EA000448B1 - Морская эксплуатационная платформа - Google Patents

Description

Настоящее изобретение относится к морской эксплуатационной платформе, в частности - к морской нефтепромысловой эксплуатационной платформе, типа содержащей верхнюю баржу, простирающуюся над уровнем моря и соединенную с полностью погруженным полым нижним основанием посредством частично погруженных соединительных ног, образующих резервуар плавучести и вытянутых по существу вертикально.

Платформы этого типа известны как полупогружные платформы. Чтобы сделать такие платформы устойчивыми в эксплуатационном положении, нижнее основание балластируют, например путем заполнения его морской водой. В известных платформах ноги образованы цилиндрическими колоннами со сплошными стенками, ограничивающими по всему вертикальному размеру замкнутое пространство, создающее резервуар плавучести для платформы.

Эти платформы не опираются непосредственно на морское дно, а просто закрепляются на якорях швартовами. По этой причине они очень чувствительны к волнению моря, которое вызывает восходящие и нисходящие вертикальные перемещения платформы. Амплитуда этих перемещений может достигать больших значений. Это явление затрудняет добычу нефти с помощью платформы.

При попытке решить эту проблему было предложено увеличить длину ног так, чтобы основание погружалось на большую глубину. Результат, достигнутый от реализации этого решения, оказался неудовлетворительным, а такие платформы трудно изготавливать и устанавливать. Более того, они характеризуются неустойчивостью при установке.

В заявке на патент Франции № 2713588 А описана самоподъемная платформа, имеющая ноги, образованные по всему вертикальному размеру металлической решеткой. Поплавки, встроенные в ноги, позволяют платформе сохранять плавучесть. Однако они не предназначены для уменьшения вертикальных перемещений платформы.

Цель настоящего изобретения заключается в создании морской эксплуатационной платформы, которая мало чувствительна к волнению и в которой длина ног, соединяющих верхнюю баржу с нижним основанием, ограничена.

Для достижения этой цели в качестве объекта изобретения предложена морская эксплуатационная платформа, в частности морская нефтепромысловая эксплуатационная платформа, вышеупомянутого типа, отличающаяся тем, что вдоль подводного вертикального размера ноги имеют, по меньшей мере, два следующих друг за другом участка, первый участок со сплошными стенками, ограничивающий замкнутое пространство и образующий резервуар плавучести, и второй участок с обечайкой открытой конструкции, при этом внутреннее пространство этого второго участка сообщается с окружающей морской средой.

В соответствии с конкретными воплощениями изобретение может представляться одним или более количеством отличительных признаков из следующих признаков:

второй участок с обечайкой открытой конструкции выполнен в виде металлической решетчатой структуры, второй участок с обечайкой открытой конструкции расположен между первым участком со сплошными стенками и основанием, первый участок со сплошными стенками вытянут, по меньшей мере, частично, непосредственно под баржой, первый участок и второй участок имеют такие размеры, что в обычном диапазоне периодов волнения сила давления, приложенная к первому участку со сплошными стенками, по существу компенсируется из-за ускоряющей силы, первый участок и второй участок имеют такие размеры, что для двух значений периода волнения, находящихся в обычном диапазоне периодов волнения, сила давления и ускоряющая сила равны, наименьшее значение периода волнения, для которого сила давления и ускоряющая сила равны, составляет более 4 с, подводный вертикальный размер второго участка находится между одной четвертью и тремя четвертями от общего подводного вертикального размера ноги, подводный вертикальный размер второго участка находится, в основном, между 0,4 и 0,65 от общего подводного вертикального размера ноги, ноги имеют цилиндрическую форму поверхности по всей длине, основание снабжено, по меньшей мере, одним отверстием, проходящим по существу через него вертикально, основание заполнено образованным жидкостью балластом, в частности морской водой, баржа установлена с возможностью перемещения вдоль ног, и предусмотрены механизмы для относительного перемещения и сцепления баржи с ногами, второй участок с обечайкой открытой конструкции расположен между двумя участками со сплошными стенками вдоль подводного вертикального размера ног.

Изобретение станет более понятным при чтении последующего описания, приведенного только для примера со ссылкой на чертежи, на которых:

фиг. 1 - схематичная вертикальная проекция нефтепромысловой платформы согласно настоящему изобретению;

фиг. 2 - график, представляющий передаточную функцию платформы согласно уровню техники в зависимости от периода волнения;

фиг. 3 - график, представляющий изменение силы давления и ускоряющей силы, приложенных к платформе согласно уровню техники, в зависимости от периода волнения; и фиг. 4 и 5 - графики, аналогичные представленным на фиг. 2 и 3, для платформы согласно настоящему изобретению.

