсоединением её закрывают плашками, аварийное отсоединение начинается с автоматического закрытия срезающих плашек. Плата — до возвращения установки скважина остаётся на одном барьере, закрытой сборке. Другие выходы — спустить кондуктор глубже или добавить колонну, бурить с управляемым давлением или с двумя градиентами (раздел для углублённого изучения). Данные примера условные.

РасчётОдин и тот же разрез под разной глубиной моря (модель примера): поровое давление пласта на 1500 м ниже дна и давление гидроразрыва под башмаком на 700 м ниже дна в эквивалентных плотностях от стола ротора и плотность, нужная для запаса на райзер. Правее точки пересечения запас на райзер недостижим.

Второе отличие подводного устья — глушение через длинную линию. При проявлении скважину закрывают превенторами на дне, и поток идёт на дроссель установки по линии дросселирования, проложенной вдоль райзера (Глушение скважины после проявления). На суше эта линия — десятки метров, и трение в ней ничтожно; под 1200 м воды она длиннее километра и узкая, поэтому трение в ней складывается с давлением на дросселе и давит на всю скважину ниже сборки — и на слабую породу под башмаком.

Расчётный примерПотери на трение в линии дросселирования

Исходные данные (условные)

Линия дросселирования: внутренний диаметр 76,2 мм (3″), длина от сборки до дросселя 1225 м
Подача при глушении: 6 л/с (0,36 м³/мин)
Раствор: 1,19 г/см³; реология — как в примерах урока о потерях давления: в трубах $n = 0{,}670$ , $K = 0{,}345$ Па·сⁿ
Под башмаком кондуктора: гидроразрыв 1,228 г/см³ (пример выше), 1925 м от стола ротора

Решение

Площадь канала $\pi\cdot 0{,}0762^2/4 = 0{,}004560$ м², скорость $v = 0{,}006/0{,}004560 = 1{,}316$ м/с.
Обобщённое число Рейнольдса (формула) — около 1628, меньше границы $3470 - 1370\cdot 0{,}670 = 2552$ : течение ламинарное.
Ламинарные потери степенной жидкости в трубе (формула) — 531,2 Па/м; на всю линию $531{,}2\cdot 1225 = 650{,}7$ кПа, то есть 0,651 МПа.
Допустимое давление на устье в затрубье при этом растворе (MAASP): $(1{,}228 - 1{,}19)\cdot 0{,}00981\cdot 1925 = 0{,}72$ МПа.
Потери в линии составляют 90 % этого запаса.

Ответ: На подаче 6 л/с линия дросселирования «съедает» 0,651 МПа — около 90 % допустимого давления в затрубье на устье (MAASP).

Что это значит. Если при запуске насоса держать давление на дросселе прежним, как на суше, давление во всей скважине ниже сборки вырастет на 0,651 МПа, и порода под башмаком окажется на грани разрыва. Поэтому потери в линии измеряют заранее — по разности давлений на стояке при циркуляции на пониженной подаче через линию дросселирования и через райзер, — а при запуске насоса уменьшают давление на дросселе на эту величину, следя за давлением в неподвижной линии глушения: она показывает давление у сборки. Если потери больше давления закрытой скважины, их не убрать даже полностью открытым дросселем — тогда глушат на меньшей подаче или пускают поток сразу по двум линиям. Данные примера условные.

Газ под закрытой сборкой. После глушения под закрытым превентором может остаться газ; если открыть сборку, он уйдёт в райзер. Его осторожно вымывают через линию дросселирования, прежде чем открывать превенторы.
Газ в райзере. Газ, проскочивший выше сборки до её закрытия, поднимается по райзеру и у поверхности быстро расширяется (поведение газа в стволе); его отводят дивертором.
Холод у дна. Под глубокой водой у дна несколько градусов тепла, и в сборке и линиях при остановке циркуляции могут образоваться газовые гидраты; их предупреждают закачкой ингибиторов и выбором раствора.

Верхняя часть разреза: газ и пески под давлением

Первые сотни метров под дном бурят, когда в скважине ещё нет ни райзера, ни превенторов, а порода у башмака направления слабее, чем где-либо ниже. Закрыть скважину здесь нельзя, поэтому опасности этого интервала стараются не встретить, а обойти.

Неглубокий газ (shallow gas) — газ в песках под мелкими глинистыми покрышками на глубине десятков и сотен метров. На установке с опорой на дно поток отводят дивертором; плавучая установка бурит этот интервал без райзера, газ выходит у дна и поднимается к поверхности. Пузыри снижают плотность воды над устьем и могут ухудшить плавучесть и остойчивость установки, поэтому её готовы отвести от места выхода газа.
Пески с водой под давлением (shallow water flow) — в быстро накопившихся глубоководных осадках песок под плохо уплотнённой глиной может иметь давление выше гидростатического. Вода с песком выходит по затрубью на дно, размывает грунт вокруг направления, и оно может просесть или наклониться — опору устья уже не исправить.
Газовые гидраты в осадках — на большой глубине моря холодно и давление высокое, и у дна в порах бывает гидрат; при разложении от тепла циркуляции он выделяет газ и ослабляет грунт.
Неровности и неустойчивость дна — валуны, погребённые русла, крутые склоны и оползни; они опасны и для направления, и для опор самоподъёмной установки.
Лёд — на замерзающем мелководье дрейфующий лёд давит на сооружения, а торосы бороздят дно; подводное устье на малой глубине оказалось бы под угрозой. На северном Каспии оператор называет подвижки льда и борозды на дне среди главных ограничений для строительства и работы.

