POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ OCEANOTECHNIKI I OKRĘTOWNICTWA Zakład Projektowania Okrętów i Obiektów Oceanotechnicznych PROJEKTOWANIE OKRĘTÓW I OBIEKTÓW OCEANOTECHNICZNYCH Materiały pomocnicze do wykładu Studia zaoczne uzupełniające Sem. 4 Mgr inż. Krzysztof Królak Gdańsk, 2005
Plan wykładu 1. Charakterystyka morfologiczna wszechoceanu i skorupy ziemskiej 2. Rejony występowania surowców i minerałów 3. Technika prac wiertniczych wykonywanych z obiektów pływających 4. Budowa otworu i przewodu wiertniczego 5. Klasyfikacja środków technicznych eksploracji i eksploatacji mórz i oceanów 6. Problemy techniczne oceanotechniki Literatura: 1. Karlic S.: Zarys górnictwa morskiego, Wydawnictwo Śląsk, Katowice 1983, 2. Clauss G., Lehmann E., Östergaard C.: Offshore Srtuctures Vol. I Conceptual Design and Hydromechanics, Springer-Verlag, New York 1992 3. Reddy D. V.. Arockiasamy M. ed.,: Offshore Structures Vol 1., Krieger Publishing Company, Malabar Floryda 1992
1. Charakterystyka morfologiczna wszechoceanu i skorupy ziemskiej Rys. Struktura skorupy ziemskiej [3]. Płaszcz ziemi stanowi 85% jej objętości i nie jest zbadany pod względem własności fizycznych i budowy. Skorupa ziemska pływa po powierzchni płaszcza ziemi. Strukturę skorupy ziemskiej przedstawia powyższy rysunek. Rozróżnia się część kontynentalną o grubości ok. 35 km i część oceaniczną o grubości 6-12 km. Rys. Brzeg kontynentalny [1]
Granica między częścią kontynentalną skorupy ziemskiej a częścią oceaniczną to tzw. brzeg kontynentalny jego budowę przedstawia rys. poniżej. Rys. Struktura brzegu kontynentalnego [7]. Na brzeg kontynentalny składa się szelf kontynentalny, zbudowany z bazaltów pokrytych warstwą granitową i osadami (głównie lądowymi) ma on głębokość 0-200 m. Stok kontynentalny (200-2500 m) wraz z podnóżem. Poniżej 2500 m rozciąga się dno właściwe, tzw. dno głębokiego oceanu zbudowane z bazaltów pokrytych osadami morskimi. Eksploracja kopalin płynnych i stałych metodami górnictwa morskiego obejmuje zasadniczo cały wszechocean, jednakże największe rozmiary przybiera na szelfach wód kontynentalnych. Szelf kontynentalny to obszar, stykający się bezpośrednio z lądem, jego powierzchnia wynosi ok. 27,6 mln km 2 a głębokość od 200 do 600 m. Szelf kontynentalny jest płaską równiną z łagodnym spadem od lądu, średnie nachylenie wynosi 0,07. Wszechocean zajmuje ok. 70% powierzchni kuli ziemskiej. Średnia głębokość wszechoceanu wynosi ok. 3800 m, gdzie średnia głębokość lądu do ok. 840 m. Odwierty geologiczne dochodzą zaledwie do głębokości wynoszącej 0,15% promienia kuli ziemskiej (R równikory = 6378 m).
2. Rejony występowania surowców i minerałów Ropa naftowa powstaje w wyniku przeobrażenia szczątków organicznych nagromadzonych w skałach osadowych, głównie pochodzenia morskiego. Procesy przemian substancji organicznych w kerogen, a następnie w ropę naftową, gaz ziemny i inne bituminy, zachodzą pod ciśnieniem skał nadkładu, w podwyższonej temperaturze; niekiedy znaczną rolę w przebiegu tych procesów przypisuje się bakteriom. Ropa naftowa przemieszcza się (migruje) ze skał macierzystych (zwykle ilastych) ku górze; mechanizm tej migracji nie został dotąd w pełni wyjaśniony. Przemieszczanie się ropy naftowej możliwe jest tylko w skałach silnie porowatych lub spękanych (tzw. skały zbiornikowe lub kolektory); złoża ropy powstają w miejscach, gdzie skały te przykryte są od góry skałami nieprzepuszczalnymi (tzw. pułapki ropy naftowej), co uniemożliwia dalszą migrację ropy ku górze. Typowe pułapki ropy naftowej powstają w antyklinach, przy uskokach, przy słupach solnych, a także w soczewkach skał przepuszczalnych otoczonych skałami nieprzepuszczalnymi, pokazano je na poniższym rysunku. Rys. Typowe pułapki ropy naftowej [3]
