DE3872747T2

DE3872747T2 - Vertikal verankerte plattform mit einem einzelnen ankerkabel.

Info

Publication number: DE3872747T2
Application number: DE8888302868T
Authority: DE
Inventors: Fikry Roshdy Botros; Charles Nixon White
Original assignee: Conoco Inc
Current assignee: ConocoPhillips Co
Priority date: 1987-04-16
Filing date: 1988-03-30
Publication date: 1992-12-03
Anticipated expiration: 2008-03-31
Also published as: KR880012843A; DE3872747D1; NO881645D0; DK206188D0; EP0287243B1; NO881645L; CA1307170C; DK206188A; EP0287243A1; NO174701B; JPS63279993A; US4793738A; NO174701C

Description

Die Erfindung betrifft das Fachgebiet schwimmender Offshore-Strukturen und insbesondere eine verankerte, schwimmende Plattform zur Kohlenwasserstoff-Förderung im Offshore-Tiefwasser.
Mit allmählicher Erschöpfung von Kohlenwasserstoffreserven an Land wurde beträchtliche Aufmerksamkeit dahin gelenkt, Öl- und Gasquellen im Wasser anzubohren und zu fördern. In relativ flachem Wasser kann man von auf dem Meeresgrund aufsitzenden, festen Plattformen Bohrlöcher in den Meeresgrund bohren werden. Wegen der erheblichen Größe der Strukturen, die zum Tragen der Bohr- und Fördereinrichtungen in tieferem Wasser erforderlich sind, sind auf dem Boden sitzende Strukturen auf Wassertiefen von weniger als etwa 1000 bis 1200 Fuß (ca. 300 bis 360 Meter) beschränkt. In tieferem Wasser wurden schwimmende Bohr- und Fördersysteme verwendet, um Größe, Gewicht und Kosten der Tiefwasserbohr- und Förderstrukturen zu verringern. Schifförmige Bohrschiffe und halbtauchfähige Schwimmerplattformen sind für solche schwimmenden Einrichtungen allgemein verbreitet.
Wenn zur Verwendung im Tiefwasser eine schwimmende Einrichtung gewählt wird, müssen Bewegungen des Fahrzeugs berücksichtigt werden und, wenn möglich, unterdrückt oder kompensiert werden, um eine stabile Struktur vorzusehen, von der Bohr- und Förderoperationen durchgeführt werden. Drehbewegungen des Fahrzeugs durch Nicken, Rollen und Gieren enthalten zahlreiche Drehbewegungen des Fahrzeugs um eine bestimmte, durch den Schwerpunkt verlaufende Fahrzeugachse. Somit ergeben sich Gierbewegungen aus einer Drehung des Fahrzeugs um eine vertikal orientierte Achse, die durch den Schwerpunkt verläuft. Für schifförmige Fahrzeuge ergeben sich in ähnlicher Weise Rollbewegungen aus einer Drehung des Fahrzeugs um die Längsachse zwischen Bug und Heck, die durch den Schwerpunkt verläuft und ein Rollen des Fahrzeugs von einer Seite zur anderen bewirkt. Ein Nicken ergibt sich aus einer Drehung des Fahrzeugs um eine von seiner einen Seite zur anderen verlaufenden Querachse, die durch den Schwerpunkt verläuft, wodurch der Bug und das Heck abwechselnd sich aufund abbewegen. Bei einer symmetrischen oder im wesentlichen symmetrischen Plattform wie einer gewöhnlichen halbtauchfähigen Plattform, sind die horizontal orientierten Nick- und Rollachsen im wesentlichen willkürlich. Für die Zwecke dieser Beschreibung werden solche Drehungen um horizontale Achsen als Nick/Rollbewegungen bezeichnet.
Alle obigen Fahrzeugbewegungen werden nur relativ zum Schwerpunkt des Fahrzeugs selbst betrachtet. Darüberhinaus müssen Translationsbewegungen der Plattform beachtet werden, die sich durch Versetzen des gesamten Fahrzeugs relativ zu einem Festpunkt, wie etwa einem Unterseebohrkopf ergeben. Diese Bewegungen sind Stampfen, Pumpen und Pendeln. Stampfbewegungen enthalten eine Vertikalverschiebung des Fahrzeugs relativ zu dem Erdmittelpunkt nach oben und unten entlang einer vertikal orientierten Achse, die durch den Schwerpunkt verläuft. Für schifförmige Fahrzeuge umfassen Pumpbewegungen eine Horizontalverschiebung des Fahrzeugs entlang einer nach vorne und hinten orientierten Achse, die durch den Schwerpunkt verläuft. In ähnlicher Weise umfassen Pendelbewegungen die seitliche horizontale Verschiebung des Fahrzeugs entlang einer von links nach rechts verlaufenden Achse, die durch den Schwerpunkt verläuft. Wie bei den oben beschriebenen horizontalen Drehbewegungen der Plattform sind die horizontalen Verschiebungsbewegungen Pumpen und Pendeln bei einem symmetrischen oder im wesentlichen symmetrischen Fahrzeug, wie etwa einem halbtauchfähigen Fahrzeug, im wesentlichen willkürlich. Im Zusammenhang mit dieser Beschreibung werden alle horizontalen Verschiebungsbewegungen des Fahrzeugs als Pump/Pendelbewegungen bezeichnet.
Kombinationen der oben beschriebenen Bewegungen umfassen das Verhalten einer Plattform als einem festen Körper mit sechs Freiheitsgraden. Die sechs Bewegungskomponenten ergeben sich durch Antwort auf kontinuierliches Variieren harmonischer Wellenkräfte. Man sagt, daß diese Wellenkräfte bei dominanten Frequenzen des Wellenzugs variieren. Fahrzeugreaktionen in den sechs Freiheitsgraden bei Frequenzen, die den Wellenzüge charakterisierenden primären Perioden entsprechen, werden als Bewegungen "erster Ordnung" bezeichnet. Darüberhinaus erzeugt ein variabler Wellenzug auf das Fahrzeug wirkende Kräfte bei Frequenzen, die aus Summen und Differenzen der primären Wellenfrequenzen resultieren. Dieses sind sekundäre Kräfte und entsprechende Fahrzeugreaktionen werden als Bewegungen "zweiter Ordnung" bezeichnet.