Защита — прежде всего прогноз: инженерные изыскания и высокоразрешающая сейсморазведка площадки (газонасыщенные пески выдают аномалии амплитуд — прямые признаки углеводородов), выбор точки в стороне от аномалий, данные соседних скважин. Затем — способ бурения: пилотный ствол малого диаметра (поток из узкого ствола меньше, и его легче задавить), утяжелённый раствор наготове, частые замеры и наблюдение за устьем камерой подводного аппарата.

Расчётный примерКакой раствор удержит песок, когда возврат идёт на дно

Исходные данные (условные)

Скважина: учебная: глубина моря 1200 м, ствол 660,4 мм (26″) под кондуктор бурят без райзера
Песок: на 350 м ниже дна; давление на 0,50 МПа выше гидростатики морской воды от уровня моря (условно)
Утяжелённый раствор наготове: 1,25 г/см³ (условно)

Решение

Пока ствол промывают морской водой, давление в нём у песка — гидростатика моря: $0{,}00981\cdot 1{,}03\cdot(1200 + 350) = 15{,}662$ МПа, а в песке $15{,}662 + 0{,}50 = 16{,}162$ МПа — вода с песком пойдёт в скважину.
Над устьем всё равно стоит морская вода, поэтому жидкость ниже дна должна быть не легче $1{,}03 + 0{,}50/(0{,}00981\cdot 350) = 1{,}176$ г/см³.
С раствором 1,25 г/см³ давление у песка $0{,}00981\cdot(1{,}03\cdot 1200 + 1{,}25\cdot 350) = 16{,}417$ МПа — на 0,255 МПа выше, чем в песке.
Объём ствола 660,4 мм — $\pi\cdot 0{,}6604^2/4 = 0{,}3425$ м³ на метр; от башмака направления (75 м) до башмака кондуктора (700 м) — $0{,}3425\cdot 625 = 214$ м³ без учёта каверн.

Ответ: Морская вода песок не удержит; нужен раствор не легче 1,176 г/см³. Раствор 1,25 г/см³ даёт 0,255 МПа запаса, но каждое заполнение открытого ствола — это около 214 м³ раствора, оставленного на дне.

Что это значит. Поэтому верхний интервал бурят морской водой с вязкими пачками, а утяжелённый раствор готовят заранее в больших объёмах и закачивают при признаках притока и перед спуском кондуктора. В Казахстане при разведке и добыче углеводородов на море сброс отходов в море и их захоронение на дне моря запрещены (Кодекс о недрах, статья 159), а для заповедной зоны северного Каспия Экологический кодекс прямо называет шлам и растворы отходами бурения: в недра их закачивают только после обезвреживания, предусмотренного проектом, а не использованные повторно и не закачанные обезвреживают и хранят на полигоне вне зоны (статья 274, п. 7 и 9). На мелководье северного Каспия выпуск раствора на дно и не нужен: там бурят с островов и барж с надводным устьем, и раствор возвращается на поверхность. Данные примера условные.

Заканчивание, консервация и ликвидация подводной скважины

Пробуренную подводную скважину либо сразу заканчивают, либо консервируют, чтобы вернуться к ней позже — с той же или другой установкой. В обоих случаях правило одно: прежде чем снять превенторы, между пластом и морем должно стоять не меньше двух независимых испытанных барьеров (первичный и вторичный контроль) — например, пакер с насосно-компрессорными трубами (НКТ) и пробкой и опрессованная колонна с подвеской и уплотнением.

Два типа подводной фонтанной арматуры

: Где подвеска НКТ
Вертикальная: в устьевой головке, под арматурой
Горизонтальная: в корпусе самой арматуры

: Порядок работ
Вертикальная: НКТ спускают через превенторы, ставят пробки, снимают превенторы и ставят арматуру
Горизонтальная: на головку ставят арматуру, на неё — превенторы, НКТ спускают через них в арматуру

: Главные задвижки
Вертикальная: в вертикальном проходе над подвеской
Горизонтальная: на боковом отводе; вертикальный проход закрыт пробками

: Ремонт с подъёмом НКТ
Вертикальная: нужно снимать арматуру
Горизонтальная: НКТ поднимают, не снимая арматуру

	Вертикальная	Горизонтальная
Где подвеска НКТ	в устьевой головке, под арматурой	в корпусе самой арматуры
Порядок работ	НКТ спускают через превенторы, ставят пробки, снимают превенторы и ставят арматуру	на головку ставят арматуру, на неё — превенторы, НКТ спускают через них в арматуру
Главные задвижки	в вертикальном проходе над подвеской	на боковом отводе; вертикальный проход закрыт пробками
Ремонт с подъёмом НКТ	нужно снимать арматуру	НКТ поднимают, не снимая арматуру

Выбор зависит от того, как часто ожидают ремонтов с подъёмом НКТ, от размеров колонны НКТ и от того, какой установкой будут вести работы.

