NO842470L - Flytende halvsenk-konstruksjon - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en flytende halvsenk-konstruksjon av stål og/eller betong, omfattende minst tre innbyrdes forbundne ben som står på en avstand fra hverandre på minst det dobbelte av den største tverrsnittsdimensjon av bena og er innrettet til å inneholde ballast ved sine nedre ender for økning av konstruksjonens stabilitet.

Ved utvinning av petroleumsprodukter til havs benyttes vanligvis faste konstruksjoner som enten er forankret ved hjelp av pæler som er slått ned i havbunnen, eller hviler på denne med sin egen vekt. Med økende vanndybder øker vekten og dermed kostnadene av faste konstruksjoner dramatisk. Eksempelvis vil en stålplattform som er bygget for.300 m vanndyp i Nordsjøen, kreve 60-80.000 tonn stål bare i selve plattformen. I tillegg krever pælene store stålvekter. De angitte vekter er basert på den antagelse at vekten av det fullt utstyrte dekk er ca. 30.000 tonn. Den nødvendige stålvekt i konstruksjonen varierer imidlertid ikke meget med dekksvekten.

Det er derfor nødvendig å konsentrere produksjonsutstyret på et lite antall meget store plattformer, selv om strukturen av reservoaret skulle tilsi en mere spredt utbygging.

Der er således et behov for en plattform-type som er bil-ligere, og som kan brukes på de større havdyp på felter som vil bli utbygget i fremtiden.

Av denne grunn er det brukt store summer på utvikling av flytende produksjonsplattformer. Disse forbindes med brønnene på havbunnen og med rørledninger osv. gjennom stigerør.

Det viktigste problem som utviklingen har vært konsentrert om, er en reduksjon av plattformens bevegelser som følge av bølger til et nivå som kan tåles av stigerørsystemet, som må oppta den relative bevegelse mellom plattformen og havbunnen.

I Nordsjøen har maksimumsbølgen en høyde på 32 m, og dens periode er ca. 15 sekunder. Et skip som ligger tvers på så store bølger, vil bevege seg vertikalt nesten 32 m, og bevegelsen i horisontalretningen er også betydelig. Ingen kjente stigerørsystemer kan tåle slike bevegelser.

Under slike betingelser vil et halvsenkfartøy bevege seg noe mindre enn halvparten av bevegelsene av et vanlig skips-skrog. Halvsenkfartøyer består i prinsippet av en eller flere neddykkede pongtonger foruten et antall ben eller søyler som rager opp over vannflaten og bærer et dekk eller en overbygning over vannet. Forbedringen i bevegelsesegenskapene når det gjel-der vertikalbevegelse eller hiv oppnås ved balansering av tverrsnittsflaten av søylene mot volumet og formen av pongtongene slik det vil bli forklart: Som kjent reduseres trykkpulseringene under en bølge eksponensielt med avstanden fra overflaten, og trykkpulseringene er derfor alltid større på oversiden av pongtongen enn på undersiden. Denne forskjell vil medføre at en fritt flytende neddykket pongtong vil bevege seg med det omgivende vann. Hvis man imidlertid ved hjelp av egnet dimensjonerte søyler som rager gjennom vannflaten, reduserer overfltearealet på oversiden, kan de krefter som virker på oversiden, reduseres til tilnærmet samme størrelse som de på undersiden, idet kreftene utgjør produktet av trykket og arealet. De vertikale bevegelser av pongtongen som følge av bølger vil derfor være mindre enn bevegelsen av det omgivende vann. Denne reduksjon av den vertikale bevegelse kommer i tillegg til den reduksjon som skyldes at vannet på større dybder beveger seg vesentlig mindre enn overflatebølgene. Man må unngå resonnans for de bølgeperioder som forekommer, og dette setter grenser for i hvor stor grad man kan utnytte avstemningsmulighetene.

Den første flytende produksjonsplattform som er bygget, er strekkstagplattformen til Hutton-feltet. Skroget til denne plattform er utformet som et halvsenkfartøy for reduksjon av de krefter som virker på strekkstagene, som holder plattformen på en fast avstand fra havbunnen. Plattformen beveger seg hoved-sakelig på en kuleflate med sentrum i forankringen på bunnen.

Vekten av det utstyrte dekk på Hutton-plattformen er 17.000 tonn, og strekket i stagene er ca. 13.600 tonn i stille vann. Bærekonstruksjonen må tåle variasjonene i strekk under sjøgang, også om et av stagene skulle briste. Bærekonstruksjonen veier ca. 30.000 tonn. Det samlede deplasement er således ca. 60.000 tonn, og vekten av forankringene utgjør ytterligere 8.000 tonn. Disse tall viser at forholdet mellom nyttelast og samlet vekt av konstruksjonen er nesten like ugunstig som for en fast plattform når vanndybden er 300 m.