Eine vollständig feste an dem Meeresgrund befestigte Struktur ist gegen Reaktionen auf Wellenkräfte vollständig eingeschränkt. Eine elastische Struktur, das ist eine an dem Meeresgrund elastisch angebrachte Struktur, wird Reaktionsgrade zeigen, die gemäß der Steifheit der Struktur selbst und gemäß der Steifheit seiner Anbringung an dem Firmament am Meeresgrund variieren. Als eine "nachgiebige" Offshore-Struktur bezeichnet gewöhnlich eine Struktur, die zu einem oder mehr Reaktionsgraden, die durch Wellenkräfte erster oder zweiter Ordnung erregt werden können, eine relativ geringe Steifigkeit hat.
Schwimmende Förder- oder Bohrfahrzeuge reagieren im wesentlichen uneingeschränkt auf Wellenkräfte erster Ordnung. Um jedoch eine relativ gleichbleibende Nähe zu einem Punkt am Meeresboden einzuhalten, sind sie durch ein passiv gestrecktes Festmacherseil-Verankerungssystem oder durch ein dynamisches Positionierungssystem mit aktiv gesteuertem Strahlruder gegen große horizontale Veschiebungen nachgiebig eingeschränkt. Diese Positionierungssysteme können auch verwendet werden, um große Gierreaktionen niedriger Frequenz (zweiter Ordnung) zu verhindern.
Während sowohl schifförmige als auch herkömmliche halbtauchfähige Fahrzeuge auf Wellenkräfte erster Ordnung frei reagieren dürfen, so zeigen sie sehr verschiedene Reaktionscharakteristiken. Der Konstrukteur halbtauchfähiger Fahrzeuge kann eine beträchtlich verminderte Reaktionsbewegung erreichen durch: 1) geeignete Verteilung des Schwimmerrumpfvolumens zwischen Säulen und tief untergetauchten Pontonstrukturen, 2) optimales Anordnen und Trennen von die Oberfläche durchstoßenden Stabilisierungsäulen und 3) eine geeignete Verteilung der Plattformmasse. Erprobte Prinzipien für diese Konstruktionsziele erlauben dem Konstrukteur, einen hohen Aufhebungsgrad für Wellenkräfte zu erreichen, so daß Bewegungen über ausgewählte Frequenzbereiche wirksam vermindert werden können. Eine Analyse der Reaktion von halbtauchfähigen Plattformen auf Wellenbewegung steht im Blatt Nr. OTC 1024 von Burke, vorgelegt zur Offshore Technology Conference 1969 mit dem Titel "The Analysis of Motions of Semi-submersible Drilling Vessels in Waves".
Die Konstruktionspraktiken zur Optimierung dynamischer Leistungen halbtauchfähiger Fahrzeuge hängen in erster Linie von der Wellenkraftaufhebung ab, um ein Stampfen zu begrenzen. Nick/Rollreaktionen werden in hinnehmbaren Grenzen gehalten dadurch, daß man zwischen den Eckstabilisierungssäulen große Trennungsabstände vorsieht, wobei man relativ lange natürliche Perioden für die Nick/Rollmodi erhält. Diese Praxis hält die Nick/Rollmodusfrequenzen von den Frequenzen der Wellenerregung erster Ordnung ausreichend weit weg und wird somit als "Verstimmung" (detuning) bezeichnet. Die Theorie hinter den Konstruktionspraktiken zur Optimierung der dynamischen Leistung halbtauchfähiger Fahrzeuge wird beispielsweise diskutiert in dem sechsten Symposium zu Naval Hydrodynamics, Cooper and Doroff, gefördert durch das Office of Naval Research and Davidson Laboratory.
Eine andere Klasse nachgiebiger Schwimmstrukturen wird durch ein Verankerungssystem mit vertikalem Spannbein verankert. Die Spannbeinverankerung bewirkt auch eine nachgiebige Einschränkung von Horizontalbewegungen zweiter Ordnung. Darüberhinaus schränkt eine solche Struktur vertikale Reaktionen erster und zweiter Ordnung, Stampfen und Nicken/Rollen steif ein. Wegen der Wellenkraftverteilung und resultierenden Reaktionscharakteristika wäre es jedoch im wesentlichen unmöglich, diese Verankerungsform bei einem herkömmlichen schifförmigen Einrumpffahrzeug anzuwenden. Daher wird bei der Anwendung dieses Verankerungssystems mit vertikalem Spannbein allgemein an halbtauchfähige Rumpf formen gedacht, welche resultierende Gesamtwellenkräfte und Reaktionen auf Pegel mindern, die durch steifelastische Spannbeine wirksam und sicher eingeschränkt werden können. Beispiele von Verankerungssystemen mit vertikalem Spannbein zur Anwendung bei halbtauchfähige Plattformen sind aus der US 3648638 bekannt und dem Blatt Nr. OTC 1263 von Paulling und Horton, präsentiert zur Offshore Technology Conference 1970 und mit dem Titel "Analysis of the Tension Leg Stable Platform".
Dieser Typ einer schwimmenden Einrichtung, die kürzlich beträchtliche Aufmerksamkeit auf sich zog, ist die sogenannte Spannbeinplattform (tension leg platform, TLP). Die vertikalen Spannbeine sind an oder innerhalb der Ecksäulen der halbtauchfähigen Plattformstruktur angeordnet. Die Spannbeine werden jederzeit dadurch unter Spannung gehalten, daß man sicherstellt, daß der Auftrieb der TLP unter allen Umweltbedingungen sein Betriebsgewicht überschreitet. Wenn steifelastische durchgehende Spannbeinelemente, genannt Spannbein, zwischen einem festen Fundament am Meeresgrund und den Ecken des schwimmenden Rumpfs angebracht werden, beschränken sie Vertikalbewegungen durch sowohl stampf- als auch nick/rollinduzierende Kräfte wirksam, während sie Bewegungen in der horizontalen Ebene (Pumpen/Pendeln und Gieren) nachgiebig einschränken. Somit ist die Spannbeinplattform eine sehr stabil schwimmende Offshore-Struktur zum Tragen von Ausrüstung und zur Durchführung von Funktionen bezüglich der Ölförderung.