При вертикальной арматуре заканчивание идёт так. Колонну НКТ с пакером, клапаном-отсекателем и линией его управления (Оборудование лифтовой колонны) спускают через райзер и превенторы на спускной колонне и сажают подвеску в головку. Испытывают давлением колонну, пакер, уплотнения подвески и работу клапана-отсекателя, ставят пробки в НКТ — и только с этими барьерами снимают сборку превенторов. Арматуру спускают на специальном райзере с собственным небольшим блоком превенторов и пультом управления, защёлкивают на головке и испытывают. Затем перфорируют, вызывают приток и очищают скважину, закрывают её задвижками, ставят колпак арматуры. Подключают скважину к трубопроводу и кабелю управления позже, со специального судна.

При консервации в скважине ставят мосты или пробки, так что пласт отделяют два барьера, а головку закрывают защитным колпаком от коррозии и ила; скважину отмечают на картах и следят за ней. Позже к ней возвращаются: снимают колпак, ставят превенторы и райзер и продолжают работу.

Ликвидация подводной скважины начинается так же, как на суше: цементные мосты против пластов, у башмаков и у поверхности (ликвидация и консервация скважин). Потом все колонны режут ниже дна — механическим или гидроабразивным резаком изнутри, — поднимают головку с обрезками колонн и направляющую раму, а дно обследуют и очищают. На каких глубинах резать, задают национальные правила. Ликвидация требует установки или специального судна и дорога, поэтому её планируют и обеспечивают ещё при разработке месторождения.

Казахстан: проект для морской скважины: морские скважины, как и сложные, консервируют и ликвидируют по проекту лицензированной проектной организации, прошедшему экспертизы (Правила консервации и ликвидации при проведении разведки и добычи углеводородов, приказ Министра энергетики № 200 от 22 мая 2018 года, приложение 8, п. 5, 8–9).
Консервация морской скважины (п. 17, 20): ствол заполняют буровым раствором, обработанным поверхностно-активными веществами и нейтрализаторами, с гидростатическим давлением на 15 % выше пластового; у интервала перфорации ставят цементный мост — пункт 17, который относится к сложным и морским скважинам, требует над перфорацией не менее 100 м, а пункт 20 называет для морской скважины мост «высотой 50 метров на 20 метров ниже интервала перфорации и на 50 метров выше»; на устье — цементный мост мощностью не менее 50 м; противовыбросовое оборудование на время консервации не снимают; на устье ставят консервационный акустический датчик; устье и дно вокруг осматривают водолазы на предмет навигационных опасностей и составляют акт (п. 20).
Ликвидация морской скважины (п. 36–38): все обсадные колонны обрезают ниже дна моря, устье заполняют цементным раствором до уровня дна; после его затвердевания устье и прилегающее дно укрывают крупногабаритными бетонными плитами или блоками; водолазы обследуют дно, а акт обследования с координатами передают службе, отвечающей за безопасность судоходства.
Экологический кодекс, статья 279: при консервации скважины после испытаний сохраняют буровое основание и надёжно герметизируют скважину до возобновления работ (п. 2); скважины, пробуренные с насыпного основания — подводной бермы или острова, — при ликвидации герметизируют и следят за искусственным основанием, предварительно очистив его от загрязнения; если остров размыт, его обозначают вехой или бакеном до окончательной нивелировки, а координаты передают для морских карт (п. 3); при ликвидации скважин, пробуренных с платформ, платформы полностью демонтируют, а оголовки скважин срезают на уровне дна (п. 4).

Изложение — по текстам на октябрь 2026 года. Пункты 17 и 20 по-разному задают мост над перфорацией: в первом — не менее 100 м, во втором — «высотой 50 метров» с выходом на 20 и 50 м за интервал; в казахском тексте пункта 20 стороны переставлены — 20 м выше и 50 м ниже интервала. Общие требования к мостам при ликвидации сложных и морских скважин (п. 31 того же приложения) разобраны в уроке о ремонтном цементировании; конкретную скважину консервируют и ликвидируют по её проекту, прошедшему экспертизы.

Северный Каспий: мелководье, лёд и заповедная зона

Первый крупный морской проект Казахстана — освоение месторождения Кашаган на мелководье северного Каспия. Его коллектор лежит примерно в 80 км от Атырау под 3–4 м воды и залегает глубже 4 км — около 4200 м ниже дна, давление в нём высокое, в нефти и газе много сероводорода и углекислого газа. Из-за притока пресной волжской воды, мелководья и холодных зим этот участок моря покрыт льдом около пяти месяцев в году, а подвижки льда и борозды, которые лёд оставляет на дне, оператор называет среди главных ограничений для строительства, добычи и снабжения (данные оператора на октябрь 2026 года).

