RU2203828C2 - Конструкция корпуса - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к судостроению, в частности к конструкции корпуса однокорпусного судна, в особенности предназначенного для проведения буровых и добывающих работ в целом в неподвижном положении. Конструкция корпуса судна содержит по меньшей мере одну открытую шахту, проходящую через корпус, для поступающего снизу и уходящего потока воды. По меньшей мере одна стенка шахты/шахт содержит элементы, задерживающие поток воды и выполненные в виде по меньшей мере одной выпуклости/одного выступа, выступающей/выступающего наружу от стенки шахты и в некоторой зоне сужающей/сужающего проходное сечение шахты для поступающего потока воды, и полых пространств, задерживающих поступающий поток воды и сообщающихся с полым пространством шахты через отверстия. Наружная сторона корпуса имеет продольную выпуклость/продольный выступ, выступающую/выступающий горизонтально наружу и расположенную/расположенный предпочтительно ниже ватерлинии корпуса. Достигается уменьшение вертикальной качки судна на валках при проведении буровых и добывающих работ. 2 с. и 9 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относится к конструкции корпуса судна, в особенности судна для проведения буровых и/или добывающих работ при добыче углеводородов, такой, как указано в ограничительной части пункта 1 формулы изобретения. Изобретение относится также к применению предлагаемой конструкции корпуса.

Изобретение главным образом относится к конструированию корпусов однокорпусных судов, предназначенных для проведения работ в море, главным образом судов, применяемых для бурения нефтяных скважин, их освоения и технического обслуживания. Целью изобретения является создание такой формы корпуса судна, которая делает его особенно хорошо приспособленным для проведения относящихся к скважине работ на больших глубинах в море, а также обеспечивает возможность выполнения судном своих функций даже при сложных погодных условиях, обусловленных волнами, океанскими течениями и ветрами. Предлагаемая конструкция корпуса также хорошо подходит для судов, используемых для других актуальных задач, при выполнении которых важно регулирование перемещений судна на волнах, например, для судов, ведущих добычу углеводородов, а также для судов, выполняющих сейсмические исследования геологических структур морского дна.

Бурение на нефть и газ в море выполняют или с применением плавучих буровых судов, или с применением устройств, прикрепленных к морскому дну. Известными видами плавучих средств для таких видов работ могут быть полупогружные буровые установки, также называемые полупогруженными судами, или буровые суда.

Поскольку полупогружные буровые установки обладают особенно благоприятной реакцией перемещения по отношению к волнам, этот тип буровых устройств широко применяется в морских районах, для которых характерны сильные штормы. Под благоприятными перемещениями судна понимается то, что его колебания, а точнее амплитуды колебаний во время вертикальной, бортовой и килевой качки при больших волнах относительно малы. Получение перемещений с малой амплитудой весьма полезно из-за возможности предъявления пониженных требований в этом случае к находящемуся на борту платформы буровому оборудованию.

В то же время период реакции достаточно велик и обычно составляет 15-16 секунд или более. Для судна, перемещающегося вверх и вниз по волнам, период реакции определяют как время, проходящее от одного максимума до другого такого же максимума. Большие периоды реакции благоприятны для оборудования, установленного на борту буровых судов, поскольку ускорения перемещений становятся более умеренными, что также снижает требования к такому оборудованию. Периоды реакции приведены на прилагаемом к описанию графике, на котором сравниваются параметры перемещения судов разных конструкций при различных периодах волн.

Благоприятные перемещения полупогружных буровых установок обусловлены тем, что этот тип плавучих буровых устройств содержит ряд вертикальных колонн, проходящих через поверхность воды и одновременно конструктивно соединенных друг с другом палубой устройства, а также находящимися под водой горизонтальными понтонами. Таким образом достигнуто уменьшение площади ватерлинии полупогружных платформ по отношению к общему объему плавучести. Ввиду того, что наибольшая часть силы волн возникает в зоне ватерлинии, а с увеличением глубины она ослабевает, сила волн, воздействующая на этот вид устройств, уменьшена. Кроме того, горизонтальные понтоны оказывают благоприятный эффект на перемещения вертикальной качки буровой установки (полупогружного судна), так как они в основном работают в качестве тормоза в вертикальном направлении, когда окружающая их масса воды разбивается, и таким образом сообщают буровой установке теоретическую присоединенную массу воды.

Кроме того, следует отметить, что под естественной ватерлинией корпуса понимается его естественная ватерлиния в состоянии, когда корпус судна, такого как буровое судно или аналогичное плавательное средство, окончательно укомплектован арматурой, машинным оборудованием и т.д.

Для всех видов плавучих буровых средств особенно важными являются перемещения вертикальной качки. Это обусловлено тем, что в судне при работе выполненная из труб бурильная колонна подвешена в его буровой установке и проходит вниз через шахту. Эта бурильная колонна выполнена жесткой, и для обеспечения независимости ее перемещения вниз через шахту от перемещений судна последнее дополнительно оснащают специальными приспособлениями, способными компенсировать его перемещения. Этим приспособлениям тем не менее присущи ограничения, относящиеся к величине перемещений, ускорению и максимальным колебаниям, что приводит к необходимости сведения к минимуму напряжений, возникающих в этом оборудовании, путем точной выверки конструкции корпуса судна.

Несмотря на характерные для полупогружных буровых установок хорошие характеристики их перемещений, этим установкам, несомненно, присущи недостатки, относящиеся к экономической эффективности выполнения буровых работ. Одним из недостатков является, например, то, что изготовление корпуса таких установок является весьма дорогостоящим ввиду того, что он содержит колонны, понтоны, распорки и палубы. Кроме того, такие полупогружные буровые установки весьма чувствительны к смещению центра тяжести, например при смещении палубного груза. Однако самым большим недостатком является ограничение общего полезного груза, который может быть взят на борт, из соображений остойчивости буровой установки.

Это приводит к зависимости полупогружных буровых установок от непрерывного снабжения расходуемыми материалами во время буровых работ. Эти поставки обычно выполняются специально построенными судами снабжения. Однако выполнение этих поставок является весьма дорогостоящим из-за необходимости, как правило, в постоянной готовности судна снабжения к выполнению рейса к буровой установке.

