Укрощение строптивого

С разработанными украинскими специалистами системами безопасности отпадает необходимость в авральном порядке придумывать технические решения для устранения утечек нефти.

Катастрофа в Мексиканском заливе заставила ведущие страны и нефтяные компании объединить усилия для создания новых подходов к безопасности при добыче нефти на морских шельфах. Благодаря разработке ученых Института электросварки им. Е. Патона наша страна может сделать весомый вклад в этот процесс и стать создателем нового поколения систем защиты на нефтяных платформах.

Наследие «Глубоководного горизонта»

Катастрофа 20 апреля на платформе Deepwater Horizon («Глубоководном горизонте») в Мексиканском заливе продемонстрировала неготовность справляться с аварийными утечками нефти на больших глубинах. Несмотря на постоянное усовершенствование технологий, методы ликвидации аварий на скважинах и борьба с их последствиями в целом остались такими же, как и 30 лет назад. Другими словами, существующие административные подходы и технологические стандарты безопасности не соответствуют современным реалиям. «Глубоководный горизонт» был оборудован пятью системами безопасности — четырьмя автоматическими и одной ручной. Но ни одна из них не смогла предотвратить неконтролируемый разлив нефти, ставший проблемой мирового масштаба.

После анализа причин катастрофы и множества официальных заявлений пришло время конкретных действий. В июне четыре крупнейшие нефтяные компании — американские Exxon Mobil Corp., Conoco Phillips, Chevron и британско-голландская Royal Dutch Shell — собрали миллиард долларов для разработки в своих спецотделах новой системы ликвидации утечек нефти. На это им отводилось полтора года. Украинские ученые, которым оставалось только мечтать о таком бюджете, намного опередили своих коллег.

Ядерный взрыв — не выход

Внештатные ситуации на нефтяных месторождениях происходят часто — это факт. Даже на суше их ликвидация может занимать достаточно много времени. В море к высокой скорости и интенсивности потоков вытекающего вещества добавляются сложные условия — большая глубина и давление воды, ограниченная видимость.
Особенностью катастрофы на Deepwater Horizon стало полное затопление платформы, послужившее причиной разрыва главного трубопровода на глубине 1,5 км. Активировать отказавший превентор оказалось невозможно даже с помощью специализированного подводного аппарата. Скважину пытались «заглушить», залив ее бетоном и закупорив заглушкой. В начале мая место разлива накрыли массивным защитным куполом, из-под которого нефть откачивалась в танкеры. Купол продержался около двух недель и силой давления был сорван. Утечку удалось остановить спустя 86 дней с начала катастрофы после установки нового купола весом в 75 тонн.

На суше иногда прибегают к крайнему средству — аварийное месторождение перекрывают с помощью ядерного взрыва. Кстати, при «укрощении» скважины Макондо, на которой работал «Глубоководный горизонт», этот сценарий также рассматривался. Однако расчеты показали, что вместо одной скважины может «прорвать» все нефтяное месторождение.

Сделано в Украине

Ученым Института электросварки им. Е. Патона НАН Украины и Учебно-научного центра высоких технологий (УНЦВТ) Национального университета обороны удалось, по их словам, найти решение проблемы утечки нефти из аварийных скважин. Опередить в этом вопросе западных коллег, осваивающих миллиардные инвестиции, помогла концепция, позаимствованная из военного дела: использовать силу противника против него самого. Создатели исходили из того, что нецелесообразно блокировать или закупоривать скважину, препятствуя оттоку вещества, борясь с напором и давлением, — лучше направить поток (в данном случае нефти) в нужном направлении.

Созданная с учетом озвученного принципа конструкция представляет собой модуль для соединения поврежденного трубопровода (из которого вытекает вещество) и исправного (для отвода потока в запасной канал или резервуар). В модуле кроме верхнего и нижнего отверстий для трубопроводов по бокам находятся два (или более) дополнительных технологических окна для оттока вещества. Следует отметить, что под характеристики конкретной скважины и условия эксплуатации необходимо проектировать отдельный модуль. Например, может варьироваться форма и размер соединительного устройства (усеченный конус, полусфера, комбинированные варианты) или способы его крепления. В качестве прототипа ученые спроектировали модуль в форме цилиндра.