Eine Spannbeinplattform mit Spannbeinen, die an jeder von vier Ecken gesichert sind, ist in der US4170266 dargestellt.
Wenn die Wassertiefe (und hierdurch die Spannkabellänge) größer wird, werden Spannbein aus gegebenem Material und gegebenem Querschnitt weniger steif und weniger wirksam, Vertikalbewegungen zu begrenzen. Um eine hinnehmbare Steifheit zu erhalten, muß die Querschnittsfläche proportional zur ansteigenden Wassertiefe erhöht werden, wodurch das Gewicht der Spannbein und die Größe der Schwimmstruktur ansteigt, um die schweren Spannbein unter Spannung zu halten. Zur Anbringung im zunehmend tieferen Wasser muß eine Spannbeinplattform größer und komplexer werden, um eine Mehrzahl extrem langer Spannbeine zu halten, und/oder die Spannbeine selbst müssen eine Art Schwimmkörper enthalten, um ihr Gewicht relativ zu der Schwimmstruktur zu mindern. Solche Betrachtungen erhöhen die Kosten der Anbringung einer TLP im Tiefwasser erheblich.
Darüberhinaus muß mit zunehmend tieferem Wasser ein größerer Anteil der Rumpfverdrängung dem Überschußauftrieb (das ist die Vorspannung der Spannbein) zugedacht werden, um eine Horizontalverschiebung einzuschränken. Das Halten am Platz ist eine Schlüsselrolle für das Verankerungssystem. Das Verankerungssystem mit vertikalem Spannbein hat die Fähigkeit, über einem festen Punkt am Meeresgrund Position zu halten, weil jede horizontale Verschiebung der Plattform eine horizontale Rückstellkraftkomponente in der Winkelneigung des Spannseil-Spannungsvektors erzeugt. Im zunehmend tieferen Wasser benötigt man eine größere Spannseilvorspannung, um eine ausreichende Rückstellkraft zu erhalten, um die TLP innerhalb hinnehmbarer Verschiebungsgrenzen zu halten. Diese Erhöhung führt zu immer größeren minimalen Rumpfverdrängungen. Die Verwendung eines Hybridverankerungssystems, wie sie für diese Erfindung beschrieben wird, mindert die Einwirkung größerer Wassertiefe auf minimale Rumpfverdrängung und Spannseilvorspannung.
Gemäß einem Aspekt sieht die vorliegende Erfindung eine Spannbein-Plattform zur Verwendung in einem Wasserkörper mit einem Grund- und einer Oberfläche vor, umfassend:
ein Deck;
wenigstens vier Schwimmersäulen;
Verbindungsmittel zum Verbinden der Schwimmersäulen; und Haltemittel zum Halten des Decks von den Schwimmersäulen;
dadurch gekennzeichnet, daß die Schwimmersäulen eine zentrale Schwimmersäule umfassen, die durch die Verbindungsmittel mit wenigstens drei, symmetrisch um die zentrale Schwimmersäule herum angeordneten peripheren Schwimmersäulen verbunden ist, und daß die Plattform ein und nur ein vertikales Spannbein mit einem oberen und einem unteren Teil enthält, wobei das obere Teil mit der zentralen Schwimmersäule verbunden ist und das untere Teil mit einem Anker auf dem Grund verbindbar ist.
Die zentrale Säule und die peripheren Stabilisierungsäulen können mittels einer Anordnung von Unterwasserpontons zu einer einzigen Struktur miteinander verbunden werden, welche Pontons die verschiedenen Säulen nahe ihren Unterenden miteinander verbinden oder/und mittels Grundstruktur-Verstrebungsgliedern über der Wasseroberfäche. Bohrungen und andere Vorgänge können vom Deck aus durchgeführt werden, das durch die Säulen gehalten wird und bevorzugt insbesondere durch die zentrale Säule gehalten wird.
Nach einem anderen Aspekt sieht die vorliegende Erfindung eine Spannbein-Plattform zur Verwendung in einem Wasserkörper mit einem Grund und einer Oberfläche vor, umfassend:
eine Haupt struktur mit einem Deck;
einen Grundanker;
Schwimmermittel, umfassend periphere Stabilisierschwimmer- Halteglieder zum Halten der Hauptstruktur,
dadurch gekennzeichnet, daß die Plattform ein einzelnes, im wesentlichen vertikales Spannbein umfaßt, das mit einem inneren Mittelbereich der Struktur und mit dem Anker verbunden ist, wobei das einzelne Spannbein die einzige im wesentlichen vertikale Festmacherverbindung zwischen der Struktur und dem Boden des Wasserkörpers ist.
Nach einem weiteren Aspekt sieht die vorliegende Erfindung eine Spannbein-Plattform zur Verwendung in einem Wasserkörper mit einem Grund und einer Oberfläche vor, umfassend:
ein Deck;
eine Schwimmersäule zum Halten des Decks;
einen Anker am Grund;
ein vertikales Spannbein mit einem Oberende und einem Unterende und
Mittel zum Verbinden des Oberendes des Spannbeins mit der Schwimmersäule und des Unterendes mit dem Anker, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattform eine zentrale Schwimmersäule, ausgestellte Module und Verbindungsmittel zum festen Verbinden der Module mit der zentralen Schwimmersäule umfaßt,