Szacowane, na rok 1892, światowe rezerwy ropy naftowej wynoszą ok. 100 miliardów ton a gazu ziemnego 90 bilionów ton. Produkcja ropy naftowej i gazu ziemnego metodami górnictwa morskiego sięga ok. 20% światowej produkcji. Rys. Światowe złoża morskie bogate w ropę naftową i gaz ziemny [7]. Rys. Światowy potencjał głębokowodnych złóż morskich [4]
3. Technika prac wiertniczych wykonywanych z obiektów pływających Istotne elementy platformy wiertniczej przedstawia poniższy rysunek. Odwiert wykonuje się metodą wiercenia obrotowego (w przeciwieństwie do np. wierceń udarowych). W osi przewodu wiertniczego ustawiona jest wieża wiertnicza (ang. derrick), z której na systemie wielokrążków, przewód wiertniczy opuszczany jest w głąb otworu wiertniczego. Na przewód wiertniczy składają się głowica płuczkowa (ang. swivel), graniatka (ang. kelly), rura wiertnicza (ang. drill pipe) i świder (ang. drill bit). Graniatka jest to grubościenna rura o przekroju 4- lub 6-kątnym przez nią przenoszony jest moment obrotowy ze stołu obrotowego (ang. rotary tale) przez rury wiertnicze do świdra. Prędkość obrotowa świdra jest rzędu 50-100 obr/min. Stosuje się zwykle świdry gryzowe o zębach różnej długości i konfiguracji. W miarę postępu prac wiertniczych do przewodu wiertniczego dodawane są kolejne odcinki Rys. Świder gryzowy [5] rur wiertniczych. Z pokładu platformy przewód wiertniczy zapuszczany jest do otworu przez kolumnę rynnową (ang. conductor, riser). Rys. Schemat urządzenia wiertniczego [8]. Wydobycie na pokład platformy zwiercin, czyli fragmentów skał oderwanych przez świder z dna odwiertu, odbywa się dzięki instalacji płuczki wiertniczej (ang. drilling mud). Płuczka wiertnicza, przy pomocy pomp płuczkowych (ang. mud pumps), tłoczona jest z prędkością
2 3 m 3 /min i ciśnieniem 150 200 bar poprzez głowicę płuczkową, graniatkę, przewód wiertniczy do świdra na dnie otworu. Tam, z dysz umieszczonych w świdrze, wypływa do przestrzeni pierścieniowej wokół przewodu wiertniczego (z prędkością rzędu 30 40 m/s) i unosi z sobą zwierciny w górę, przez kolumnę rynnową na pokład platformy. Tam płuczka przechodzi kolejne etapy oczyszczania przez sita wibracyjne (ang. shaker screen) zbiornik osadowy (ang. mud tank) skąd jest ponownie pompowana do instalacji. Podczas obiegu płuczka wiertnicza chłodzi i smaruje przewód wiertniczy i świder, zapobiega kruszeniu ścian otworu wiertniczego a zarazem przeciwdziała ciśnieniu górotworu i płynu złożowego. Wiercenie otworów głębszych niż 30 100 m wymaga zabezpieczenia ich ścian ze wzglądu na możliwość uszkodzenia. W tym celu to otworu wiertniczego wprowadzana jest rura okładzinowa (ang. casing). Między nią a ściany otworu wiertniczego, przy pomocy płuczki, wtłaczany jest zaczyn cementowy, który po stężeniu zespala ją z podłożem. W miarę postępu prac wiertniczych instaluje się kolejne rury okładzinowe o coraz mniejszych średnicach, np.: 23, 13 ⅝, 9 i 7. Podczas prac wiertniczych ważna jest kontrola poziomu płuczki w zbiornikach płuczkowych. Jeżeli poziom płuczki opada to oznacza, że jej część ucieka z obiegu, np. przedostaje się do osadów skalnych. Jej brak może spowodować uszkodzenie przewodu wiertniczego, świdra, grozi przerwaniem prac wiertniczych. Jeżeli poziom płuczki w zbiornikach płuczkowych podnosi się to świadczy o zwiększeniu ciśnienia w strefie wiercenia i istnieniu zagrożenia erupcji ropy, czy gazu. W sytuacji kiedy słup płuczki w przewodzie wiertniczym nie może zrównoważyć ciśnienia panującego na dnie otworu jego wylot zostaje zabezpieczony blokiem głowic przeciwwybuchowych (ang. blowout preventer, BOP). Po ukończeniu prac wiertniczych odwiert przygotowuje się do eksploatacji. W tym celu blok głowic przeciwwybuchowych zamieniany jest na głowicę eksploatacyjną (ang. Christmas Tree), rodzaj zaworu bezpieczeństwa zaprojektowanego na czas eksploatacji złoża. Następnie dokonuje się perforacji ścian odwiertu przy pomocy kontrolowanej detonacji ładunków wybuchowych umieszczonych w obszarze złóż roponośnych.