Кроме того, при проведении буровых работ далеко в открытом море и, возможно, на значительном расстоянии от ближайшей базы снабжения это влечет за собой значительное повышение затрат. Помимо этого, глубокие скважины на больших глубинах требуют дополнительного снабжения, что также приводит к дополнительному повышению затрат. Если расстояния доставки особенно велики, то для непрерывной работы может возникнуть необходимость в дополнительном судне снабжения. Первые полупогружные буровые установки имели полезную грузоподъемность, равную примерно 2000 тонн, тогда как современные установки в настоящее время должны иметь полезную грузоподъемность, превышающую 4000 тонн. Во время проведения буровых работ в море полупогружную буровую установку обычно ставят на якорь, причем часто одновременно отдают 8-10 якорей.

В дополнение к полупогружным буровым установкам в качестве буровых плавучих средств в море также используют буровые суда, преимущество которых заключается в их значительно большей грузоподъемности. Часто перед выходом в море для бурения скважины буровое судно может принять на борт весь необходимый для работы полезный груз. Это делает буровое судно практически независимым от помощи, оказываемой судами снабжения. В то время как полупогружная буровая установка зависит от буксиров при ее перемещении от одной скважины к другой, буровое судно может самостоятельно перемещаться с помощью своей собственной силовой установки. Такие буровые суда находят широкое применение в регионах, расположенных на удалении от ближайших баз снабжения, например на Дальнем Востоке, где разведка нефти ведется в море на расстоянии многодневного перехода судна от базы снабжения.

Однако буровые суда имеют четкие ограничения в области своего применения. Известные буровые суда изготавливают так же, как обычные однокорпусные суда. Это приводит к их большой чувствительности, к повышенному волнению из-за менее благоприятной реакции перемещения этих судов по сравнению с обычными полупогружными буровыми установками. Такие неудовлетворительные для бурения морские динамические характеристики означают, что буровые суда, несмотря на их превосходную грузоподъемность, не могут применяться в более неспокойных районах, таких как Северное море и Атлантический океан. Однако буровые суда имеют широкое распространение и применение в более спокойных районах, высота волн в которых сравнительно невелика, а именно в таких районах, как районы у берегов Бразилии, Индонезии и т.п.

Буровое судно по сравнению с полупогружными буровыми установками имеет относительно большую площадь ватерлинии и вследствие этого больше, чем они, подвержено воздействию сил волн. В то время как на поставленную на якоря буровую установку почти не влияет направленное воздействие сил окружающей среды, буровое судно все время зависит от возможности поворота с учетом направления действия погодных факторов для сведения к минимуму воздействующих на него сил. Это служит причиной оснащения бурового судна автоматической системой позиционирования, управляемой с учетом обработки данных, обеспечивающей надлежащее положение судна по отношению к скважине, а также по отношению к направлению ветра, волн и течений.

Наиболее существенным недостатком известных буровых судов является их чувствительность к создаваемым волнами перемещениям вертикальной качки в отношении их амплитуды и периода. Известные буровые суда имеют длину, равную 160-180 м, а их типичная ширина составляет 22-25 м. Все суда этого типа имеют в целом параллельные борта, а их нормальный период вертикальной качки составляет 7-8 секунд. Это предъявляет не слишком жесткие требования к буровому оборудованию, что справедливо до тех пор, пока колебания вертикальной качки являются умеренными. Нормальный максимальный подъем бурового судна при вертикальной качке равен 7 м (что составляет удвоенную амплитуду), и он теоретически может быть погашен известными компенсаторными системами.

Однако это решение является абсолютно неудовлетворительным для районов, для которых характерны более сильные штормы и где такое судно вполне может иметь, в зависимости от высоты волн и погодных условий, перемещения вертикальной качки, равные 8-10 м. Простейшим теоретическим способом решения этой проблемы может служить расширение диапазона предельных значений компенсаторной системы бурового судна, но такой короткий период означает возникновение больших ускорений оборудования с соответствующими силами и напряжениями, которые могут привести к поломке и возникновению усталости материалов.

Другим теоретическим путем решения этой проблемы может быть увеличение размеров судна, возможно в сочетании с увеличением функциональных возможностей компенсаторной системы. Например, судно, имеющее длину 300 м, ширину 40 м и высоту 25 м, может перемещаться с небольшими амплитудами и иметь большие периоды перемещения, кроме того, оно может иметь значительную грузоподъемность. Таким образом такое судно теоретически должно быть способно сочетать показатели перемещения полупогружной буровой установки и грузоподъемности бурового судна. Однако это решение является весьма дорогостоящим и непрактичным, поскольку капиталовложения оказываются весьма большими, к тому же мощность двигателя, необходимая для сохранения надлежащего положения судна над скважиной месторождения, должна быть слишком большой, а расходы на топливо, соответственно, высокими. Кроме того, транспортировка судна такого типа была бы весьма затруднительной, и на практике оно было бы громоздким для его размещения на базах снабжения, где существует возможность загрузки на борт средств обеспечения для следующего рабочего цикла.

Для обеспечения надежного и эффективного выполнения буровых работ особенно необходимо, чтобы собственный период вертикальной качки судна был увеличен одновременно с наиболее возможным уменьшением перемещения вертикальной качки. Перемещения судна при бортовой качке и до некоторой степени при килевой качке также имеют значение, но они менее важны. Известно, что форма однокорпусного судна влияет на реакцию вертикальной качки судна как в отношении периода, так и в отношении амплитуды. Так, в патентной публикации Японии 57058584 описана конструкция корпуса, обеспечивающая возможность уменьшения перемещения килевой качки однокорпусного судна. Описанная форма корпуса имеет ниже ватерлинии продольную выпуклость или продольный выступ на корпусе. Это также может увеличивать период собственной вертикальной качки судна. В других патентных документах, таких как патент Норвегии 4829, патенты США 2327660 и 4372240, описаны варианты выступов, расположенных ниже ватерлинии. Испытания в бассейне, проведенные под руководством заявителей, подтвердили, что расположенный ниже ватерлинии судна выступ может оказывать положительный эффект на характер перемещения судна для большой части спектра волн как в отношении периода, так и в отношении амплитуды. Однако испытания в бассейне также показали, что в небольшой части спектра волн перемещения вертикальной качки могут быть значительного усилены в случае применения одного лишь выступа. В зоне собственного естественного периода вертикальной качки судна возникает резонанс, так что амплитуда (половина максимального размаха) в этой зоне величин периодов при наличии выступов фактически становится больше, чем без них. Для бурового судна это абсолютно неприемлемо по соображениям безопасности. На практике это означает, что во многих случаях такие выступы, используемые без других средств аналогичного назначения, неприемлемы для использования на буровом судне.