Итак, чтобы устранить разлив жидкости, модуль опускают и монтируют на оборванном трубопроводе. В момент соединения технологические окна открыты, поэтому вытекание вещества не прекращается, не создавая тем самым избыточного давления или динамического удара. После завершения монтажа специальное устройство синхронно закрывает боковые окна модуля и открывает отверстие, к которому подведен исправный трубопровод. По нему «укрощенный» фонтан устремляется в нужном направлении, например в резервуары танкера. Исходя из скорости потока и создаваемого им давления, можно использовать несколько модулей, последовательно соединенных между собой.

Чтобы обеспечить надежность крепления устройства к поврежденной скважине, разработчики предложили использовать технологии подводной резки взрывом (для обрезания деформированных краев поврежденного трубопровода) и сварки взрывом (для фиксации опорного кольца модуля) — то есть происходила резка металла и получение соединения под действием энергии, выделяющейся при взрыве заряда взрывчатого вещества.

На основе расчетов и конструкторской документации, подготовленных Опытным конструкторско-технологическим бюро (ОКТБ) Института электросварки им. Е. Патона, Опытный завод сварочного оборудования (г. Киев) изготовил действующие прототипы модулей. Для их испытания в Институте гидромеханики НАНУ смоделировали скважину, из которой бьет поток жидкости с заданной скоростью и интенсивностью. Эксперименты прошли успешно: действие принципа и эффективность предложенной конструкции подтвердились. Президент НАНУ, директор ИЭС им. Е. Патона, академик Борис Патон подчеркнул, что вся разработка от начала и до конца финансировалась за счет внутренних резервов Академии наук.

Во время патентного поиска зарубежных аналогов этому изобретению, по словам директора ОКТБ Валерия Романюка, найдено не было. Оно защищено патентом Украины и уже поданы заявки на международный специальный патент. Проведена внутренняя экспертная оценка НАНУ, а внешняя будет сделана в ближайшее время.

Создатели готовы разговаривать с представителями нефтяных компаний и в кооперации реализовывать на практике предложенную технологию.

— Действительно, мы можем решить задачу ликвидации утечки нефти, подобной произошедшей в Мексиканском заливе, в очень короткие сроки, возможно, быстрее, чем любая другая компания мира, — говорит один из инициаторов проекта, начальник УНЦВТ, лауреат Государственной премии Украины в области науки и техники, доктор технических наук профессор Юрий Даник. — Но до тех пор, пока нам не дадут конкретные характеристики места, куда нужно выехать, и скважины, о которой идет речь, невозможно говорить, что мы моментально устраним проблему. Нет двух одинаковых скважин и нет двух одинаковых платформ — все имеют свои нюансы. Как нет и двух одинаковых глубин, на которых добываются углеводороды, — тут тоже есть свои определенные отличия и условия. Например, ветровые нагрузки и даже соленость воды будут существенно влиять на результат. Мы считаем, что предложенное нами решение борьбы с неконтролируемым нефтяным потоком самое быстрое, оптимальное и эффективное, но за один день оно не реализуется. Все должно делаться заблаговременно. Так же, как армия нужна для предотвращения войны, разработанный нами модуль необходим для быстрой (в считанные дни) ликвидации аварийных ситуаций.

Без ажиотажа, но с перспективами

Несмотря на то, что список приглашенных на презентацию разработки 3 декабря включал представителей крупнейших отечественных и зарубежных нефтяных компаний, иностранных дипломатов, в здании киевского ИЭС им. Е. Патона ажиотажа не наблюдалось. Не пришли, принеся свои извинения и сославшись на уважительные причины (презентация проходила в разгар обсуждения поправок к Налоговому кодексу), представители администрации Президента и Кабмина, в частности глава Минтопэнерго Юрий Бойко, МИДа — Константин Грищенко и Минприроды — Николай Злочевский. И если иностранцы могут ориентироваться на собственный научно-технический потенциал, то высшему руководству страны стоит обратить внимание на отечественную науку.