wobei ein und nur ein vertikales Spannbein mit der zentralen Schwimmersäule verbunden ist und kein im wesentlichen vertikales Verankerungsglied zwischen den ausgestellten Modulen und dem Grund vorhanden ist.
Wenigstens in ihren bevorzugten Formen zeigt die Erfindung eine relativ wenig komplexe Tiefwasserbohr- und Fördereinrichtung auf, die die Vorteile einer mit Festmacherseilen verankerten halbtauchfähigen Plattform mit einigen der Vorteile einer Spannbein-Plattform bei erheblich reduzierten Kosten verbindet.
In einer bevorzugten Ausführung umfaßt die obige STLP ein Verankerungssystem, das sowohl ein einzelnes vertikales Spannbeinsystem umfaßt als auch ein abgespreiztes Festmacherverankerungssystem. Das vertikale Spannbein ist so angeordnet, daß es nur die Stampfkomponente der vertikalen Bewegungen wirksam einschränkt. Jedoch wirken das vertikale Spannbeinverankerungssystem und die abgespreizte Verankerung derart zusammen, daß sie niederfrequente Horizontalbewegungen, Pumpen/Pendeln und Gieren nachgiebig einschränken.
Das einzelne Spannbein kann aus einem oder mehreren Kabeln bestehen, die aus Stahlrohr sein können, zusammengesetzt rohrförmigem, metallischem Kabel oder Synthetikfaserkabel oder Kombinationen dieser Materialien.
Das Anordnen der Kabel in engem Verbund nur am Zentrum der Plattformstruktur bringt es mit sich, daß die Kabel Nick/Roll- oder Gierbewegungen nicht weiter wirksam einschränken, wie dies bei herkömmlichen Spannbein-Plattformen der Fall ist. Die Rolle dieser Kabel wird auf steifes Einschränken von Stampfbewegungen und auf ein nachgiebiges Einschränken von horizontalem Versatz eingeschränkt. Nick/Rollreaktionen werden primär durch sorgfältige Verteilung der peripheren Schwimmer und durch eine verstimmende Konstruktion gemäß bekannten Konstruktionspraktiken halbtauchfähiger Fahrzeuge kontrolliert. Wie nachfolgend erläutert, ist es ein wichtiges Merkmal dieser Erfindung, daß die zentralen Kabel nur das Stampfen einschränken, während die Nick/Rollreaktion verstimmt ist.
Bei einer Plattform mit einem einzigen Spannbein mit einem einzelnen im wesentlichen vertikalen Spannbein, das zwischen der zentralen Schwimmersäule der Struktur und Ankern am Meeresgrund angeschlossen ist, bewirken die Kabel dieses einen Spannbeins eine steife Einschränkung nur der Stampfkomponente der Vertikalbewegungen. Horizontalbewegungen werden bevorzugt durch dieses vertikale Spannbein im Zusammenwirken mit dem Festmacher-Verankerungsystem nachgiebig eingeschränkt.
Vorteilhafterweise kann man die Quantität, Größe und Position der peripheren Stabilisierungssäulen und -pontons in Antwort auf die Position der zentralen Säule einstellen, so daß die Nick/Rollreaktion der Struktur minimiert ist.
Nachfolgend werden bestimmte Ausführungen der Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen lediglich beispielhaft beschrieben, wobei:
Fig. 1 ist eine vereinfachte Aufsicht auf eine Plattform mit einzelnem Spannbein (STLP);
Fig. 2 ist eine Ansicht entlang Linie 2-2 in Fig. 1;
Fig. 3 ist eine vereinfachte Ansicht einer typischen Spannbeinplattform herkömmlicher Art;
Fig. 4 ist eine Ansicht entlang der Linie 4-4 in Fig. 3;
Fig. 5 sind Kurven, die den Stampfantwort-Amplitudenfaktor (RAO) an verschiedenen Punkten einer Spannbein- Plattform zeigen;
Fig. 6 ist eine Ansicht des STLP Grundaufbaus mit peripheren Stabilisierungsäulen, Steigleitungen und dem Arbeitsbereich für eine STLP.
Fig. 7A und 7B zeigen eine vereinfachte Aufsicht bzw. Seitenansicht einer Pontonanordung für die STLP;
Fig. 8 zeigt ein Meeresbodenformteil zur Verwendung mit dieser STLP;
Fig. 9 zeigt ein Bündel von sechs Spannkabeln mit dauerndem Auftrieb, das vor der Ankunft der STLP an einem Fundamentformteil angebracht ist;
Fig. 10 zeigt eine Seitenansicht der Hauptsäule und der peripheren Säulen einer bevorzugten Plattform mit einzelnem Spannbein mit leichtgewichtiger Gierkontrollverankerung, die an den peripheren Säulen angebracht ist.
Um die Kurven von Fig. 5 vollständig zu verstehen und um die Verbesserungen und Unterschiede der dargestellten Anordnung der Plattform mit einzelnem Spannbein (Single Leg Tension Platform, STLP) im Vergleich mit den Konzepten herkömmlicher Spannbein-Plattformen (Tension Leg Platform, TLP) darzulegen, wird angenommen, daß eine typische TLP allgemein beschrieben werden sollte. Eine in Fig. 3 und 4 dargestellte vereinfachte TLP ist typisch für die herkömmliche TLP. Dort ist eine Spannbein-Plattform 10 dargestellt, die auf einem Wasserkörper 20 mit einem Meeresgrund 12 und einer Oberfläche 19 schwimmt. Eine Mehrzahl Spannbeine 14A, 14B und 14C verbindet Schwimmersäulen 16A, 16B und 16C mit Ankern 18 am Grund des Wasserkörpers 10. Wie in Fig. 3 dargestellt, wird ein Deck 22 durch Säulen 16A bis 16D gehalten. In den Fig. 3 und 4 ist der Schwerpunkt mit dem Bezugszeichen 24 angezeigt.