В патенте США 3386404 описаны различные конструкции корпуса с выступами в сочетании с водой, втекающей в частично замкнутые пространства в корпусе судна и вытекающей из них. Частично замкнутые пространства расположены на наружных бортах судна. В этой патентной публикации приведено теоретическое обоснование того, что протекающая таким образом вода может оказывать положительный эффект на перемещения судна при сильном волнении на море. Предложенная конкретная конструкция однокорпусного судна, изображенная на фиг.6 указанной патентной публикации, возможно, благоприятна для пассажирского или торгового судна, но тем не менее абсолютно неприемлема для бурового судна. Это обусловлено тем, что предложенные в этом патенте двойные пространства занимают большой полезный объем судна. Это может быть до некоторой степени скомпенсировано выполнением судна большего размера, но это является дорогостоящим решением. Однако наиболее проблематичным в таком решении является то, что современные суда, применяемые для бурения и хранения сырой нефти, требуют наличия двойного герметичного корпуса. Двойные корпуса являются мерой защиты от загрязнения окружающей среды при столкновениях и посадке на мель. В предложенном в этом патенте решении это невозможно без сооружения третьего герметичного внутреннего корпуса. Однако это увеличивает вес конструкции, еще больше увеличивает стоимость судна и в конечном счете негативно сказывается на грузоподъемности судна.

Также установлено, что таким пространствам присущи другие вредные побочные эффекты. Даже если входящий/выходящий поток воды и демпфирует перемещения вертикальной качки, тем не менее волны наносят очень сильный удар по корпусу и создают в нем растягивающие напряжения. В аналогичных условиях находится понтон, описанный в патенте Великобритании 2008515. Разделенные боковые поверхности приводят к созданию больших горизонтально направленных растягивающих усилий и боковых перемещений. В таких же условиях в Северном море находится известный резервуар EKOFISK, имеющий такую же конструкцию.

То, что указанные внешние полые пространства в бортах корпуса, в которые через отверстия может втекать вода и из которых через эти же отверстия она может вытекать, оказывают вредное влияние на характер перемещений на волнах плавучей конструкции, является утверждением, фактически непосредственно подтверждаемым чертежом на фиг.4 патентной публикации Великобритании 2257664. На этом чертеже ясно показан эффект, оказываемый внешними отверстиями на частях понтона полупогружной конструкции. Три кривые на этом чертеже изображают следующее:
кривая 30: герметичный понтон (вода не поступает);
кривая 31: 10% перфорации;
кривая 32: 20% перфорации;
кривая 33: 30% перфорации.

На фиг. 4 этой публикации показано, что для наиболее часто возникающих волн с периодом в диапазоне 7-13 секунд, что справедливо и для Северного моря, такие отверстия во внешнем корпусе понтонов влекут за собой ухудшение реакции платформы по сравнению с неперфорированным понтоном в отношении увеличения периода волн. Более того, эта реакция возрастает по мере увеличения процентной доли поверхности, занятой отверстиями, а именно 30% перфорации дает реакцию большей величины, чем 10% перфорации. Как указано на фиг. 4 указанной публикации, улучшения от применения перфорации (по сравнению с кривой 30, соответствующей отсутствию перфорации) имеют место в первую очередь, когда период превышает приблизительно 16 секунд, при этом наибольшая доля перфорации дает самую лучшую и самую низкую реакцию. Но несмотря на наличие перфорации все три кривые проходят выше значения реакции, равной 1,0, то есть во всем диапазоне периодов волн, превышающем 14 секунд, платформы при вертикальной качке поднимаются выше высоты волны с коэффициентом, доходящим до 1,15-1,35.

Это свидетельствует о нецелесообразности размещения полых пространств, выполненных с возможностью доступа в них через отверстия, во внешних частях корпуса, подвергаемых воздействию волн, а, кроме того, это создает в судне большие горизонтальные растягивающие усилия.

В патенте США 3386404 также приведены возможные решения применения указанного принципа для полупогружных судов (фиг.7) и для двухкорпусных судов (фиг. 8). Для полупогружных судов это решение представляется малопривлекательным вследствие повышенного веса стали судна, без этого чувствительного к весу. Двухкорпусные суда мало пригодны для работы в штормовом море, так как установлено, что волны большой высоты могут подниматься до палубы между корпусами, что может создавать большие напряжения во всей конструкции корпуса. Таким образом, предложенное в этом патенте решение проблемы демпфирования перемещений вертикальной качки в двухкорпусном судне может ухудшить положение тем, что волны еще более легко поднимаются на нижнюю сторону палубы.

Применение открытых судовых шахт на судне (английский термин - буровая шахта на буровом судне) хорошо известно и используется, среди прочего, при транспортировке живой рыбы и на ряде морских судов, предназначенных для спуска инструментов и оборудования на морское дно и их подъема. Оборудование, такое как дистанционно управляемые подводные аппараты, оборудование для технического обслуживания и т.д., может быть таким образом легко поднято с палубы и опущено через шахту на морское дно. Типичная шахта увеличенного размера на инспекционном судне в Северном море имеет горизонтальный проем в корпусе с размерами от 3•5 м до 7•7 м. Размер 7•7 м типичен также для буровых судов, построенных к настоящему времени. Следует отметить решение, приведенное в патентной публикации Германии 2526609. Однако в этой публикации назначение шахты не предусматривает возможности влияния на перемещения судна в море. Вместо этого назначением шахты является создание возможности проведения подводных работ в защищенном от ударов волн состоянии, например для погружения оборудования на дно моря. Кроме этого, известно, что перемещения вертикальной качки конструкции на волнах являются прямой функцией площади ее ватерлинии.