Ни плавучая установка, ни подводное устье здесь не годятся: плавучей установке не хватит глубины, а устье на дне в нескольких метрах от поверхности снёс бы лёд. Первую разведочную скважину Восточный Кашаган-1 начали бурить в августе 1999 года с переоборудованной для Каспия буровой баржи «Сункар»; об открытии объявили летом 2000 года. Для разработки построили искусственные острова: морской комплекс сегодня — пять островов. Остров D — центр добычи, первичной сепарации и обратной закачки газа, остров A и острова EPC-2, EPC-3 и EPC-4 — острова бурения и добычи; бурение на острове D начали в июле 2006 года двумя буровыми установками. Нефть и газ по промысловым трубопроводам идут на берег, на установку «Болашак» (обустройство на море).

На острове буровая стоит почти как на суше: устье и превенторы над поверхностью, обычная колонная обвязка, а с одного острова бурят несколько наклонных скважин к разным участкам залежи (Наклонно-направленные скважины: применение и профиль). Морская специфика — в снабжении и сезонах: главная база снабжения Баутино расположена в незамерзающем Тупкараганском заливе, примерно в 280 км по прямой к юго-западу от месторождения; зимой море у месторождения подо льдом, а часть работ в заповедной зоне ограничена по сезонам (ниже).

Работы на море регулируют глава Кодекса о недрах о разведке и добыче углеводородов на море и глава Экологического кодекса о государственной заповедной зоне в северной части Каспийского моря. Северо-Каспийскому проекту ещё в 1993 году разрешили работать при условии соблюдения особых экологических требований к деятельности в этой зоне (по данным оператора). Для строительства скважин главное — по текстам кодексов на октябрь 2026 года:

Кодекс о недрах, статья 154: искусственные острова, дамбы, сооружения, установки, трубопроводы и другие объекты разведки и добычи на море — морские объекты (п. 4); при разведке на море бурить скважины можно только после всех необходимых геофизических и сейсмических исследований и при выполнении требований готовности к разливам нефти (п. 10); скважину, не предусмотренную утверждённым и прошедшим экспертизы проектом бурения, бурить запрещено — кроме глушащей скважины при открытом фонтане, который иначе не взять под контроль, с уведомлением компетентного органа (п. 11).
Кодекс о недрах, статьи 155–159: разливы нефти делятся на три уровня — до 10 т, от 10 до 250 т и от 250 т (ст. 155); работать на объекте с риском разлива можно только при оценке риска, утверждённом плане и ресурсах для ликвидации, а ресурсы для разлива первого уровня должны быть на морском объекте или в пределах 30-минутной досягаемости (ст. 156); морские объекты создают и размещают по разрешению, вокруг них — зоны безопасности 500 м, а после окончания работы их демонтируют, если их нельзя использовать дальше (ст. 157); хранить нефть на море нельзя, кроме временного хранения до 20 календарных дней при вывозе танкерами прямо с морских объектов (ст. 158); сбрасывать в море и захоранивать на дне отходы запрещено, сточные воды сбрасывают только по разрешению после очистки до нормативов (ст. 159).
Экологический кодекс, статья 269: с 1 апреля по 15 июля в приустьевых районах Урала и Волги (в радиусе 50 км от выдвинутых в море точек их дельт) и в 15-километровой прибрежной полосе между ними и далее на восток до реки Эмбы запрещены строительные и геофизические работы, испытания скважин и судоходство (кроме судов рыбного промысла, навигационного обеспечения и научных работ); добыча в это время переходит на автономное снабжение, а отходы накапливают до конца запрета; с октября по май операции ведут не ближе 1852 м (одной морской мили) от мест концентрации каспийского тюленя; строительство буровых оснований, испытания скважин и судоходство ограничивают уже при проектировании. Внутри зоны выделяют заповедные участки, где запрещена любая деятельность.
Экологический кодекс, статьи 273–274: взрывные работы в толще воды и на дне запрещены, под дном — только по разрешению; сбрасывать в море отходы нельзя, сточные воды — тоже, кроме ограниченного перечня очищенных вод по разрешениям; сжигать флюиды на факеле при эксплуатации скважин запрещено, кроме угрозы аварии, а при испытаниях — по минимуму, наилучшей доступной техникой и только при погоде, рассеивающей дым; отходы бурения закачивают в недра только после обезвреживания, предусмотренного проектом, а не закачанные и не использованные повторно обезвреживают и хранят на полигоне вне заповедной зоны, введённом до начала бурения; в буровых и тампонажных растворах — только вещества, согласованные в утверждённом проекте; в водоохранной зоне и на мелководных прибрежных участках глубиной до 10 м скважины бурят установками с электроприводом от внешних сетей, а при дизельном приводе выпуск неочищенных выхлопных газов сводят к минимуму.
Экологический кодекс, статья 280: недропользователь ведёт ежегодный производственный мониторинг по сезонам на всей контрактной территории, кроме зимнего мониторинга на покрытой льдом акватории.

Изложение краткое и не заменяет текстов кодексов: конкретные требования к скважине задают её проект, прошедший экспертизы, экологические разрешения и правила промышленной безопасности (Государственное регулирование освоения месторождений).