На фиг. 1 схематично представлена нефтепромысловая платформа полупогружного типа с самоподъемным основанием. Она по существу содержит верхнюю баржу 1 , простирающуюся над поверхностью моря, когда платформа находится в режиме эксплуатации, и соединенную с помощью ног 2 с погруженным нижним основанием 3.

Обычно верхняя баржа имеет в своем составе технические сооружения и жилые отсеки (не показанные), а также буровую шахту и оборудование 4 устья скважины.

Кроме того, в барже 1 образованы проходы для пропускания ног 2. Подъемные механизмы расположены вокруг проходов 5 и позволяют опускать ноги 2 и основание 3, а баржу 1 - поднимать с помощью лебедки над поверхностью воды на высоту, которая находится за пределами досягаемости самых высоких волн. Механизмы 6 представляют собой, например, зубчатые рейки и шестерни, причем зубчатые рейки протянуты по всей длине ног 2. Эти механизмы 6 дополнительно содержат средства для сцепления ног 2 с баржой 1 , чтобы обеспечить жесткое соединение между ногами и баржой.

Ноги 2, которых может быть, например, четыре, имеют цилиндрическую форму поверхности по всей длине. В воплощении, показанном на фиг. 1 , они имеют квадратное поперечное сечение, но точно таким же образом они, бесспорно, могут иметь круговое или треугольное поперечное сечение.

Все ноги 2 выполнены одинаковыми и вдоль подводного вертикального размера имеют два следующих друг за другом участка. Первый, верхний, участок 10 образован трубой со сплошной стенкой, закрытой на нижнем конце днищем 12. Тем самым этот первый участок ограничивает замкнутое пространство, изолированное от окружающей морской среды, и создает резервуар плавучести для платформы. Верхняя часть этого первого участка возвышается над уровнем моря по обеим сторонам баржи 1 . Его нижняя часть вытянута непосредственно под баржой 1 и частично погружена.

Первый участок переходит во второй участок 14 с обечайкой открытой конструкции, причем внутреннее пространство этого второго участка сообщается с окружающей морской средой. Таким образом, этот второй участок введен между первым участком 1 0 и основанием 3 и образован, например, металлической решетчатой структурой. Эта структура имеет в своем составе четыре металлические вертикальные стойки 1 6, скрепленные друг с другом решеткой 18 металлических труб.

Верхний конец второго участка приварен к нижнему концу участка 10, а нижний конец - к основанию 3.

Как показано на фиг. 1, в эксплуатационном положении подводный вертикальный размер Z_t первого участка 10 со сплошной стенкой составляет по существу одну третью часть общего подводного вертикального размера Z_m ног 2. Поэтому второй участок решетчатой конструкции полностью погружен и в показанном воплощении вытянут по существу на две третьих части общего подводного вертикального размера ног 2. В общем случае подводный вертикальный размер второго участка с обечайкой открытой конструкции находится между одной четвертью и тремя четвертями от общего подводного вертикального размера ног 2.

Расчет показывает, что на практике подводный вертикальный размер второго участка в общем случае находится, в основном, между 0,4 и 0,65 от общего подводного вертикального размера ног.

Основание 3 является полым и имеет в целом квадратную, прямоугольную или треугольную форму. Оно заполнено морской водой и поэтому образует балласт для всей платформы. Оно также может содержать расположенные внутри резервуары, в которых запасаются углеводороды. Кроме того, непосредственно через основание 3 проходит центральное отверстие 20. Это отверстие уменьшает поверхностное сопротивление, создаваемое воде при вертикальном перемещении платформы. Через него также можно опускать бурильные инструменты.

В положении, показанном на фиг. 1 , платформа удерживается на поверхности воды благодаря погруженным частям первых участков 1 0 со сплошными стенками. Эти участки подвергаются действию силы давления, обозначенной как F_p и действующей на их днища 12. Сила давления F_p зависит от подводного вертикального размера Zt первого участка 1 0.

В первом приближении она может быть выражена в виде:

Fp = Л _:е f(t), где Λ_ω - площадь поверхности плавучести, т.е. площадь днищ 1 2;

β - волновое число волнения и f(t) - подъем уровня свободной поверхности моря в функции времени.

Кроме того, вся платформа подвергается действию ускоряющей силы, обозначенной как F_a, которая обусловлена, главным образом, перемещениями воды и, особенно, их действиями на основание 3. Эта ускоряющая сила зависит от общего подводного вертикального размера Z_m ног 2. В первом приближении она может быть выражена в виде:

F_a= ly Be ^eZmf(t), где k - постоянная для заданного периода волнения, а B - сумма массы основания 3, заполненного водой, и присоединенной массы. Присоединенная масса является фиктивной массой, принимаемой в расчет из-за действия морской воды, окружающей основание, на платформу, когда платформа перемещается.