Hvis dot var mulig å erstatte strekkstagene på Hutton-plattformen med vanlige forankringer, ville mesteparten av de 13.600 tonn som strekklasten utgjør, teoretisk kunne benyttes til utstyr. I tillegg ville de belastninger på bærekonstruksjonen som skyldes strekkstagene, falle bort, slik at konstruksjonen ville kunne bygges lettere. Dermed ville forholdet mellom nyttelast og konstruksjonsvekt tilnærmet kunne fordobles.

Dette resonnement, som ikke tar hensyn til praktiske pro-blemer som stabilitet, viser at man ved strekkstag-plattformer må betale en høy pris i form av stålvekt for å minske bevegelsene i bølger.

Følgelig leter konstruktører etter andre og mindre kostbare veier til å redusere bevegelsene i sjøgang til størrelser som kan tåles av et stigerørsystem.

Shell Spar er en kjent konstruksjon som er installert på Brent-feltet. Denne er en smal, dyp betongsylinder med mindre diameter nær havflaten enn lengre nede. Sylinderen er forankret på vanlig måte. Den er utført som en lagrings- og lasteenhet med bare liten dekksvekt. Konstruksjonen holdes oppreist ved hjelp av ballast i bunnen. Det store dypgående reduserer hivbevegelsene, og det reduserte vannplanareal fører i tillegg til små horisontalbevegelser. Det synes imidlertid som om det ikke har vært nødvendig fullstendig å utnytte prinsippet for halvsenk-konstruksjoner. Den enkle geometriske form av konstruksjonen vil gi meget liten hydrodynamisk demping, slik at konstruksjonen når den settes i bevegelse vil fortsette å svinge vertikalt i lang tid. Dette er en ulempe ved denne utførelse. En annen ulempe ved bruk av konstruksjonen som produksjonsplattform er at den ville trenge store mengder ballast for å bli stabil med stor dekksvekt.

Shell Semi-Spar er en annen utførelse. Dette er en halv-senkplattform med et avstemt volumforhold mellom søyler og en sylindrisk pongtong. Ballast i seks ben bidrar til stabili-teten. Disse bena senkes etter at plattformen er tauet på plass. Før dette er gjort har konstruksjonen svært lite dypgående og kan bygges ved verft som ligger ved grunt vann. Da pongtongen ligger relativt dypt, er hivbevegelsen begrenset til ca. 1/3 av bølgehøyden. Av denne grunn kan plattformen trolig brukes ved utvinning av olje i Nordsjøen, men ikke for gass-produksjon, som setter større krav til stigerørsystemet.

En ytterligere utførelse er leddtårnet. Denne konstruksjon holdes i oppreist stilling av flyteelementer og ballast, og tårnet forankres til havbunnen ved et universalledd. Ballast-mengden velges slik at leddet er praktisk talt ubelastet i rolig sjø. Konstruksjonen kan således anses som en flytende plattform som er forankret i leddet. Leddtårn bygges som laste-tårn eller fakkeltårn. Hvis de utformes som en produksjons-enhet, blir de laget av betong eller en kombinasjon av betong og stål eller som en skall- eller fagverkskonstruksjon. Dimen-sjonene kan optimaliseres som for halvsenkplattformer for å redusere kreftene på universalleddet. En ulempe er at leddet er vanskelig å reparere på grunn av sin størrelse og plassering. En leddtårn-plattform for ca. 38.000 tonn nyttelast og 300 m vanndyp vil ha en stålvekt på 32.000 tonn i tillegg til universalleddet og fundamentet. Den vil ha flottører på ca. 100.000 m 3 på ca. 100 m dyp, og ballasten vil være ca. 32.000 tonn. Forholdet mellom nyttelast og stålvekt vil være nesten det samme som for halvsenkplattformen til tross for den ekstra oppdrift som skaffes av ballasten. Grunnen til dette er at et dypt fagverk med moderat bredde er en mere effektiv måte å motstå bølgekrefter på.

De fleste flytende plattformkonstruksjoner er beregnet

på å bygges og taues i fullt utrustet tilstand på grunt vann, idet de fleste verft ligger i elvemunninger. For konstruksjoner beregnet for den norske kontinentalsokkel er dette en unødven-dig begrensning, da der i de norske fjorder finnes beskyttede byggeplasser med tilgang til dypt hav langs slepeveier med stort dyp. Dette forhold har vært utnyttet i Condeep-utførelsene for betongkonstruksjoner som hviler med sin vekt på havbunnen. Ved å utnytte denne geografiske fordel også for flytende plattformer står man friere i utformingen og kan spare vekt og kostnader.