Термины и обозначения

Водоотделяющая колонна (райзер): колонна труб между подводной сборкой превенторов и плавучей установкой: канал для раствора и инструмента, несёт линии дросселирования и глушения.
Нижний блок райзера (LMRP): отсоединяемая верхняя часть подводной сборки с универсальными превенторами и управлением.
Корпус низкого давления: опорный корпус на направлении; в нём сидит головка высокого давления.
Головка высокого давления: корпус на кондукторе с проходом 476 мм (18¾″): в нём подвешивают и уплотняют все следующие колонны, на него ставят превенторы и арматуру.
Установка направления размывом: погружение направления в мягкий грунт под собственным весом, пока струя воды размывает грунт у башмака (jetting).
Подвесная система у дна: подвески колонн на уровне дна у скважин самоподъёмных установок (mudline suspension).
Запас на райзер: превышение плотности раствора, при котором скважина задавлена и после отсоединения райзера.
Динамическое позиционирование: удержание плавучей установки над точкой подруливающими устройствами по сигналам навигационных систем (DP).
Потери в линии дросселирования: трение в длинной линии от подводной сборки до дросселя; при глушении добавляются к давлению в скважине (choke line friction).
Вертикальная и горизонтальная арматура: подводная фонтанная арматура с подвеской НКТ в головке под арматурой или в самой арматуре.

Частые ошибки и заблуждения

Неверно

«Глубокая вода — это просто длиннее колонна; конструкция скважины та же, что на суше».

На самом деле

Вода легче породы, поэтому горное давление и давление гидроразрыва в верхних интервалах ниже, а окно уже — колонн нужно больше. Верхние интервалы бурят без райзера и превенторов, а глушат через длинную линию с большим трением.

Неверно

«Модули плавучести снимают нагрузку и от раствора».

На самом деле

Модули уменьшают вес конструкции. Лишний вес раствора $A_{\text{в}}(p_m - p_{sw})$ остаётся на натяжителях и растёт с его плотностью.

Неверно

«Раз раствор держит пласт с запасом, отсоединение райзера ничем не грозит».

На самом деле

После отсоединения столб раствора над дном заменяет морская вода. Без запаса на райзер пласт уже не задавлен, и скважину держат только закрытые плашки.

Неверно

«На мелководье плавучей установке работать проще, чем на глубине».

На самом деле

Наклон райзера определяется отношением смещения к глубине: на малой глубине тот же снос даёт в разы больший угол. А на глубине в несколько метров плавучая установка вообще не встанет — там бурят с барж и островов, а на глубинах в десятки метров — с самоподъёмных установок.

Неверно

«Ликвидировать подводную скважину — значит поставить мосты».

На самом деле

Нужно ещё срезать колонны ниже дна, поднять устьевое оборудование, обследовать и очистить дно. В Казахстане устье морской скважины заполняют цементом до уровня дна, укрывают бетонными плитами, а акт с координатами передают службе безопасности судоходства.

Подробно: для продвинутых

Почему низ райзера отклоняется сильнее верха

Если на райзер не действуют течение и волны, горизонтальная составляющая силы в нём одна и та же по всей длине: она передаётся от установки к устью. Эта составляющая равна натяжению, умноженному на наклон, $T\,\dd y/\dd z$ . Эффективное натяжение растёт снизу вверх на вес каждого метра, поэтому там, где натяжение меньше — внизу, — райзер наклонён сильнее. Проинтегрировав наклон по длине при натяжении, линейном по высоте, получаем углы на концах.

Углы у низа и у верха натянутого райзера

\operatorname{tg}\theta_{\text{н}} = \frac{T_{\text{в}} - T_{\text{н}}}{T_{\text{н}}\,\ln(T_{\text{в}}/T_{\text{н}})}\cdot\frac{x}{L}, \qquad \operatorname{tg}\theta_{\text{в}} = \frac{T_{\text{н}}}{T_{\text{в}}}\,\operatorname{tg}\theta_{\text{н}}

где:

$\theta_{\text{н}},\ \theta_{\text{в}}$ углы райзера с вертикалью у нижнего и у верхнего шарнира, °
$T_{\text{в}},\ T_{\text{н}}$ эффективное натяжение у верха (у поверхности воды) и у низа райзера, кН
$x$ смещение установки от точки над устьем, м
$L$ длина райзера (здесь — глубина моря), м

Единицы: любые согласованные: натяжения в одних единицах, $x$ и $L$ — в одних

Справедливо, если

райзер — натянутая нить: изгибная жёсткость сказывается только у концов; течения и волн нет, смещение статическое;
эффективный вес метра одинаков по длине, натяжение растёт снизу вверх линейно: $T_{\text{в}} - T_{\text{н}} = w\,L$ ;
верх райзера взят у поверхности воды, участок над водой до верхнего шарнира не учтён: с ним при том же смещении углы немного меньше, и расчёт идёт в запас;
углы малые: тангенс близок к углу в радианах.

Первый множитель показывает, во сколько раз угол внизу больше среднего наклона $x/L$ . Он тем больше, чем меньше натяжение у низа: при $T_{\text{н}} \to 0$ угол внизу растёт без ограничения — поэтому натяжение задают с запасом над наименьшим. Допустимое смещение пропорционально глубине моря, и его задают в процентах глубины.