Bei einer herkömmlichen TLP umfassen die Spannbeine 14A bis D eine Mehrzahl Kabel 27A bis D, die ihre jeweiligen Säulen 16A bis D und Grundanker 18 miteinander verbinden. Die Kabel 27A bis D müssen den Veränderungen der Kräfte widerstehen, die hauptsächlich durch Wellen verursacht werden, die die Tendenz der Plattform zum Stampfen, Nicken/Rollen, Pumpen/Pendeln und Gieren erregen. Diese Begriffe werden hier wie zuvor erläutert verwendet. Nick/Rollbewegungen haben einen sehr ausgeprägten Effekt auf die Induzierung von Spannungsänderungen in den Kabeln 27, die die TLP mit ihren Ankern 18 verbinden. In einer Spannbein-Plattform sind daher resultierende Bewegungen an den Plattformecken aufgrund Stampfen und Nicken/Rollen die Hauptfaktoren, die Spannungsänderungen in den Kabeln induzieren. Außerordentlich wichtig ist, daß in den Kabeln der Spannbeine von TLP's Ermüdungsprobleme auftauchen, wenn die Nick/Rollperiode 4 Sekunden überschreitet.
Die Kabelgruppen (Spannbeine 14) für jede der Ecksäulen 16 einer TLP müssen großen dynamischen Kräften widerstehen und müssen daher sehr stark sein. Auch sind sie allgemein so konstruiert, daß sie angemessen steif (elastisch) sind, um das Nicken/Rollen abzusichern und natürliche Stampfperioden der verankerten Plattform unter dem Bereich wichtiger Wellenerregungsperioden (das ist allgemein 4 bis 10 Sekunden) zu halten. Bei den meisten TLP-Konstruktionen ist die Nick/Rollantwort, welche Wellenerregungen am meisten betrifft, um 6 Sekunden. In sehr tiefem Wasser wird es immer teurer, Spannbein herzustellen, die steif genug sind, die natürliche Reaktionsperiode für Nick/Rollbewegungen unter dem "4 Sekunden-Limit" zu halten.
Nachfolgend wird auf Fig. 1 und 2 hingewiesen, die in vereinfachter Form die Spannbein-Plattform mit einzelnem Spannbein (STLP) dieser Erfindung zeigen. Sie ist eine halbtauchfähige Struktur, die durch ein einzelnes Spannbein 28 oder ein Bündel von Spannkabeln (Fig. 6 zeigt ein Bündel von Spannkabeln 27), die an einer zentralen Schwimmersäule 30 der STLP angebracht sind, in Tiefwasser 32 verankert oder festgemacht ist. Das Kabel oder das Kabelbündel 28 ist mit seinem oberen Ende an der Mitte der Hauptstruktur angeschlossen und kann mit einem Anker 40 in den Meeresboden unter Verwendung im Handel erhältlicher biegsamer oder Kegelgelenke angeschlossen werden. Biegsame Gelenke können auch oben an den Spannkabeln angeordnet werden, um Rotation zu erlauben. Diese Anschlüsse oben und unten können sehr ähnlich den bei herkömmlichen TLPKonzepten verwendeten sein.
Die STLP kann ausgestellte Module haben wie etwa periphere Stabilisierungssäulen 34A, 34B, 34C und 34D. Es sind keine vertikalen, von einer der Stabilisierungsäulen weg führenden Festmacherseile vorhanden. Die zentrale Säule 30 und die peripheren Säulen 34A, 34B, 34C und 34D tragen über der Oberfläche 38 des Wasserkörpers ein Deck 36. Das Deck kann typische Deckstrukturen haben wie etwa Quartiere 35 oder ein Bohrgestänge. Die zentrale Säule 30 trägt direkt die Spannkabellasten, Teile des Deckgewichts und gegebenenfalls die Steigleitungslasten. Dies erfordert eine leichtgewichtige Deckstruktur, um die Nutzlast bei einer gegebenen Verdrängung zu erhöhen (im Vergleich zum Tragen des Decks nur an seinen Ecken). Die Zahl peripherer Stabilisierungsäulen, die die zentrale Säule umgeben, ist beliebig (wenigstens drei). Diese peripheren Säulen 34 sollten symmetrisch um die zentrale Säule 30 herum angeordnet sein.
Der Hauptgesichtspunkt des STLP-Konzeptes ist es, die Spannbein-Plattformkonstruktion durch Minimierung der Rolle des vertikalen Spannbein-Festmachersystems und durch vermindern der strukturellen Lasten auf die Spannseile selbst zu vereinfachen. Gemäß dieser Erfindung ist es so, daß die Spannseile des einzelnen Spannbeins Nick/Rollbewegung nicht länger wirksam beschränken. Die Struktur ist ausgelegt, um den größten Teil der Nicken/Roll-Wirkung auf das Spannseilbündel 28 wirksam zu entfernen. Mit diesem Konzept widersteht das Spannseilbündel 28 dem Stampfen, jedoch sind die nur mit dem Stampfen zusammenhängenden Kräfte auch hier vermindert. Wie in Fig. 2 dargestellt, befinden sich die einzigen vertikalen Spannseile in dem zentralen einzigen Spannbein und sie sind entweder als Einzelkabel oder als dichtes Bündel um den Schwerpunkt der Plattform herum vorgesehen, welcher in diesem Fall das Zentrum der Hauptsäule 30 ist. Bei Anordnung in dieser Position beschränken die Spannseile Nick/Roll- oder Gierbewegungen nicht länger wirksam, wie dies bei Spannbeinen herkömmlicher Spannbein-Plattformen, wie etwa in Fig. 3 und 4 gezeigt, erforderlich war. Die Rolle des Spannseilbündels 28 dieser Erfindung wird vermindert auf das im wesentlichen direkte, steifelastische Einschränken von Stampfbewegungen und nachgiebiges Einschränken von Horizontalversatz.