Hovedformålet med oppfinnelsen er å utvikle en flytende konstruksjon hvor stigerørsystemet utsettes for betydelig mindre belastninger enn i kjente konstruksjoner av flytende produksjonsplattformer, hvorved det blir mulig å utvinne både olje og gass på dypt vann. En annen hensikt er å unngå de komp-liserte, tunge og kostbare strekkstagsystemer som anvendes i plattformutførelser av strekkstag-typen, å unngå dybdebegrens-ningen og det sårbare ledd hos leddtårnet, og å unngå risikoen for kantring etter skader som følge av den dårlige stabilitet av vanlige halvsenkplattformer.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse er konstruksjonens dypgående under drift minst dobbelt så stort som den maksimale bølgehøyde i de farvann plattformen er konstruert for. I Nordsjøen er den maksimale bølgehøyde 32 m, og plattformens dypgående skal da være minst 64 m. Det foretrekkes imidlertid å la dypgående være minst 128 m, og en stor plattform kan ha et dypgående på ca. 200 m.

På dette dyp vil overflatebølgene være praktisk talt fullstendig neddempet, og plattformens hivbevegelser i stormbølger vil bli meget små. Den del av stigerørsystemet som opptar ver-tikalbevegelser, kan forenkles tilsvarende.

I lys av de fordeler som kan oppnås ved at et halvsenk-fartøy med flere ben gis et dypgående i henhold til oppfinnelsen, skulle man ha ventet at forslag i denne retning ville ha vært fremsatt tidligere, hvis ideen hadde vært nærliggende. Det menes imidlertid at Shell Semi-Spar utgjør den konstruksjon som ligger nærmest den foreliggende oppfinnelse, og selv ikke denne konstruksjon har et dypgående som kommer i nærheten av det som foreskrives i henhold til oppfinnelsen. For å finne konstruksjoner med et slikt dypgående må man se på konstruksjoner som ikke har de innbyrdes forbundne ben i et halvsenkfartøy, men som isteden er utført som en smal dyp betongsylinder (Shell Spar).

Oppfinnelsen kan således også anses som en kombinasjon av et halvsenkfartøy (som er stabilt som følge av at vannplan-arealet er spredd over et stort område og ballasten er anbragt på betydelig avstand fra den vertikale midtakse) og en dyp sylinder av Spar-typen. Det kan ikke ses at en slik kombinasjon har vært foreslått eller utført.

Da konstruksjonen er utført som et flytende tårn, vil det være mulig å skaffe lagre eller forankringer som bærer stige-røret, eller å beskytte dette ved å føre det gjennom en søyle helt eller delvis ned til plattformens maksimale dypgående. Fra dette nivå og ned til havbunnen vil stigerøret ikke utsettes for bølgekrefter. I tillegg er hastigheten av strømmer på disse dyp vanligvis under halvparten av hastigheten av overflate-strømmer. Den frie lengde av stigerøret er redusert med en lengde svarende til plattformens dypgående, og også dette forhold bidrar til å redusere kreftene på stigerøret. Da bølge-kreftene har en resultant som angriper nær overflaten, vil bølgefrembragte rotasjoner av plattformen ha sitt sentrum nær det maksimale dypgående. Bølgene vil dermed bare frembringe små horisontalbevegelser av den frie strekning av stigerøret og små vinkelendringer mellom stigerøret og plattformen.

Ved at forankringsliner festes nær plattformens maksimale dypgående, vil innflytelsen av bølgekreftene på forankrings-systemet bli redusert, og det blir mulig å anvende strammere forankringsliner, noe som reduserer plattformens sideveis for-flytning som følge av vind og strøm. Også de horisontale bevegelser av stigerørsystemet blir redusert.

Hvis det skulle være ønskelig f.eks. for å skaffe et større oljelagringsvolum, kan volumet av den nedre del av konstruksjonen økes, hvorved der skaffes en virkning i likhet med pongtonger. Dette kan forstyrre den nødvendige balanse i henhold til halvsenk-teorien mellom volumene av søylene og de horisontalt utvidede partier eller pongtonger og dermed øke hivamplitudene. For å gjenopprette den nødvendige balanse kan det være gunstig å utføre volumene av de horisontalt utvidede partier strømlinjeformet, slik at mindre vann settes i bevegelse.

Plattformen kan bygges på flere måter. Et foretrukket alternativ er å bygge bære- eller hovedkonstruksjonen og dekket hver for seg og forbinde disse deler innenskjærs på et sted med dypt vann langs ruten til det sted plattformen skal brukes på.