4. Budowa otworu i przewodu wiertniczego Rys. Budowa otworu wiertniczego [6]
Rys. Budowa przewodu wiertniczego [6] 1 Tymczasowa płyta prowadnikowa, 2 Stała płyta prowadnikowa, 3 Blok głowic przeciwwybuchowych, 4 Łącznik kolumny rynnowej z rurą okładzinową, 5 Łącznik przewodu płuczkowego z blokiem przeciwwybuchowym, 6 Łącznik podatny bloku przeciwwybuchowego z kolumną rynnową, 7 Odcinek kolumny rynnowej, 8 Łącznik zatrzaskowy rur kolumny rynnowej, 9 Łącznik teleskopowy kolumny rynnowej z pokładem platformy, 10 Przewód płuczkowy, 11, 12 Pneumatyczny napinacz kolumny rynnowej 13 Lina prowadnikowa, 14 Pneumatyczny napinacz liny prowadnikowej, 15 Kabel instalacji zdalnego sterowania, 16 Komora dekompresji, 17 Dzwon nurkowy, 18 Pokład platformy 19 Przewód wiertniczy.
5. Klasyfikacja środków technicznych eksploracji i eksploatacji mórz i oceanów Podział środków technicznych pozyskiwania węglowodorów ze złóż podmorskich prowadzić można w trzech obszarach: 1. Eksploracja złóż jednostki wiertnicze. Ich praca polega na wykonaniu odwiertu/ów, wypróbowaniu złoża i zabezpieczeniu go. Po czym są (najczęściej) transportowane w inne miejsce pracy, na nowe złoże. Do tej grupy należą: Stacjonarne platformy wiertnicze Ruchome jednostki wiertnicze: Platforma samopodnośna (ang. jackup), Platforma zanurzalna (ang. submersible), Platforma półzanurzalna (ang. semisubmersible), Statek wiertniczy (ang. drill ship). 2. Eksploatacja jednostki wydobywcze. W tej grupie znajdują się jednostki nie posiadające własnych urządzeń wiertniczych, a mające na celu eksploatację założonego wcześniej odwiertu. Często mają one możliwość wstępnej przeróbki ropy/gazu, magazynowania oraz przeładunku wydobytych surowców na jednostki pomocnicze. Do tej grupy należą: Stacjonarne platformy wydobywcze: Stalowe (ang. jacket, rigid steel platform), Betonowe (ang. concrete gravity-based platform), Hybrydowe (ang. hybrid platform) Ruchome jednostki wydobywcze: Platforma półzanurzalna (ang. semisubmersible), Platforma cięgnowa (ang. tension-leg platform), Platforma kesonowa (ang. spar platform), Platforma wieżowa (ang. guyed tower, compilant guyed tower), Statek typu FPSO wydobywczo-przetwórczo-magazynowo-terminalowy (ang. floating production storage offloading). 3. Obsługa jednostki pomocnicze wspomagające pracę powyżej wymienionych. Platforma pomocnicza (ang. drilling tender), Holownik morski, Statek do układania kabli, Tankowiec wahadłowy (ang. shuttle tanker), Serwisowiec platformy wiertniczej. Ze względu na rodzaj reakcji na obciążenia zewnętrzne jakim poddawane są urządzenia oceanotechniczne wyróżnić można trzy typy konstrukcji : Platformy stałe (ang. fixed platforms), Platformy podatne (ang. compilant platforms), Platformy pływające (ang. floating platforms).
Rys. Typowe konstrukcje oceanotechniczne eksploracji i eksploatacji złóż ropy naftowej i gazu [2].
6. Problemy techniczne oceanotechniki Rys. System urządzeń eksploatacji złoża ropy naftowej [2].
Źródła: [1] Aird P.: Introduction to deepwater sedimentary environments, http://www.kingdomdrilling.co.uk/ [2] Clauss G., Lehmann E., Östergaard C.: Offshore Srtuctures Vol. I Conceptual Design and Hydromechanics, Springer-Verlag, New York 1992 [3] Encyklopedia Popularna PWN [4] Freckelton T.: Global Deepwater Growth and the Asia Pacific, http://www.spe.org/specma/binary/files/313764204apogcep2terryfreckelton.pdf [5] http://www.schoolscience.co.uk/content/4/chemistry/petroleum/knowl/4/2index.htm?d rilling.html [6] Karlic S.: Zarys górnictwa morskiego, Wydawnictwo Śląsk, Katowice 1983, [7] Reddy D. V.. Arockiasamy M. ed.,: Offshore Structures Vol 1., Krieger Publishing Company, Malabar Floryda 1992 [8] Sheppard M.: Offshore Structures Summary, http://users.coastal.ufl.edu/~sheppard/oce3016/offshore%20structures.pdf [9] Utt M.: The Offshore Industry- middle-aged but still learning http://www.spe.org/specma/binary/files/2657688muttoffshoreindustry.pdf