Более современные буровые суда, которые предполагается использовать для работы в достаточно спокойных районах, подобных Мексиканскому заливу, и длина которых превышает 220 м, проектируются с судовыми шахтами для обычных скважинных работ с проемом 10•10 м. Это сделано для обеспечения возможности спуска больших рамных каркасов для скважин, а также другого тяжелого и большого оборудования через шахту судна вниз на дно моря. В судне усовершенствованной конструкции, способном работать одновременно с двумя колоннами труб, шахты должны иметь размеры до 10•20 м. Указанные проектируемые буровые суда для Мексиканского залива имеют длину, равную приблизительно 220 м, а ширину приблизительно 40 м. Площадь ватерлинии таких судов составляет приблизительно 8000 м². Максимальная судовая шахта с площадью, равной 200 м², составит таким образом приблизительно 2,5% общей площади ватерлинии судна. На буровых судах меньшего размера, например с длиной 180 м, шириной по ватерлинии, равной 35 м, и площадью ватерлинии, составляющей 6000 м², судовая шахта, площадь ватерлинии которой по функциональным причинам равна 200 м², составит 3,3% полной площади ватерлинии судна.

Целью настоящего изобретения является создание конструкции корпуса однокорпусного судна, в особенности бурового и добывающего судна, благодаря которой указанные выше недостатки, связанные с перемещениями судна, могут быть полностью или частично устранены.

В настоящее время установлено, что модификация конструкции таких шахт и доведение их до нужных размеров может иметь большое значение для создания возможности регулирования перемещений бурового судна при вертикальной качке.

Предлагаемая конструкция корпуса характеризуется особенностями, приведенными в отличительной части пункта 1 прилагаемой формулы изобретения.

Особенно предпочтительные предлагаемые конструкции представлены в последующих зависимых пунктах формулы, относящихся к корпусу.

В соответствии с настоящим изобретением такая конструкция корпуса применяется в судах, в особенности в судах, которые предназначены для бурения на нефть и газ и/или их добычи или для сейсмических исследований и перемещения которых, в особенности перемещения вертикальной качки, возникающие вследствие сильного волнения на море, необходимо демпфировать.

Предлагаемая конструкция корпуса описана далее в следующем ниже описании со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 и 2 изображают соответственно вид в аксонометрии и вид сбоку варианта выполнения бурового судна, выполненного на основе предлагаемой конструкции корпуса,
фиг.3 изображает вид сверху конструкции корпуса в соответствии с фиг.1 и 2,
фиг. 4 изображает поперечный разрез конструкции корпуса, выполненный по линии Х-Х на фиг.3,
фиг. 5 изображает вид в аксонометрии части наиболее предпочтительной конструкции внутренней стенки шахты,
фиг. 6 изображает поперечные сечения четырех различных конструкций выступа,
фиг. 7 изображает график зависимости (HEAVE) между перемещениями вертикальной качки и высотой волн для различных типов судов (предлагаемого однокорпусного судна и двух полупогружных платформ, имеющих различные размеры) в виде функции периода волны. Представленные кривые аналогичны кривым, представленным в упомянутой выше патентной публикации Великобритании 2257664.

Аналогичные части конструкций корпуса на различных чертежах обозначены одинаковыми номерами позиций.

В качестве введения рассмотрены фиг.1 и 2, на которых соответственно показаны вид в аксонометрии и вид сбоку бурового судна, выполненного на основе предлагаемой конструкции корпуса 10.

На фиг.1 и 2 показано буровое судно, имеющее корпус 10 с расположенной в средней части судна бортовой частью 12, килевой частью 14, носовой частью 16 и кормовой частью 18. Средняя часть 12 корпуса имеет главным образом перпендикулярные борта судна. На фиг.1 и 2 показано буровое судно с деррик-краном 22, с которого посредством бурильной колонны 24 или аналогичного оборудования выполняют бурение нефтяной/газовой скважины, ведущей в глубину дна 23 моря, или другие работы со скважиной. Колонна 24 проходит от деррик-крана 22 судна вниз через вертикально проходящую шахту 28 на судне, открытую сверху и снизу. В дополнение к шахте 28 судно содержит две дополнительные аналогичные шахты 26 и 30 (соответственно кормовую и переднюю). Для придания судну требуемых характеристик перемещения в море все эти шахты 26, 28, 30 имеют указанные выше размеры.

В соответствии с изобретением корпус судна для благоприятного воздействия на перемещения вертикальной качки судна содержит по меньшей мере одну шахту 26, 28, 30. Шахты выполнены открытыми, то есть проходят вертикально, не прерываясь, от верхней палубы через все судно и выходят в море в килевой части. В начале перемещения судна на волнах уровень воды в каждой шахте начинает колебаться по отношению к уровню ватерлинии вверх и вниз, подобно подвижному в вертикальном направлении (стоящему) водяному столбу. Вода стоит в шахте на некотором расстоянии от верха, а в неподвижном положении устанавливается на нормальном уровне, называемом уровнем ватерлинии, как наиболее понятно изображено на фиг.4 под номером 20 позиции. Существует несколько различных вариантов количества и расположения шахт. В соответствии с одним из решений, изображенным на фиг. 1-3, судно оснащено тремя шахтами, имеющими главным образом прямоугольные горизонтальные сечения и проходящими в длину вдоль продольной оси судна. Установлено, что распределение или размещение шахт, то есть положение зоны шахт вдоль миделевого сечения судна, является наиболее благоприятным. Предпочтительное количество шахт, а также их длина и ширина очевидны из следующего ниже описания. В другом варианте судно может иметь одну продольную шахту, которая может иметь такую же площадь ватерлинии (как пояснено ниже), что и три шахты 26, 28, 30 вместе. Прежде всего, шахты выполняют с гладкими и главным образом перпендикулярными стенками 36 шахты. При необходимости работы по установке на дно моря могут выполняться с палубы судна через эти шахты.

В качестве альтернативы шахтам с прямоугольным или квадратным поперечным сечением шахты могут иметь другую форму поперечного сечения, например, овальную, круглую или иную более нестандартную форму. С учетом, например, необходимой конструкции каркаса судна точная форма поперечного сечения шахты может изменяться в соответствии с конкретной конструкцией корпуса.