Расчётный примерУглы райзера при смещении на 1 % глубины моря

Исходные данные (условные)

Райзер: из примера о натяжении: $T_{\min} = 1136{,}5$ кН, натяжители настроены на 1435,6 кН, $\eta = 0{,}95$ , все исправны
Глубина моря и смещение установки: 1200 м; 12 м
Допустимый угол нижнего шарнира: 2° (условно)

Решение

Натяжение у верха — у поверхности воды: сила натяжителей без столба раствора над морем, который они тоже держат, $1435{,}6\cdot 0{,}95 - 59{,}85 = 1304{,}0$ кН, где $59{,}85 = 0{,}18773\cdot 0{,}00981\cdot 1{,}30\cdot 25\cdot 1000$ . У низа $1435{,}6\cdot 0{,}95 - 1136{,}5 = 227{,}3$ кН; отношение 5,74.
Множитель: $(1304{,}0 - 227{,}3)/(227{,}3\cdot\ln 5{,}74) = 2{,}71$ .
Средний наклон $\operatorname{arctg}(12/1200) = 0{,}573$ °; угол внизу $\operatorname{arctg}(2{,}71\cdot 0{,}01) = 1{,}55$ °, вверху — 0,27°.
Допустимое смещение при 2° внизу: $1200\cdot\operatorname{tg} 2°/2{,}71 = 15{,}5$ м — 1,29 % глубины моря; под 100 м воды при том же отношении натяжений — всего 1,29 м.

Ответ: При смещении на 1 % глубины моря нижний шарнир отклонится на 1,55° — почти втрое больше среднего наклона, верхний — на 0,27°; допустимое смещение — около 15,5 м.

Что это значит. Самое уязвимое место райзера — низ: там и наибольший угол, и наименьшее натяжение. Если откажет натяжитель, натяжение у низа упадёт до нуля (так рассчитана настройка), и при том же сносе угол там резко вырастет — поэтому при отказе натяжителя сразу проверяют, не пора ли отсоединяться. Расчёт показывает и то, почему плавучей установке тесно на мелководье: допустимый круг пропорционален глубине. Реальные углы считают по программам с течением, волнами и изгибной жёсткостью. Данные примера условные.

Какую нагрузку держит направление в грунте

Направление, установленное размывом, держится силой сцепления грунта с его наружной стенкой; опорой под открытым торцом трубы в мягкой глине пренебрегают. Сцепление выражают долей $\alpha$ от прочности глины на сдвиг без дренирования $s_u$ , которая растёт с глубиной. Сразу после размыва грунт у стенки перемят и разжижен, и $\alpha$ мала; со временем избыточное давление в порах рассеивается, глина восстанавливает структуру, и сцепление растёт в разы. Поэтому после установки выдерживают время, прежде чем отсоединять инструмент и тем более нагружать направление.

Несущая способность направления по боковой поверхности

Q = \pi D\,\alpha\int_0^{L} s_u(z)\,\dd z = \pi D\,\alpha\left(s_{u0}\,L + \frac{k\,L^2}{2}\right) \quad \text{при}\ s_u = s_{u0} + k\,z

где:

$Q$ сила, которую грунт удерживает трением и сцеплением по стенке, кН
$D$ наружный диаметр направления, м
$\alpha$ доля прочности глины, реализуемая на стенке: мала сразу после размыва, растёт со временем, —
$s_u,\ s_{u0}$ прочность глины на сдвиг без дренирования на глубине $z$ и у дна, кПа
$k$ прирост прочности с глубиной, кПа/м
$L,\ z$ длина направления в грунте и глубина ниже дна, м

Единицы: кН, м, кПа

Справедливо, если

мягкая глина; опорой под торцом открытой трубы пренебрегаем — это идёт в запас;
$s_u$ и $\alpha$ берут по инженерным изысканиям и опыту установки на соседних скважинах; значения в примере условные;
циклический изгиб от райзера и сборки со временем ослабляет грунт у верха направления — его учитывают отдельно.

Прочность растёт с глубиной, поэтому несущая способность растёт быстрее длины: если прочность у дна мала по сравнению с её приростом по длине, как в примере ниже, удлинение направления в полтора раза увеличивает её больше чем вдвое (при $s_{u0} = 0$ — в 2,25 раза).

Расчётный примерДлина направления, установленного размывом

Исходные данные (условные)

Направление: 914,4 мм (36″), стенка 25,4 мм; вес в воде 4,75 кН/м, корпуса низкого давления — 90 кН (условно)
Грунт: мягкая глина, $s_u = 2 + 1{,}5\,z$ кПа (условно)
Коэффициент $\alpha$: сразу после размыва 0,25, после выдержки в несколько суток 0,75 (условно)
Нагрузка к установке превенторов: 4000 кН с учётом коэффициента запаса (условно)

Решение

Несущая способность: $Q = \pi\cdot 0{,}9144\cdot\alpha\cdot(2L + 0{,}75L^2)$ кН.
После выдержки ( $\alpha = 0{,}75$ ): $0{,}75L^2 + 2L = 4000/(\pi\cdot 0{,}9144\cdot 0{,}75) = 1856{,}6$ , откуда $L = 48{,}4$ м.
Если бы нагрузку пришлось нести сразу после размыва ( $\alpha = 0{,}25$ ): $0{,}75L^2 + 2L = 5569{,}7$ , $L = 84{,}9$ м.
Проверка сразу после отсоединения инструмента для направления длиной 50 м: грунт держит $\pi\cdot 0{,}9144\cdot 0{,}25\cdot(2\cdot 50 + 0{,}75\cdot 50^2) = 1418$ кН, а направление с корпусом весит в воде $4{,}75\cdot 50 + 90 = 327{,}5$ кН.