Две силы, F_a и F_p, приложенные к платформе, находятся в противофазе. При таком условии понятно, что возможно задать размеры первого и второго участков, при которых подводный вертикальный размер Z_t участка 10 становится таким, что в пределах обычного диапазона периодов волнения сила давления F_p, прилагаемая к этому первому участку, в значительной мере компенсируется ускоряющей силой F_a платформы. В дополнение к этому, выбор размеров может быть сделан так, что для двух значений периода волнения, находящихся в пределах обычного диапазона периодов волнения, эти силы становятся равными.

С этой целью, когда выбирают размеры платформы, поверхность плавучести, т. е. поверхность пересечения ног с зеркалом воды, и объем основания определяют в первую очередь. Затем, используя известный метод устойчивости, определяют необходимый общий подводный вертикальный размер Z_m ног.

Подводный вертикальный размер Zt первого участка со сплошной стенкой определяют решением уравнения, приравнивающего силы F_a и F_p, которые приложены к платформе.

Далее, используя машинное моделирование поведения платформы, удостоверяются в том, что два значения периода волнения, при которых силы F_a и F_p равны, находятся внутри обычного диапазона периодов волнения. В частности удостоверяются в том, что наименьшее значение периода волнения, при котором две силы равны, больше 4 с.

В противном случае выполняют новый расчет вертикальных размеров Zm и Zt для основания другого объема или иной формы. Это делают потому, что изменение конструкции основания, в частности изменение его формы, ведет к изменению присоединенной массы. Таким путем вертикальные размеры Z_m и Z_t изменяют относительно значений периода волнения, для которых две силы, Fa и Fp, равны.

На фиг. 2 представлена передаточная функция платформы согласно известному уровню техники, т.е. платформы с ногами, образованными одним участком со сплошной стенкой, вытянутым от основания 3 до баржи 1 , в зависимости от периода Т волнения, выраженного в секундах. Передаточная функция при вертикальной качке представляет собой отношение амплитуды перемещения платформы бросками к амплитуде волнения, составляющей один метр, при этом вертикальная качка характеризуется величиной, отражающей восходящие и нисходящие вертикальные перемещения платформы под действием волнения.

Из этой кривой видно, что вертикальная качка платформы является значительной в диапазоне периодов от 18 до 28 с. Этот диапазон периодов соответствует высоким значениям периодов волнения, с которыми обычно встречаются. Более того, вертикальная качка является экстремально большой для периодов волнения, близких к 24 с.

На фиг. 3 для платформы согласно известному уровню техники представлены изменение силы давления F_p и изменение ускоряющей силы Fa в зависимости от периода Т волнения, выраженного в секундах. Из этих кривых можно видеть, что амплитуды сил F_a и F_p для периода менее 28 с - очень значительные. Более того, различия между значениями сил Fa и Fp являются большими. Поэтому платформа подвергается действию, главным образом, ускоряющей силы F_a, и это проявляется в значительной вертикальной качке, показанной кривой на фиг. 2. Для периода, по существу равного 31 с, значения F_a и F_p по существу равны, что соответствует по существу отсутствию вертикальной качки, как показано на этой фигуре.

Для платформы согласно изобретению, показанной на фиг. 1, передаточная функция представлена на фиг. 4, в то время как силы Fa и F_p представлены на фиг. 5.

На фиг. 5 можно видеть, что вследствие выполнения ног из двух следующих друг за другом участков, один из которых имеет сплошные стенки, а другой из которых имеет обечайку открытой конструкции, значения сил F_a и F_p можно приблизить друг к другу в широком диапазоне периодов волнения, между 0 и 24 с, соответствующем обычному волнению. Более того, кривые, представляющие силы Fa и Fp, пересекаются в двух точках этого диапазона значений; эти точки в материальном смысле означают, что силы находятся в противофазе и соответствуют устранению результирующей возбуждающей силы, прикладываемой к платформе.

На фиг. 4 видно, что, поскольку ускоряющая сила F_a и сила давления F_p компенсируют друг друга по существу во всем диапазоне периодов, соответствующих обычным волнениям, вертикальная качка платформы является очень небольшой. В частности, максимальная вертикальная качка, существовавшая в этом диапазоне, соответствует по существу 1/6 части максимальной вертикальной качки, наблюдавшейся у платформы согласно уровню техники.