Die dramatische Verminderung der Spannseillaständerungen, die unter Verwendung dieses Konzepts erreicht werden, ist in Fig. 5 dargestellt, die unter Verwendung anerkannter Berechnungsweisen berechnete Kurven zeigt. Die Berechnungen und folgenden Erörterungen beziehen sich auf eine Struktur, die vertikal über einem Grundfundament angeordnet ist, und die Lineartheorie der Reaktionsberechnung. Auf der Ordinate ist der Amplitudenfaktor der Stampfreaktion (RAO) in (M/M) aufgetragen, das sind Meter des Stampfens, um die sich die Plattform pro Meter Meereswellenhöhe bewegt. Die rechte Seite des Diagramms zeigt das Spannungs-RAO in den Einheiten Tonnen/Meter. Das Spannungsänderungs-RAO wird erhalten durch Multiplikation des Stampfens des Spannkabeloberendes mit der axialen Steife (EA/L) des Spannkabels. Die Meereswellenperiode in Sekunden und die Frequenz in Winkel/Sekunde sind auf der Abszisse aufgetragen. Der Bereich der wichtigen bedeutungsvollen Meereswellenperiode ist von etwa 18 Sekunden herunter bis etwa 4 Sekunden. Kurven A und B in Fig. 5 zeigen das resultierende Stampfen an einer Ecksäule einer herkömmlichen TLP wie etwa Säulen 16A oder 16C nach Fig. 4, wenn Wellen entlang der Diagonalachse der Plattform laufen. Dieses Stampfen enthält die transformierte Komponente der Nick/Rollbewegung.
Gemäß dem Konzept der STLP ist ein Spannbein oder ein Spannseilbündel nur am Zentrum der Plattform angebracht. Es ist kein anderes vertikales Spannelement vorhanden und die Struktur ist derart verstimmt, daß auf das zentrale Spannbein im wesentlichen kein Nicken/Rollen wirkt. Daher wirken im wesentlichen nur reine Stampfkräfte auf dieses einzelne Spannbein und im wesentlichen kein Nick/Rolleffekt, oder der Effekt wird wenigstens so gering sein, daß man ihn ignorieren kann. Eine Kurve C (Fig. 5) stellt direktes reines Stampfen der TLP an ihrem Schwerpunkt dar. Auf ein am Zentrum angebrachtes Spannbein oder Spannseilbündel würden Streckkräfte nur durch direktes Stampfen der Plattform wirken. Aus dem Vergleich der Kurve C mit den Kurven A und B ist leicht zu entnehmen, daß auf ein Spannbein oder Spannseilbündel, das wie hier beschrieben an oder nahe dem Schwerpunkt (CG) angeschlossen ist, nur ein Bruchteil der Spannlaständerungen im Vergleich zu einem Eckspannbein oder -spannseilbündel über den gesamten Bereich der wichtigen Wellenlängen wirkt.
Ein weiterer Vorteil auf den STLP-Konstruktionsprinzipien beruhender Tiefwasser-Plattformkonstruktion ist, daß die Verwendung eines Hybridverankerungssystemes (Spannbein + abgespreizte Kabel) die Minderung der Plattformverschiebung erlaubt, während man gegenüber herkömmlichen TLP's die gleichen oder besseren Standorthalteeigenschaften erhält. Diese Minderung der Größe (und somit der Kosten) ergibt sich durch Nutzung des Vorteils der Tatsache, daß eine geeignet konstruierte abgespreizte Verankerung durch Aufbringen seitlicher Rückstellkraft zum Halten des Standorts wirksamer sein kann als eine vertikale Spannbeinverankerung. Die Verwendung eines abgespreizten Verankerungssystems zur Unterstützung des Spannbeinverankerungssystems zur Beschränkung von Horizontalversatz läßt zu, daß der Gesamtbetrag der Vorspannung in dem Spannkabelsystem vermindert ist. Dies resultiert in einer signifikanten Abnahme der erforderlichen Plattformverdrängung und somit der Kosten. Weil das Vorsehen eines permanenten abgespreizten Verankerungssystems die Kosten zu dem vorübergehenden Verankerungssystem, das zum Anbringen einer im Tiefwasser verankerten Spannbein-Plattform normalerweise erforderlich ist, nur wenig erhöht, sind die Gesamtkosten für eine STLP (einschließlich Verankerungssystemen) geringer als die einer vergleichbaren herkömmlichen TLP.
Erfindungsgemäß ist es nur das einzelne Spannbein oder Bündel von Spannkabeln im Mittelpunkt der Struktur, das nur das Stampfen wirksam einschränkt. Die Nick/Rollreaktion ist verstimmt. Dies ist eine einzigartige Kombination. Um zu verhindern, daß Nicken/Rollen ein wesentlicher Faktor auf das einzelne Spannbein der Plattform ist, ist die schwimmende Struktur dieser Erfindung verstimmt; d.h. sie ist so konstruiert, die natürliche Nick/Rollperiode der Struktur außerhalb des Bereichs der Meereswellenperioden zu halten, welche typischerweise im Bereich von 4 Sekunden bis 18 Sekunden liegen. Wenn die natürliche Periode der Struktur bezüglich Nick/Rollantwort etwa 30 Sekunden ist, hat die Struktur einen sehr guten Stand. Jedenfalls soll die natürliche Roll/Nickperiode gut über etwa 20 Sekunden liegen, was normalerweise über der interessierenden Meereswellenperiode ist. Es ist selbstverständlich bekannt, daß einige durch Dünung erzeugte Perioden über 20 Sekunden liegen können, jedoch haben diese normalerweise eine relativ geringe Wellenhöhe.
Die STLP ist unter Verwendung der Konstruktionstheorie für halbtauchfähige Fahrzeuge verstimmt. Das Verstimmen in Bezug auf Nick/Rollreaktion bedeutet hier die Ausbildung der Nick/Rollantwortperiode außerhalb der interessierenden Meereswellen, die wie gerade gesagt, von etwa 4 Sekunden bis etwa 18 Sekunden ist. Allgemein gesagt kann die natürliche Periode der Nick/Rollantwort verlängert werden durch Verlagerung der peripheren Säulen nach Innen und/oder mindern der totalen Wasserfläche durch die Säulen, die deren Querschnittsfläche ist.