Ответ: С выдержкой хватит направления длиной около 48,4 м — с округлением 50 м; без выдержки понадобилось бы 84,9 м. Сразу после установки 50-метровое направление держит 1418 кН при собственном весе 327,5 кН и не просядет.

Что это значит. Время работает на грунт: несколько суток между установкой направления и спуском превенторов почти вдвое сокращают нужную длину. Реальную длину выбирают с запасом на неопределённость прочности глины, на размыв грунта у дна выходящим потоком и на изгиб от райзера; длину и время выдержки уточняют по опыту соседних скважин. Данные примера условные.

Когда окна не хватает: управляемое давление и два градиента

Узкое окно под глубокой водой — следствие того, что над дном стоит столб раствора, а не морской воды. Поэтому развивают способы бурения, которые меняют этот столб. При бурении с управляемым давлением (managed pressure drilling, MPD) затрубье под вращающимся герметизатором закрывают, а давление на забое регулируют дросселем на поверхности: раствор можно взять легче, а при остановке насоса добавить противодавление. При двухградиентном бурении (dual-gradient drilling) раствор с устья поднимают на установку насосом, стоящим на дне, по отдельной линии, а над дном в райзере остаётся жидкость плотностью морской воды — или уровень раствора в райзере понижают насосом. Тогда давление на устье равно гидростатике моря, как у скважины без райзера.

Расчётный примерОкно учебной скважины при двух градиентах

Исходные данные (условные)

Скважина и пласт: из примера о запасе на райзер: пласт на 1500 м ниже дна с поровым давлением 31,282 МПа, давление гидроразрыва под башмаком на 700 м ниже дна 23,195 МПа
Над дном: столб плотностью морской воды; давление у дна 12,125 МПа

Решение

Нижняя граница плотности раствора ниже дна — поровое давление: $(31{,}282 - 12{,}125)/(0{,}00981\cdot 1500) = 1{,}302$ г/см³.
Верхняя — гидроразрыв под башмаком: $(23{,}195 - 12{,}125)/(0{,}00981\cdot 700) = 1{,}612$ г/см³.
С раствором 1,35 г/см³ давление у пласта $12{,}125 + 0{,}00981\cdot 1{,}35\cdot 1500 = 31{,}990$ МПа — на 0,71 МПа выше порового; под башмаком $12{,}125 + 0{,}00981\cdot 1{,}35\cdot 700 = 21{,}395$ МПа — на 1,80 МПа ниже давления гидроразрыва.
При одном градиенте с раствором 1,19 г/см³ те же запасы были 0,53 и 0,72 МПа.

Ответ: При двух градиентах плотность раствора ниже дна можно выбирать от 1,302 до 1,612 г/см³, и запас на райзер не нужен: отсоединение не меняет давления у дна.

Что это значит. Окно в плотностях не сравнивают напрямую с прежним — изменилась точка отсчёта. Сравнивают давления: с раствором 1,35 г/см³ запас над поровым давлением и запас до гидроразрыва под башмаком оба больше, чем при одном градиенте. Причина в том, что выше дна давление теперь растёт с градиентом морской воды, а ниже дна — с градиентом раствора, близким к росту давлений в породе. Плата — подводные насосы, отдельная линия и сложное управление, поэтому такие системы применяют там, где обычная конструкция требует слишком многих колонн. Данные примера условные.

Связь с другими темами

Противовыбросовое оборудование — превенторы, дивертор и подводная сборка в общих чертах.
Устьевое оборудование и спуск обсадных колонн — колонные головки, подвески и уплотнения на суше — подводная головка устроена по тем же принципам.
Обсадные колонны: назначение, типы, свойства и стандарты — назначение колонн, направление и кондуктор, сочетания колонн и долот.
Поровое и горное давление — горное давление на море и эквивалентные плотности от стола ротора.
Градиент гидроразрыва и испытание на поглощение — давление гидроразрыва, испытание на поглощение и MAASP.
Контроль скважины: первичный барьер и признаки проявления — барьеры, признаки проявления и поведение газа в стволе.
Глушение скважины после проявления — глушение через дроссель; у подводного устья к нему добавляются потери в линии дросселирования.
Расчёт бурильной колонны — эффективная осевая сила — та же, что в расчёте натяжения райзера.
Потери давления при циркуляции — потери давления на трение в трубах — для линии дросселирования.
Первичное цементирование — цементирование направления и кондуктора через внутреннюю колонну.
Ремонтное цементирование, цементные мосты и оценка качества — цементные мосты и требования казахстанских правил к ликвидации скважин.
Оборудование лифтовой колонны — пакер, клапан-отсекатель и подвеска НКТ подводного заканчивания.
Концепции обустройства месторождений — платформы, подводные подключения и искусственные острова как способы обустройства.
Сроки и стоимость бурения — время и стоимость скважины; на море — дорогая установка, погода и лёд.