Нормальная ватерлиния судна на фиг.2 и 4 показана под номером 20 позиции. Площадь (площадь поперечного сечения), которую занимает судно в горизонтальной плоскости, проходящей через ватерлинию судна, определяют как площадь ватерлинии судна. Решение о том, насколько велика/велики должна/должны быть шахта или шахты, принимается наряду с решением о том, сколь большую площадь ватерлинии займет/займут шахта/шахты по отношению к площади ватерлинии судна. Установлено, что для создания значительного эффекта площадь ватерлинии шахты судна должна превышать приблизительно 8% общей площади ватерлинии судна. В то же время площадь ватерлинии в шахте не должна превышать приблизительно 30% общей площади ватерлинии судна с учетом способности судна к приему на борт полезного груза по отношению к общим размерам судна. Площадь ватерлинии в шахте судна, составляющая приблизительно 15%, считается оптимальной.

Когда судно подвергается воздействию волн, вода поступает в шахты снизу при погружении судна в волны и убывает из шахты, когда волна уходит под судно. В соответствии с предпочтительной конструкцией часть шахты, входящая в контакт с втекающей и вытекающей массой воды, содержит средства, функционирование которых заключается в задержке или торможении указанного втекающего в шахту и вытекающего из нее потока воды и которые таким образом могут дополнительно улучшить инерционное сопротивление судна перемещениям вертикальной качки. На фиг. 5 изображены два таких средства, одно из которых включает нижнюю часть стенок 36 шахты и содержит, по существу, горизонтальный выступающий наружу уступ, обращенный в сторону от стенки 36, в целом с плоским верхним углублением 32, так что образован выступ 34. Выступ 34 проходит в целом вокруг всей внутренней периферии 36 стенки шахты и образует таким образом суженое входное отверстие в шахту снизу. Расположенный в самом низу стенки 36 выступ 34 на фиг.3 показан в передней шахте 30 судна.

Вместо выступа, проходящего непрерывно вокруг периферии стенки, как показано на чертежах, возможно применение выступа, разделенного на несколько отдельных выступающих наружу выступов/выступов или буртиков. Эти выступающие наружу одиночные выступы могут быть также расположены на стенке 36 на различных по высоте уровнях.

В соответствии с изобретением шахта судна содержит дополнительные средства, которые могут задерживать входящий в шахту и выходящий из нее поток воды. Это может быть достигнуто путем размещения вдоль стенок шахты по меньшей мере одного дополнительного пространства, в которое может втекать и из которого может вытекать вода и которое тем самым задерживает поток воды, входящий в шахту и выходящий из нее, что, следовательно, дополнительно способствует улучшению характера перемещений судна. Пространство или пространства выполнены, как показано на фиг.4 и 5, путем установки в шахте стеновой плиты 40, параллельной каждой из стенок 36, с образованием пространства 42, в которое может втекать и из которого может вытекать вода. Пространство 42 ограничено стенкой 36, плитой 40, верхней боковой поверхностью 32 выступа 34 и может быть открыто сверху. Плита 40 имеет сквозные отверстия 44. На фиг. 4 и 5 изображена перфорированная плита 40, то есть плита, имеющая ряд правильных, сквозных отверстий 44, соединяющих пространство 42 с внешней поверхностью шахты. Плита 40 может в другом случае содержать ряд более крупных отверстий, расположенных в самом ее низу у выступа, тогда как выше в плите отверстия отсутствуют. Посредством таких приспособлений часть воды, проникающей в шахту, протекает через отверстия 44 в плите 40 в расположенное за ней пространство 42.

Таким образом достигается задержка потока воды, поступающего в шахту и убывающего из нее. Это приводит к дополнительному улучшению демпфирования перемещений вертикальной качки судна. Кроме этого, в описании приведены результаты испытаний, подробно описанные ниже.

Глубина (расстояние) от перфорированной (44) стенки 40 до расположенной за ней герметичной стенки шахты/переборки (36) судна при испытаниях судна в его полном масштабе, когда его длина равна 180 м, ширина по ватерлинии 35 м, а общая площадь ватерлинии составляет приблизительно 6000 м², может доходить до 1,6 м. Однако хороший демпфирующий эффект может быть достигнут даже при других значениях глубины за плитой 40. Кроме того, глубина до расположенной сзади переборки 36 может находиться в пределах от 1 до 5 м.

Как очевидно из фиг. 1-3, корпус имеет килевую часть приблизительно с плоским дном. Вдоль внешней стороны киля также проходит непрерывный или разделенный на части выступ 32, который может иметь такую же конструкцию, что и выступы 32 шахты. От краев днища борт судна проходит с подъемом в целом вертикально вверх и образует обращенный внутрь, по существу, горизонтальный уступ или плоское углубление 32 с образованием в целом горизонтального обращенного наружу выступа 34. Выступ 34 проходит в целом вдоль всей длины киля от носа назад к кормовой части судна. Как указано выше, наличие такого выступа при определенных условиях создает отрицательный эффект на параметры перемещения судна при вертикальной качке, таким образом такой выступ не является обязательным в соответствии с настоящим изобретением. Однако его наличие может быть предпочтительным в сочетании по меньшей мере с одной шахтой судна, поскольку такое сочетание может вызвать синергетический эффект. Предлагаемый наружный выступ корпуса вытянут от носовой части судна назад к его корме, где скос корпуса под кормой образует естественное окончание выступа. Выступ предпочтительно выполнен настолько далеко проходящим вниз к днищу/килевой части судна, насколько это возможно.

Различные варианты поперечного сечения как килевых выступов 34, так и шахтных выступов 34 изображены на фиг.6. В соответствии с одним из этих вариантов, изображенным на фиг. 6, а, уступная часть в поперечном сечении проходит в наружном направлении от бортовой части 12 судна в виде в целом горизонтальной поверхности, затем перпендикулярно и далее в виде дуги окружности, образующей плавный переход к нижележащей в целом плоской килевой части судна. В соответствии с другой конструкцией, изображенной на фиг.6, b, выступ имеет закругленную форму, в поперечном сечении выполненную в виде полукруга.