Тем более, что широкомасштабная промышленная разработка углеводородов на шельфах Черного и Азовского морей — дело ближайшего времени. Не так давно Украина приобрела для этого у Китая две буровые платформы, правительство небезуспешно ведет поиск инвесторов. Поэтому в полной мере встает вопрос безопасности и недопущения катастроф, аналогичных разливу нефти в Мексиканском заливе и Тиморском море. Уже сейчас на уровне крупнейших нефтяных компаний, экологических ведомств и аварийных служб ведутся разговоры о том, что каждая буровая платформа в мире должна оснащаться комплектом спецоборудования для устранения утечек, а правила охраны труда и техники безопасности необходимо соответствующим образом изменить. То есть средства защиты должны быть спроектированы и заранее подготовлены на случай чрезвычайных происшествий.

Разработчики аварийного модуля отмечают, что их изобретение должно стать для морских буровых платформ, по аналогии с автомобилем, «огнетушителем и аптечкой». Спроектированный для каждой скважины, он позволит командам быстрого реагирования в кратчайшие сроки предотвращать катастрофы, отводя поток нефти от аварийной буровой или поврежденного трубопровода.

Более того, украинская разработка имеет огромный потенциал (в том числе экономический) для возобновления добычи нефти на законсервированных аварийных промыслах, ресурс которых еще не исчерпан. Только в Каспийском море таких скважин более полутора тысяч. Они были закрыты как вышедшие из-под контроля, но в большинстве своем продолжают протекать и, как выразился Юрий Даник, готовят миру всеобщий «нефтяной Чернобыль».

Кстати

При создании соединительного модуля специалисты ИЭС им. Е. Патона разработали принципиально новый способ и систему добычи углеводородов на морском шельфе без использования труб для их транспортировки на поверхность. Идея состоит в том, чтобы «улавливать» нефть в воде. Однако более подробные комментарии разработчики отказались предоставить, сославшись на то, что технология еще не прошла окончательных испытаний и патентования.

Крупнейшие катастрофы в отрасли

За последние 40 лет в мире произошло около 60 серьезных аварий на морских нефтедобывающих платформах.

Deepwater Horizon — 2010 г., Мексиканский залив. После взрыва и пожара затонула одна из платформ компании British Petroleum, погибли 11 человек. Разлив нефти продолжался 86 дней, загрязнено 270 км побережья США. Спасательная операция с привлечением 6 тыс. судов и 48 тыс. человек обошлась в $12 млрд. По оценкам специалистов, экосистема залива восстановится через 50 лет, существует реальная угроза изменения характеристик течения Гольфстрим. Объем разлива — 4,9 млн баррелей.

IXTOC-1 — 1979 г., залив Кампече (южная часть Мексиканского залива). После перепада давления пары нефти и газа попали в двигатели платформы и загорелись. Платформа затонула, и нефть из скважины в течение 90 дней свободно поступала в залив. Окончательно законсервировать скважину удалось только через 9 месяцев. Объем разлива — 3,5 млн баррелей.

Ekofisk Bravo — 1977 г., Cеверное море. На платформе Phillips Petroleum во время обслуживания скважины произошел разлив нефти, продолжавшийся 8 дней. Загрязнение грозило побережьям Дании, Норвегии и Швеции. Объем разлива — 202 тыс. баррелей.

Funiwa No.5 — 1980 г.,  Гвинейский залив. Нефть из скважины месторождения Фунива загрязнила дельту реки Нигер. Объем разлива — 200 тыс. баррелей.

Hasbah Platform 6 – 1980 г., Персидский залив. При бурении разведочной скважины произошел разлив нефти, продолжавшийся 8 дней и унесший жизни 19 человек. Объем разлива — 100 тыс. баррелей.

Union Oil A-21 — 1969 г., побережье Калифорнии. Разлив нефти с платформы Union Oil продолжался 11 дней, загрязнив канал Санта Барбара. Объем разлива — 80 тыс. баррелей.

Montara — 2009 г., Тиморское море (Западная Австралия). Объем разлива — 40 тыс. баррелей.

По сведениям финансового агентства «Блумберг», на май 2010 г. в мире эксплуатируются 2750 нефтяных платформ.