Hovedkonstruksjonen kan bygges som en konvensjonell stålplattform, sjøsettes, reises på ende og senkes ved fylling med vann inntil bare noen få meter av minst ett ben rager over vannflaten. Alternativt kan konstruksjonen bygges som en Condeep, dvs. at det nedre parti bygges i en tørrdokk, fløtes ut og senkes gradvis ned i sjøen ved fylling med vann, samtidig som bena bygges. En tredje fremgangsmåte er å bygge de store sylindriske ben hver for seg og forbinde dem med stag mens de flyter horisontalt.

Det ferdig utrustede dekk kan være selvflytende eller båret på en lekter. Etterat dekket er plassert over hoved-konstruks jonen , vil vann bli pumpet ut av denne, som da løfter dekket opp fra vannet eller lekteren. Den ferdige plattform kan så taues til sitt bestemmelsessted.

Hvis et monteringssted på dypt vann ikke er tilgjengelig, kan hovedkonstruksjonen taues ut horisontalt og reises på ende i nærheten av sitt endelige brukssted. Utstyr i form av moduler kan så løftes ombord som for stålplattformer.

En plattform ifølge oppfinnelsen er skjematisk vist på tegningen. Plattformen utgjør en flytende konstruksjon av stål og/eller betong bestående av ben eller søyler 1 med horisontale og eventuelt diagonale stag 2 resp. 3. Plattformen kan avslut-tes på et stort dypgående med en eller flere pongtonger 4. Geo-metrien av pongtongene kan avstemmes mot tverrsnittsarealet av bena på samme måte som for andre halvsenk-fartøyer. Den øvre del 5 av bena er luftfylt til en dybde som gir tilstrekkelig oppdrift. Hvis det ønskes, kan en del av plattformen ha form av et rør 6 mellom dekket og et punkt godt under vannflaten. Dette rør kan benyttes til å beskytte stigerøret 7 mot bølgekrefter. Stigerørføringer og> en anordning til å oppta vinkelbevegelser mellom stigerøret og plattformen kan eventuelt være montert på plattformkonstruksjonen. Plattformen vil vanligvis være avheng-ig av fast ballast 8 for å være stabil. Hvis der kreves et oljelagervolum, vil den nedre del av søylene og pongtongene holdes fulle med olje 9 og vann 10 i varierende forhold. Trim-tanker 11 i bena benyttes til å kompensere for vektendringer. Disse tanker vil være fylt med gass/olje eller luft/vann i regulerte forhold. Eventuelt kan volumet av trimtankene benyttes som oljeseparatorer for å spare vekten av dekksmonterte separatorer.

Plattformen er forankret med ankerliner 12. Hvis ledetrinsene for disse ankerliner er montert langt nede på bena, kan ankerlinene gjøres vesentlig kortere enn om ledetrinsene festes høyere oppe. Videre vil de dynamiske krefter i ankerli nene bli redusert, og de horisontale bevegelser av stigerøret vil bli mindre. Til gjengjeld vil den krengningsvinkel som skyldes strøm, vind og bølgedrift, øke. Denne krengning kan om nødvendig kompenseres ved asymmetrisk fylling av trimtankene eller lagervolumene.

På grunn av bredde/dybde-forholdet og plasseringen av tyngdepunktet som følge av ballast, kan plattformen ikke velte selv om et av bena fullstendig skulle miste sin oppdrift. Sikkerheten kan økes ved anvendelse av kjente metoder, f.eks. oppdeling av oppdriftselementene ved vanntette skott, idet der tas spesielt hensyn til kollisjonssoner, og utforming av dekket med tilstrekkelig oppdrift til å holde det flytende selv om hovedkonstruksjonen skulle miste en stor del av sin oppdrift.

Skjønt oppfinnelsen er beskrevet ovenfor under henvisning til en produksjonsplattform, kan konstruksjonen i henhold til oppfinnelsen også benyttes for flere andre anvendelser hvor man ellers ville ha benyttet et leddtårn.

Claims (3)

1. Flytende halvsenk-konstruksjon av stål og/eller betong, omfattende minst tre innbyrdes forbundne ben (1) som står på en avstand fra hverandre på minst det dobbelte av den største tverrsnittsdimensjon av bena og er innrettet til å inneholde ballast ved sine nedre ender for øking av konstruksjonens stabilitet, karakterisert ved at konstruksjonens dypgående under drift er minst dobbelt så stort som den maksimale bølgehøyde i de farvann som konstruksjonen er konstruert for.

2. Konstruksjon som angitt i krav 1, karakterisert ved at konstruksjonens dypgående er minst fire ganger den maksimale bølgehøyde.

3. Konstruksjon som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at bena (1) er forbundet ved stag (.2, 3), pongtonger (4) og/eller skjærvegger, hvis volum er avpasset etter det samlede volum for reduksjon av hivbevegelsene til et minimum.