Другая конструкция выступа судна изображена на фиг.6, с. В соответствии с этой конструкцией выступ наклонен вниз наружу от перпендикулярного борта судна (стенки шахты), затем проходит прямолинейно вниз, а затем с наклоном внутрь и вниз и переходит в нижележащую килевую часть корпуса. Таким образом, эта форма является многоугольной и напоминает трапецию.

В соответствии с еще одной конструкцией, изображенной на фиг.6, d, выступ содержит прямую, в целом горизонтальную верхнюю сторону, затем проходит прямолинейно перпендикулярно и далее горизонтально внутрь с переходом в килевую часть. Именно эта конструкция изображена на фиг. 1-5. Как видно на чертежах, острые кромки закруглены.

В соответствии с изобретением киль корпуса имеет в целом плоскую нижнюю сторону, так что возможно настолько полное демпфирование вертикальных перемещений судна в море, насколько это возможно.

Проведение натурных испытаний и оценка размерных соотношений в предлагаемой конструкции корпуса
Испытания в бассейне показали, что выступ только лишь на корпусе судна под ватерлинией оказывает положительный эффект на характеристику вертикальной качки судна в большей части спектра волн, но частично в меньшей части спектра волн имеет сильный отрицательный эффект, проявляющийся в том, что перемещение вертикальной качки, наоборот, усиливается. Для компенсации этого неожиданного отрицательного влияния выступа под руководством заявителей изобретения были проведены комплексные испытания в бассейне, в которых была испытана одна заданная форма корпуса, считающаяся динамически благоприятной и имеющая выпуклости, выступающие ниже ватерлинии, и различные судовые шахты. Судовые шахты варьировались по размеру, конструкции и расположению. Результаты показали, что при увеличении площади ватерлинии шахт отрицательный резонансный эффект вертикальной качки постепенно исчезает. Кроме того, увеличение площади ватерлинии в шахтах судна способствует дополнительному демпфированию перемещения вертикальной качки и увеличению периода вертикальной качки судна.

Во время испытаний в бассейне была испытана модель корпуса, соответствующая судну, длина которого равна 180 м, ширина по ватерлинии 35 м, а общая площадь ватерлинии составляет приблизительно 6000 м², и которое имеет выступ, расположенный ниже ватерлинии на 2,5 м, выступающий горизонтально наружу и проходящий от носа судна почти до самой кормы. Испытания показали, например, что заданный выступ в сочетании с площадью судовых шахт, составляющей 900 м² или приблизительно 15% общей площади ватерлинии судна, способен обеспечить демпфирование максимального перемещения вертикальной качки на полных 60% при существенной высоте H(s) волны, составляющей 3 м, и приблизительно на 45% при H(s), составляющей 5 м. В то же время собственный естественный период вертикальной качки судна возрос на 2,5 секунды. При Н(s)=7 м влияние выступа и большой площади судовых шахт снижено приблизительно до 20%.

Состояние моря в северной части Северного моря характеризуется тем, что Н(s)<5 м в течение 95% года. Именно при таких условиях работает буровое судно, при этом демпфирование его перемещений является существенным условием. При экстремальных условиях, когда Н(s)>5 м, а максимальная высота волн достигает 9-10 м, в большой степени предполагается, что буровое судно не выполняет работы, ожидая улучшения погодных условий. Это обусловлено тем, что сильное волнение, как правило, сопровождается сильными ветрами, не дающими возможности нормальной эксплуатации кранов и другого подъемного оборудования.

Установлено, что распределение площади шахт вдоль миделевого сечения судна благоприятно сказывается на реакции судна на влияние волн. В то же время это создает возможность сохранения прочности по всей длине корпуса судна, то есть зона расположения шахт может находиться в пределах внутреннего бимса корпуса корабля.

Шахта общей площадью, составляющей 976,8 м², или иными словами с шириной b, равной 13,2 м, и длиной I, равной примерно 74 м, расположенная в средней части судна, показала, что она удовлетворяет требованиям, предъявляемым к необходимой работоспособности судна в северной части Норвежского моря, при одновременном выполнении требований к прочности судна, большой грузоподъемности для различных грузов, остойчивости и конструктивного удобства.

Дальнейшее усовершенствование было достигнуто путем разделения одиночной шахты на несколько отдельных шахт меньшего размера, например на две шахты с размерами b=13,2 м и l=23,2 м и одну шахту с размерами b=13,2 м и l=27,2 м. Возможно, это обусловлено тем, что площадь шахт была разнесена на большую длину вдоль продольной оси судна. При наличии трех отдельных шахт получена возможность встраивания бимсов поперек судна между шахтами, что повышает общую прочность судна. Кроме того, это обеспечивает возможность исключения проблемы образования достаточно больших волн, проходящих вдоль продольной оси судна, внутри площади шахты. Для буровых технических операций благоприятным является как можно более спокойное состояние поверхности воды в шахте судна.

При испытаниях был обнаружен неожиданный эффект, возникающий при разделении площади на три шахты, проявляющийся в том, что две внешних шахты, а именно передняя и задняя шахты 26, 30, в определенной мере гасят волны в центральной шахте 28, предназначенной для выполнения буровых работ.

Путем размещения выступов внутри шахт ниже ватерлинии достигается дополнительное демпфирование перемещений судна. Выступы расположены с примыканием к днищу судна так же, как и наружные выступы на корпусе, в виде замкнутой конструкции вокруг всех сторон шахты. При проведении испытаний в бассейне выступы внутри шахты имели в пересчете на реальный масштаб ширину в горизонтальном направлении, составляющую примерно 1,6 м, что, например, давало проем 10•24 м в центральной шахте. На практике горизонтальный размер выступов внутри шахты должен составлять приблизительно 1-5 м.

Для выполнения буровых работ благоприятной является центральная шахта, тогда как основной функцией остальных шахт является улучшение параметров перемещения судна, в особенности в отношении периода реакции.