Nachfolgend wird auf Fig. 6 verwiesen, die eine Anordnung von Spannkabeln 27 und Steigleitungen 40 innerhalb der zentralen Säule 30 darstellt. Die Spannbeine sind mit Verbindern 42 verbunden, die wiederum an der Zentralsäule 30 befestigt und von ihr gehalten sind, so daß auf die Spannbeine 27 wirkende Last direkt durch die Zentralsäule 30 getragen wird. So nahe an der Wasseroberfläche 38 wie möglich sind biegsame Gelenke 44 vorgesehen. Dies unterstützt das Unterdrücken des mittleren Trimm/Krängungswinkels, der primär durch Windlasten während extremer Umweltbedingungen entsteht. Die Steigleitungen 40 reichen über die Wasseroberfläche und können durch herkömmliche Verbindungssteuerungen angebracht werden. Weil die in der Zentralsäule 30 angeordneten Steigleitungen 40 vor Wellenkräften geschützt sind, ist es auch möglich, einfache elastische Oberendhalteverbinder vorzusehen. Auf dem Deck 36 sind Mannschaftsquartiere 46, die ein Hubschrauberdeck halten, ein Ausbesserungskran 50, ein Abfackelmast 52 und andere Einrichtungen befestigt.
Wie oben erläutert, ist die Nick/Rollperiode der erfindungsgemäßen STLP nicht auf weniger als 4 Sekunden eingeschränkt, wie dies allgemein bei TLP's erforderlich ist. Darüberhinaus ist die natürliche Stampfperiode nicht auf weniger als 4 Sekunden beschränkt, sondern kann 6 Sekunden oder mehr erreichen, was bestimmte Vorteile mit sich bringt. Beispielsweise können elastischere (weichere) Spannbeine verwendet werden. Für Massivstahlquerschnitte bedeutet dies, daß weniger Stahl erforderlich ist. Besonders wichtig ist, daß dieses Faktum in vielen Fällen die Verwendung paralleler Drahtlitzen erlaubt oder sogar relativ stark gedrillter Stahlkabel, oder Synthetikfaserkabel (KEVLAR , Aramidfaser, Carbonfaser usw.). Jede der letzteren kann auf Trommeln relativ geringen Durchmessers aufgewickelt werden, was eine schnelle Anbringung des Spannbeins direkt von der STLP bei Ankunft am Standort erlaubt.
Nachfolgend wird auf Fig. 9 verwiesen, die ein Spannseilbündel 28 zeigt, das aus 6 einzelnen Spannseilen 27 zusammengesetzt ist. Dieses freistehende Spannseilbündel kann vor der Ankunft der Plattform an dem Fundament 58 angebracht werden. Wenn diese Spannseile 27 aus Stahl hergestellt sind, sollten daran permanente Schwimmermittel 60 auf Dauer angebracht sein. Dieser Auftrieb kann erhalten werden durch Zugabe von syntaktischem Schaumstoff. Der Auftrieb sollte bevorzugt gleich bis etwa die Hälfte des Gewichts von dem Stahl sein. Weiter ist am Oberteil des Spannseilbündels 28 ein vorübergehendes Schwimmerbauteil 62 gezeigt. Die Spannseile nach Fig. 9 können zwischen der Zentralsäule der STLP und dem Meeresgrundanker angeschlossen sein, ähnlich dem Verfahren zur Verbindung von Spannseilen zwischen den Beinen einer TLP und dem Meeresgrund.
Nachfolgend wird auf Fig. 8 verwiesen, die ein Meeresgrundformteil 65 zeigt, das einen Außenrahmen 66 mit Steigrohren 41, die durch Löcher in der Platte 68 des Formteils 65 gehen, umfaßt. Weiter ist eine Mehrzahl Verankerungspfähle 70 vorgesehen, die das Formteil 65 in einer bekannten Weise verankern. Die sechs Spannseile 27 sind jeweils an der Platte 29 durch im Handel erhältliche Biegegelenkankerverbinder gesichert. Diese Verbindungen der Spannseile, Steigleitungen und Anker an dem Formteil können mit bekannten Techniken und mit im Handel erhältlicher Ausrüstung durchgeführt werden. Weil man dieses relativ kleine, integrierte Bohrloch/Fundamentformteil in einem Arbeitsgang anbringen kann, bringt dies einen bestimmten Vorteil gegenüber mehrfachen, komplizierten Arbeitsgängen, die bei herkömmlichen TLP's geplant und durchgeführt werden mußten.
Fig. 7A und 7B zeigen Ponton-Anordnungen zur Verwendung 5 peripherer Säulen 74, die durch Pontons 75 mit einer Zentralsäule 76 verbunden sind.
Nachfolgend wird auf Fig. 10 verwiesen, die periphere Säulen zeigt, die nicht durch Pontons, sondern durch strukturelle Verstrebungen verbunden sind. Es ist dort eine Hauptsäule 30 gezeigt, die ein Hauptdeck 36 trägt. Verstrebungen 78 sind verwendet, um die peripheren Säulen 34 an dem Deck 36 sichern zu helfen. Eine leichtgewichtige abgespreizte Verankerungsleine 80 ist vorgesehen, um das Gieren zu verhindern. Anzumerken ist, daß die Spannseile zur Außenseite der Zentralsäule verlagert wurden, jedoch immer noch als einzelnes Spannbein mit nur begrenzter Nick/Rolleinschränkung wirken. Die Verankerungsleine 80 hat keine Wirkung auf zentrales Stampfen.
Obwohl die Erfindung in stärker eingeschränkten Aspekten ihrer bevorzugten Ausführungen beschrieben wurde, wurden andere Ausführungen vorgeschlagen, und noch andere erkennt der Fachmann durch Lesen und Verstehen der vorangehenden Beschreibung.