Проверьте себя

1
Разведочную скважину бурят под 600 м воды. Где будут стоять превенторы после спуска кондуктора?
1. А.На дне, на подводной устьевой головке; с установкой их связывает райзер
2. Б.Нигде: на такой глубине бурят без райзера и превенторов до забоя
3. В.На дне, а райзер не нужен: раствор выходит на дно
4. Г.На палубе установки, как на суше
Показать ответ
Правильный ответ: А. На дне, на подводной устьевой головке; с установкой их связывает райзер
Под 600 м воды работают только плавучие установки — полупогружные и буровые суда; самоподъёмные обычно рассчитаны на глубины до 120 м, отдельные — до 150 м. Плавучая установка должна уметь отсоединиться и уйти, поэтому превенторы стоят на головке у дна, а раствор возвращается по райзеру. Без райзера бурят только верхний интервал до кондуктора.
2
Стол ротора на 20 м выше уровня моря, глубина моря 800 м, самый напорный пласт открытого ствола — на 2200 м ниже дна, его поровое давление эквивалентно 1,20 г/см³ от стола ротора. Какой раствор нужен для запаса на райзер?
Показать ответ
Глубина пласта от стола ротора $H = 20 + 800 + 2200 = 3020$ м. $\rho_{\text{р}} = (1{,}20\cdot 3020 - 1{,}03\cdot 800)/(3020 - 20 - 800) = (3624 - 824)/2200 \approx 1{,}273$ г/см³; запас на райзер — около 0,073 г/см³. Его ещё нужно сравнить с давлением гидроразрыва под башмаком.
3
Под 1200 м воды раствор утяжелили с 1,30 до 1,50 г/см³. Как изменится наименьшее натяжение райзера с модулями плавучести из примера урока?
1. А.Не изменится: модули плавучести компенсируют и раствор
2. Б.Вырастет примерно на 45 кН
3. В.Вырастет примерно на 450 кН
4. Г.Уменьшится: тяжёлый раствор прижимает райзер к сборке
Показать ответ
Правильный ответ: В. Вырастет примерно на 450 кН
Растёт лишний вес раствора $A_{\text{в}}(p_m - p_{sw})$ . Каждые 0,10 г/см³ на столбе 1225 м — это $0{,}00981\cdot 0{,}10\cdot 1225\approx 1{,}20$ МПа, умноженные на площадь канала 0,188 м², то есть около 226 кН; на 0,20 г/см³ — около 450 кН. Модули плавучести несут только конструкцию.
4
Что из перечисленного допускает Экологический кодекс в государственной заповедной зоне в северной части Каспийского моря?
1. А.Сжигать газ на факеле при обычной эксплуатации скважины
2. Б.Закачивать отходы бурения в недра после обезвреживания, предусмотренного проектом
3. В.Испытывать скважину 1 мая в 30 км от выдвинутой в море точки дельты Урала
4. Г.Хранить отходы бурения на острове до окончания работ
Показать ответ
Правильный ответ: Б. Закачивать отходы бурения в недра после обезвреживания, предусмотренного проектом
Сжигание флюидов на факеле при эксплуатации скважин запрещено, кроме угрозы аварии (статья 274, п. 3). Отходы бурения, которые не используют повторно и не закачивают в недра, обезвреживают и хранят только на полигоне вне заповедной зоны (п. 9). Закачка отходов бурения в недра допустима после обезвреживания, определённого утверждённым проектом (п. 7). С 1 апреля по 15 июля в радиусе 50 км от выдвинутой в море точки дельты Урала испытания скважин запрещены (статья 269).
5
Почему верхний интервал на плавучей установке обычно бурят без райзера, чем за это платят и что о сбросе на дно говорит закон для казахстанской части Каспия?
Показать ответ
До кондуктора с головкой высокого давления ставить превенторы не на что, а порода под направлением слишком слаба, чтобы закрывать скважину; райзер без превенторов при выбросе неглубокого газа привёл бы газ прямо на установку. Поэтому бурят морской водой с выходом на дно и опасности обходят прогнозом и выбором точки. Платят отсутствием контроля над притоком и раствором, уходящим на дно. При разведке и добыче углеводородов на море сброс отходов в море и их захоронение на дне запрещены (Кодекс о недрах, статья 159), а шлам и растворы Экологический кодекс для заповедной зоны прямо называет отходами бурения (статья 274). К тому же на мелководье северного Каспия бурят с островов и барж с надводным устьем, и раствор со шламом возвращается на поверхность.
6
При какой подводной фонтанной арматуре колонну НКТ можно поднять для ремонта, не снимая арматуру с устья?
1. А.При горизонтальной
2. Б.При любой
3. В.Ни при какой
4. Г.При вертикальной
Показать ответ
Правильный ответ: А. При горизонтальной
У горизонтальной арматуры подвеска НКТ сидит в её корпусе, задвижки — на боковом отводе, а вертикальный проход закрыт пробками. На арматуру ставят превенторы и через них поднимают НКТ. У вертикальной подвеска в головке под арматурой, и для подъёма НКТ арматуру нужно снять.

Обновлено: 28 октября 2026 г.