Путем установки в целом вертикальной стенки 40, имеющей некоторое количество отверстий 44, над выступами 34 внутри шахт достигается задержка потока воды, поступающего в шахту и уходящего из нее, и в особенности потока воды, поступающего в пространство 42, находящееся за стенкой 40, и уходящего из нее. (Когда каждая стенка покрыта такой стенкой 40, пространство 42 в результате этого образует кольцевое полое пространство, окружающее проем шахты.) Это приводит к дополнительному улучшению демпфирования судна, подвергающегося вертикальной качке. В испытаниях применялась равномерно перфорированная стенка, 25% площади которой составляли круглые отверстия. Испытания показали, что требуемый демпфирующий эффект может быть достигнут с применением стенок, имеющих различную конструкцию, причем подсчитано, что площадь отверстий 44 должна составлять приблизительно 10-30% общей площади стенки 40.

В испытаниях глубина от перфорированной стенки до расположенной сзади герметичной судовой переборки соответствовала в пересчете на истинные размеры приблизительно 1,6 м, то есть стенка 40 была прикреплена приблизительно на внешнем крае верхней поверхности 32 выступа 34. Демпфирующий эффект может быть получен даже при другой глубине пространства за стенкой. Считается, что на практике глубина до расположенной сзади переборки должна быть в диапазоне 1-5 м.

Результаты комбинированных испытаний дали весьма благоприятные величины перемещений реакции вертикальной качки судна, особенно в наиболее важных для буровых работ условиях волнения, когда Н(s)<5 м приведены в таблице (cм. в конце описания).

В соответствии с изобретением судно на каждом борту корпуса имеет удлинение в горизонтальном направлении, достигающее 5,5 м. Установлено, что удлинения/выступы на каждом борту корпуса размером 1,5-5 м создают хороший демпфирующий эффект на перемещения вертикальной качки корпуса.

Например, наибольшая ширина 20 по борту в средней части судна, включающая удлинение/выступ, может достигать 60 м, тогда как ширина по борту 20 в средней части корпуса над удлинением может достигать приблизительно 50 м.

Предпочтительно, чтобы ширина по борту 20 в средней части корпуса составляла 20-35% общей длины корпуса. Это означает, что корпус, имеющий длину, равную 180 м, может иметь ширину по борту в середине судна, достигающую 63 м. Для такого корпуса предпочтительным является, чтобы выступы/удлинение на каждом борту составляли/составляло по меньшей мере 5 м. В одной конструкции это отношение равно 22%, то есть у судна, имеющего общую длину 160 м, ширина в средней части составляет 35 м. Ширина средней части судна другой предпочтительной конструкции равна приблизительно 40 м для корпуса, имеющего длину 180 м, то есть 25% длины, а наибольшая ширина корпуса в середине судна, включающая удлинение, составляет приблизительно 50 м.

Например, корпус может иметь ширину В1, равную 40 м, включая выступ на каждом борту (то есть каждый выступ имеет максимальный горизонтальный размер/ширину, равную 2,5 м), тогда как расположенная выше часть 12 корпуса имеет ширину В2, равную 35 м, а самая верхняя часть корпуса (вместе с фальшбортом) имеет ширину 40 м. Ширина В3 корпуса по фальшборту составляет приблизительно такую же большую ширину (40 м), что и ширина судна, включающая выступы. В соответствии с указанным выше длина корпуса может достигать 100 м, то есть ширина может достигать 35% его длины.

В конструкции корпуса, представленной в настоящем описании, исключены недостатки, описанные во введении и присущие известным формам корпуса буровых судов.

Объективной характерной особенностью в раскрытии настоящего изобретения являлось создание вновь разработанной, но тем не менее практичной и конструктивно удобной конструкции отдельного корпуса с благоприятными динамическими качествами. Однокорпусные суда имеют целый ряд экономических преимуществ в сравнении с полупогружными буровыми установками. В дополнение к указанным функциональным преимуществам, заключающимся в способности принять на борт большую полезную нагрузку, в наличии большого полезного объема на борту, в возможности хранения нефти и т.д., значительно дешевле построить буровое судно, чем полупогружную буровую установку.

Существует возможность того, что стоимость сооружения бурового судна с корпусом, принципы построения которого представлены в настоящем описании, будет составлять 60-70% стоимости сооружения полупогруженного судна, выполненного в соответствии с одинаковыми техническими требованиями. Это означает экономию на одном судне нескольких сотен миллионов норвежских крон. Это обусловлено тем, что, среди прочего, судно является хорошо известным объектом, характеризующимся малым риском и обладающим конструктивным удобством. Судно может быть построено на многих верфях, не рискующих браться за строительство сложного полупогруженного судна.

На фиг. 7 изображен график зависимости (HEAVE) между перемещениями вертикальной качки и высотой волн для различных типов судов (предлагаемого однокорпусного судна и двух типов полупогружных платформ, обозначенных номерами 1 и 2) в виде функции периода волны.

Кривая 1 изображает процентное распределение периодов волн в Северной Атлантике в течение года. (Абсцисса читается по правой оси ординат). Очевидно, что наиболее часто возникают волны с периодом, равным примерно 9 секунд, а вероятность их возникновения составляет приблизительно 16,9%. Волны, период которых находится в диапазоне 7-13 секунд, возникают наиболее часто. При периоде волн, превышающем 17 секунд, происходит сглаживание кривой, а вероятности возникновения волн, имеющих такие периоды, невелики.

Вдоль левой оси ординат читается функция вертикальной качки судна в метрах по отношению к высоте волны в метрах. Горизонтальная линия отмечает положение, в котором вертикальная качка равна высоте волны, то есть характеристика HEAVE=1,0.

Обозначение HEAVE-RAO означает "передаточную функцию при расчете амплитуд вертикальной качки", то есть математическую функцию, описывающую перемещения судна в вертикальной качке как функцию набегающих волн.

Три другие кривые графика изображают реакцию предлагаемого судна (то есть судна с шахтами, внешними выступами, внутренними выступами и пространствами с перфорацией) и двух полупогруженных судов, обозначенных номерами 1 и 2 (полупогружных платформ разных размеров). Очевидно, что при волнах с периодом до 6 секунд эти конструкции находятся почти в покое (реакция равна нулю). При волнах, период которых находится в диапазоне наиболее часто возникающих периодов, то есть до 13 секунд, три кривые поднимаются одинаково, но кривые, соответствующие двум полупогруженным судам, снова понижаются в области периодов волн, равных 20-21 секунд, где снова происходит их резкий подъем, и они пересекают прямую, соответствующую реакции HEAVE=1,0. Это означает, что когда период волн превышает примерно 21 секунд, амплитуда вертикальной качки полупогруженных судов превышает высоту самой волны. Даже если волны с такими длинными периодами возникают редко, их доля возможно все же составит 2-3 дня в год. По сравнению с этим значение реакции HEAVE-RAO для предлагаемой конструкции корпуса все время монотонно возрастает с увеличением периода волны, но затем кривая выравнивается и не пересекает прямую, соответствующую реакции HEAVE=1,0.