Claims

1. Plattform mit Ankerkabel zur Verwendung in einem Wasserkörper mit einem Grund und einer Oberfläche, umfassend:

ein Deck;

wenigstens vier Schwimmersäulen;

Verbindungsmittel zum Verbinden der Schwimmersäulen und Haltemittel zum Halten des Decks durch die Schwimmersäulen, dadurch gekennzeichnet daß die Schwimmersäulen eine zentrale Schwimmersäule umfassen, die durch die Verbindungsmittel mit wenigstens drei, symmetrisch um die zentrale Schwimmersäule herum angeordneten peripheren Schwimmersäulen verbunden ist und

daß die Plattform ein und nur ein vertikales Ankerkabel mit einem oberen und einem unteren Teil enthält, wobei das obere Teil mit der zentralen Schwimmersäule verbunden ist und das untere Teil mit einem Anker auf dem Grund verbindbar ist.

2. Plattform mit Ankerkabel nach Anspruch 1, in der die natürliche Periode der Stampf/Rollreaktion der Plattform größer als etwa 20 Sekunden ist.

3. Plattform mit Ankerkabel nach Anspruch 1 oder 2, in der das Verbindungsmittel Pontons umfaßt, die ein unteres Ende der peripheren Schwimmersäulen mit der zentralen Schwimmersäule verbinden.

4. Plattform mit Ankerkabel nach Anspruch 1, 2 oder 3, in der das Verbindungsmittel über dem Wasser strukturelle Verstrebungsglieder enthält.

5. Plattform mit Ankerkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend ein Festmacherseil, das nur zwischen den peripheren Säulen und in horizontalem Abstand davon dem Grund angeschlossen ist, zur Begrenzung von Horizontalbewegungen der Plattform,

6. Plattform mit Ankerkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in der das Ankerkabel ein eine Mehrzahl Kabel enthaltendes Kabelbündel umfaßt.

7. Plattform mit Ankerkabel nach Anspruch 6, in der das Kabelbündel an dem Anker vormontiert und angebracht ist.

8. Plattform mit Ankerkabel zur Verwendung in einem Wasserkörper mit einem Grund und einer Oberfläche, umfassend:

eine Hauptstruktur mit einem Deck;

einen Grundanker;

Schwimmermittel, umfassend periphere Stabilisierschwimmer-Halteglieder zum Halten der Hauptstruktur, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattform ein einzelnes, im wesentliches vertikales Ankerkabel umfaßt, das mit einem inneren Mittelbereich der Struktur und mit dem Anker verbunden ist, wobei das einzelne Ankerkabel die einzige im wesentlichen vertikale Festmacherverbindung zwischen der Struktur und dem Boden des Wasserkörpers ist.

9. Plattform mit Ankerkabel nach Anspruch 8, in der eine Roll/Stampfreaktionsperiode der Plattform einschließlich des Decks und der Schwimmermittel größer als 20 Sekunden ist.

10. Plattform mit Ankerkabel nach Anspruch 8 oder 9, weiter umfassend eine Mehrzahl von Unterseebohrungen zu der Plattform sich erstreckende Steigleitungen, die relativ zu dem Ankerkabel konzentrisch angeordnet sind.

11. Plattform mit Ankerkabel nach Anspruch 8, 9 oder 10, in der das Ankerkabel ein eine Mehrzahl Kabel enthaltendes Kabelbündel umfaßt.

12. Plattform mit Ankerkabel nach Anspruch 11, in der das Ankerkabel eine Mehrzahl Synthetikfaserkabel umfaßt, die auf Trommeln relativ kleinen Durchmessers wickelbar sind.

13. Plattform mit Ankerkabel nach Anspruch 11, in der das Ankerkabel eine Mehrzahl Stahlkabel umfaßt, die auf Trommeln relativ kleinen Durchmessers wickelbar sind.

14. Plattform mit Ankerkabel nach einem der Ansprüche 8 bis 13, umfassend ein Festmacherseil, das nur zwischen den peripheren Säulen und mit horizontalem Abstand davon dem Grund verbunden ist, zur Begrenzung von Gierbewegungen der Plattform,

15. Plattform mit Ankerkabel zur Verwendung in einem Wasserkörper mit einem Grund und einer Oberfläche, umfassend:

ein Deck;

eine Schwimmersäule zum Halten des Decks;

einen Anker am Grund;

ein vertikales Ankerkabel mit einem Oberende und einem Unterende und

Mittel zum Verbinden des Oberendes des Ankerkabels mit der Schwimmersäule und seines Unterendes mit dem Anker, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattform eine zentrale Schwimmersäule, ausgestellte Module und Verbindungsmittel zum festen Verbinden der Module mit der zentralen Schwimmersäule umfaßt, wobei ein und nur ein vertikales Ankerkabel mit der zentralen Schwimmersäule verbunden ist und kein im wesentlichen vertikales Verankerungsglied zwischen den ausgestellten Modulen und dem Grund vorhanden ist.

16. Plattform mit Ankerkabel nach Anspruch 15, umfassend ein Festmacherseil zur Begrenzung von Horizontalbewegungen, das zwischen den Modulen und mit horizontalem Abstand davon dem Grund angeschlossen ist, wodurch die Plattform nicken und rollen kann, jedoch durch das einzelne im wesentlichen vertikale Ankerkabel an Stampfbewegungen gehindert ist.

17. Plattform mit Ankerkabel nach Anspruch 15 oder 16, in der die ausgestellten Module mit der Mittelsäule durch untergetauchte Pontonstrukturen und über der Wasseroberfläche durch Verstrebungen verbunden sind, wobei die Pontons und die Schwimmermodule ausgebildet sind, um wellenbedingte Nick- und Rollreaktionen zu minimieren.