Более того, на этой фигуре кривая приходит к нулю при двух различных периодах Т (15,5 с и 23,5 с), а не только при одном значении, как в случае известных платформ. Эти два нулевых значения являются результатом двух точек пересечения кривых, представляющих ускоряющую силу Fa и силу давления Fp.

Представленные здесь кривые были получены для платформы, у которой подводный вертикальный размер Z_t первого участка 10 со сплошными стенками равен 50 м и у которой общая подводная длина Z_m равна 140 м. Объем основания был равен 33000 м³, площадь поверхности плавучести (сумма площадей днищ 12) равна 841 м². Присоединенная масса платформы была равна 194,750 т.

В качестве альтернативного решения (не показанного) можно между нижним концом участков 1 4 решетчатой структуры и основанием 3 ввести участки со сплошной стенкой, образующие дополнительные резервуары плавучести и накопительные резервуары для платформы. При этом участки 14 решетчатой структуры размещают между двумя участками со сплошными стенками вдоль подводного вертикального размера ног.

Более того, при изготовлении ног платформы возможна любая другая компоновка следующих друг за другом участков, некоторые из которых имеют сплошные стенки, а другие обечайку открытой конструкции.

Заметим, что при использовании этого типа платформы длина ног не зависит от глубины места эксплуатации.

Кроме того, хорошая устойчивость платформы позволяет устанавливать на барже оборудование устья скважины.

Claims (14)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Морская эксплуатационная платформа, в частности морская нефтепромысловая эксплуатационная платформа, содержащая верхнюю баржу (1 ), простирающуюся над уровнем моря и соединенную с полностью погруженным, полым нижним основанием (3) посредством частично погруженных соединительных ног (2), образующих резервуар плавучести и вытянутых по существу вертикально, отличающаяся тем, что ноги (2) вдоль подводного вертикального размера имеют, по меньшей мере, два следующих друг за другом участка (1 0, 1 4), первый участок (1 0) со сплошными стенками, ограничивающий замкнутое пространство и образующий резервуар плавучести, и второй участок (14) с обечайкой открытой конструкции, при этом внутреннее пространство этого второго участка (14) сообщается с окружающей морской средой.
2. 2. Платформа по п.1, отличающаяся тем, что второй участок (14) с обечайкой открытой конструкции выполнен в виде металлической решетчатой структуры (18).
3. 3. Платформа по п.1 или 2, отличающаяся тем, что второй участок (1 4) с обечайкой открытой конструкции расположен между первым участком (10) со сплошными стенками и основанием (3).
4. 4. Платформа по любому одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что первый участок (10) со сплошными стенками вытянут, по меньшей мере, частично непосредственно под баржой (1 ).
5. 5. Платформа по любому одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что первый участок (10) и второй участок (14) имеют такие размеры, при которых в обычном диапазоне периодов волнения сила давления (F_p), приложенная к первому участку (10) со сплошными стенками, по существу компенсируется ускоряющей силой (F_a) платформы.
6. 6. Платформа по п.5, отличающаяся тем, что первый участок и второй участок имеют такие размеры, при которых для двух значений периода волнения, находящихся в обычном диапазоне периодов волнения, сила давления (F_p) и ускоряющая сила (F_a) равны.
7. 7. Платформа по п.6, отличающаяся тем, что наименьшее значение периода волнения, для которого сила давления (Fp) и ускоряющая сила (F_a) равны, составляет более 4 с.
8. 8. Платформа по любому одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что подводный вертикальный размер второго участка (14) находится между одной четвертью и тремя четвертями общего подводного вертикального размера ноги (2).
9. 9. Платформа по п.8, отличающаяся тем, что подводный вертикальный размер второго участка (14) находится, в основном, между 0,4 и 0,65 от общего подводного вертикального размера ноги (2).
10. 1 0. Платформа по любому одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что ноги (2) имеют цилиндрическую форму поверхности по всей длине.
11. 11. Платформа по любому одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что основание (3) снабжено, по меньшей мере, одним отверстием (20), проходящим по существу через него вертикально.
12. 1 2. Платформа по любому одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что основание (3) заполнено образованным жидкостью балластом, в частности морской водой.
13. 1 3. Платформа по любому одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что баржа (1) установлена с возможностью перемещения вдоль ног (2), и тем, что предусмотрены механизмы (6) для относительного перемещения и сцепления баржи (1 ) с ногами (2).
14. 1 4. Платформа по любому одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что второй участок (14) с обечайкой открытой конструкции расположен между двумя участками со сплошными стенками вдоль подводного вертикального размера ног (2).