Преимущества, которые демонстрируют эти кривые, заключаются в том, что для обычного однокорпусного судна существует возможность достижения значений реакции (HEAVE) в метрах/метрах, которые на протяжении основных участков спектра волн приблизительно равны реакции полупогруженных платформ 1 и 2 или даже имеют более предпочтительную величину. Существует диапазон периодов волн, в котором однокорпусное судно имеет менее предпочтительное значение реакции, чем платформы 1 и 2, а именно от 14 до 21 секунд, однако вероятность возникновения таких волн в течение года не превышает 3% и бывает даже ниже, вплоть до 0%. Это видно по значениям кривой 1 по правой ординате.

Такие хорошие значения реакции ранее невозможно было получить для однокорпусных судов вследствие того, что постройка таких судов ранее выполнялась без учета принципов настоящего изобретения, а именно сочетания внутренних сквозных шахт, содержащих средства ограничения входящего/выходящего потока воды, и наружных выступов, установленных на корпусе ниже ватерлинии.

Предлагаемая конструкция корпуса имеет несколько преимуществ. Применение такой конструкции на буровых и добывающих судах позволяет нести значительно больший палубный груз, чем это возможно на обычной плавучей платформе. Такая конструкция имеет меньшую стоимость в постройке и эксплуатации, у нее меньше ограничений при ее перемещении, при необходимости она может применяться без постановки на якорь, а потребность в судах снабжения для обслуживания бурового/добывающего судна значительно меньше, чем для платформы.

Claims (11)

1. Конструкция корпуса однокорпусного судна (10), в особенности предназначенного для проведения буровых и добывающих работ в целом в неподвижном положении, отличающаяся тем, что она содержит по меньшей мере одну открытую шахту (26, 28, 30), проходящую через корпус, для поступающего снизу и уходящего потока воды, при этом по меньшей мере одна стенка (36) шахты/шахт (26, 28, 30) содержит элементы, задерживающие поток воды и выполненные в виде по меньшей мере одного буртика/выступа (34), выступающего наружу от стенки (42) шахты и в некоторой зоне сужающего походное сечение шахты (26, 28, 30) для поступающего потока воды, и полых пространств (42), задерживающих поступающий поток воды и сообщающихся с полым пространством шахты через отверстия (44), причем наружная сторона корпуса имеет продольную выпуклость/продольный выступ (34), выступающую/выступающий горизонтально наружу и расположенную/расположенный предпочтительно ниже ватерлинии (20) корпуса (10).

2. Форма корпуса по п. 1, отличающаяся тем, что стенки (36) шахты образуют выступающий наружу выступ (34) вокруг всей шахты.

3. Форма корпуса по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что она имеет отделенные друг от друга выпуклости/выступы, выступающие наружу и возможно расположенные на стенке (36) шахты судна на различных по высоте уровнях.

4. Форма корпуса по одному из пп. 1-3, отличающаяся тем, что в поперечном сечении выступ проходит от вышележащей стенки шахты в виде горизонтально проходящего уступа (32), затем вниз и внутрь к килевой части корпуса в виде в целом закругленной части окружности, и/или в виде уступа со ступенчатыми переходами, с образованием многоугольного (трапецеидального) поперечного сечения, и с наклоном вниз, к нижележащей килевой части корпуса, и/или в виде нароста, имеющего круговое поперечное сечение.

5. Форма корпуса по п. 1, отличающаяся тем, что площадь ватерлинии шахты составляет 3-40%, предпочтительно 8-30%, особенно предпочтительно 15-30%, и в особенности предпочтительно 15% общей площади ватерлинии судна.

6. Форма корпуса по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что в горизонтальном направлении выпуклости/выступы (34) выступают наружу от стенки/стенок шахты на расстояние, составляющее от 1,5 до 5 м.

7. Форма корпуса по п. 1, отличающаяся тем, что при длине судна, равной приблизительно 180 м, продольная выпуклость/продольный выступ выступает на каждом борту корпуса наружу от него на расстояние от 1,5 до 5 м, предпочтительно по меньшей мере на 5 м.

8. Форма корпуса по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что в поперечном сечении выпуклость/выступ проходит в наружном направлении от бортовой части судна в виде горизонтально проходящего уступа (32), затем вниз и внутрь к килевой части корпуса в виде в целом закругленной части окружности, и/или в виде уступа со ступенчатыми переходами, с образованием многоугольного (трапецеидального) поперечного сечения, и с наклоном вниз, к нижележащей килевой части корпуса, и/или в виде нароста, имеющего круговое поперечное сечение.

9. Форма корпуса по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что полое пространство (42) образовано плитой (40), расположенной в целом параллельно стенке (36) шахты на некотором расстоянии от нее, например, так расположенной сверху на верхней стороне выступа (34), что стенка (36) шахты, выступ (34) и плита (40) ограничивают пространство (42), в которое через отверстия (44) в плите (40) может втекать и из которого через эти отверстия может вытекать часть находящейся в шахте воды.

10. Форма корпуса по п. 9, отличающаяся тем, что плита выполнена в виде перфорированной стенки (40), причем отверстия (44) в стенке предпочтительно выполнены круглыми, а их площадь составляет приблизительно до 10-30% общей площади стенки, особенно предпочтительно приблизительно 25% суммарной площади плиты (40).

11. Судно, в особенности судно, которое предназначено для бурения на нефть и газ и/или их добычи или для сейсмических исследований и перемещения которого, в особенности перемещения вертикальной качки, возникающие вследствие сильного волнения на море, необходимо демпфировать, содержащее корпус, имеющий конструкцию по пп. 1-10.

Images