RU2221917C2 - Морская ледостойкая плавучая платформа и способ ее эксплуатации - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области строительства морских шельфовых сооружений, предназначенных для бурения и/или добычи нефти или газа в глубоководных районах с ледовым периодом. Ледостойкая платформа (ЛП) имеет опорное основание в виде плавучей колонны (ПК) с отсеками плавучести и маневренными балластными цистернами (БЦ) и с проницаемой нижней частью, в которой размещен твердый балласт. ЛП заякорена системой наклонных якорных связей (ЯС), расположенных, например, в звездном порядке. ПК имеет дополнительную систему провисающих тяжелых цепей, закрепленных за рымы ее нижней части, а другими концами к сваям на дне моря, при этом длина цепей превышает максимально возможное удаление рымов от дна моря. Способ эксплуатации ЛП включает позиционирование ЛП, регулирование натяжения ЯС в соответствии с заданной осадкой и поддержание вертикального положения ПК. При повышении уровня моря (УМ) принимают водяной балласт (ВБ) в маневренные БЦ, а при понижении УМ удаляют ВБ, регулируют операции с БЦ так, чтобы минимизировать возникающие наклонения ПК. Осадку ЛП и натяжение ЯС изменяют в зависимости от сезонных условий так, что при возникновении ледовых условий уменьшают осадку и увеличивают избыточную плавучесть (ИП) и натяжение ЯС. Для этого ВБ удаляют из маневренных БЦ, а в штормовых условиях увеличивают осадку и уменьшают ИП и натяжение ЯС, для чего ВБ принимают в БЦ. Изобретение обеспечивает поддержание оптимального режима добычи платформой при волнении моря и ледовых воздействиях. 2 с. п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относится к области строительства морских шельфовых сооружений, предназначенных для бурения и/или добычи нефти или газа на глубоководных морских месторождениях в районах с ледовым периодом.

Известны ледостойкие морские сооружения (Д.А.Мирзоев, "Нефтегазопромысловые ледостойкие сооружения мелководного шельфа", - М.: ВНИИОЭНГ, 1992, стр.15, 26 или Т.Доусон, "Проектирование сооружений морского шельфа", Л., Судостроение, 1986), устанавливаемые на дне моря. Такие конструкции выдерживают воздействие ледяных полей, передавая их усилие на грунт, однако при глубине моря более 60-80 м платформы такого типа становятся громоздкими и металлоемкими, а их стоимость возрастает в кубической степени от глубины моря.

Известны также не предназначенные к работе в ледовых условиях платформы на плавучем основании на натяжных связях (по зарубежной терминологии TLP), заякоренных гравитационными или свайными якорями (Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Tension Leg Platforms, API RP 2T, American Petroleum Institute, 1997, с.3, 12-28, 55). Эти платформы значительно менее чувствительны (по массе и стоимости) к глубине моря и применяются, в основном, для средних и больших глубин моря, и классифицирующим их признаком является то, что якорные связи натянуты избыточной плавучестью корпуса. Указанный тип платформ связан с грунтом только через донные якоря, а их устойчивость определяется избыточной плавучестью, обеспечивающей натяжение связей.

Наиболее близка к предлагаемому решению разновидность указанного типа платформ - платформа типа Spar (J. Kuuri, Т. Lehtinen, J. Miettinen, Aker Rauma Offshore Ltd, Neptune Project: Spar Hull and Mooring System Design and Fabrication, Offshore Technology Conference, OTC 8384, Houston, 1997, с. 2-5 и J. E. Halkyard, J. Murray "Spar As a Production Platform in Arctic Environment", Труды Третьей Международной конференции "Освоение шельфа арктических морей России" - RAO'97, С. - Петербург, 1997, с. 25, 26), которая принята за прототип. Плавучая заякоренная платформа - прототип (см. фиг.1 и 2) имеет для поддержания верхнего строения 1 плавучий корпус в виде вертикально протяженной колонны 2, включающей непроницаемую часть с отсеками плавучести 3 и прочными маневренными балластными цистернами 4, и проницаемую часть 5 с эластичной балластной емкостью внизу. Сухие отсеки плавучести 3, размещенные ярусами, обеспечивают плавучесть и остойчивость платформы как плавучего сооружения в эксплуатационном рабочем положении платформы, а маневренные балластные цистерны 4, размещенные в нижнем ярусе, содержат управляемое количество водяного балласта и используются для поддержания заданной осадки платформы и ее вертикального положения при изменениях уровня моря или изменении весовой нагрузки платформы. Для системы заякорения этой платформы (см. фиг. 2) характерны наклонные якорные связи 6, расположенные радиально в звездном порядке, идущие от клюзов 7 в колонне к донным свайным якорям 8. Наклонные связи предназначены для удержания платформы в ледовых условиях над скважинами так, чтобы перемещения килевой площадки 9 колонны 2 от внешних воздействий (в т. ч. льда) не превысили допустимые по использованию буровых и добычных райзеров 10. Такие платформы, установленные на относительно больших глубинах (300 м и более), легко выдерживают воздействие волнения моря, имея небольшие амплитуды качки за счет существенного различия периода собственных колебаний и периодов волн.

Однако указанное сооружение принципиально не может одинаково хорошо противостоять ледовой и волновой нагрузкам. Противостояние ледовой нагрузке требует большой жесткости системы заякорения и сильного начального натяжения связей во избежание большого горизонтального смещения платформы в процессе выбирания слабины связей. С другой стороны, умеренные колебания платформы при шторме возможны только при ослаблении связей, гарантирующем низкую собственную частоту поступательных колебаний платформы, находящуюся вне основных частот спектра морского волнения. В противном случае неизбежно следует резонансный "разнос" сооружения, и происходят резкие рывки в связях, приводящие к превышению допустимых натяжений. То же явление имеет место и для угловых колебаний: большая остойчивость платформы, создаваемая для предотвращения больших наклонений от опрокидывающего момента от воздействия льда на уровне ватерлинии, приводит к увеличению собственной частоты угловых колебаний и приближает ее к частотам волнения (с теми же отрицательными последствиями). Таким образом, стремление уменьшить амплитуды угловых колебаний платформы от волнения моря приводит к необходимости уменьшения ее начальной остойчивости.

В предлагаемой конструкции платформы указанное противоречие разрешается путем использования управляемых маневренных балластных цистерн для компенсации изменения сезонных условий и ввода в конструкцию системы тяжелых цепей, подвешенных в нижней части колонны.

Предлагаемое сооружение иллюстрируется на фиг.3.

На фиг. 3 изображен общий вид платформы в эксплуатационном рабочем положении. Платформа состоит из верхнего строения 1 (модули различного назначения, буровая вышка и пр.), плавучего опорного основания в виде колонны 2, включающей непроницаемую часть: маневренные балластные цистерны 3, отсеки плавучести 4 и проницаемую часть 5 с твердым балластом внизу. Сухие отсеки плавучести 4 обеспечивают плавучесть платформы в эксплуатационном рабочем положении платформы, а маневренные балластные цистерны 3 содержат изменяемое количество водяного балласта. Водяной балласт может удаляться или приниматься в маневренные цистерны при управлении арматурой из поста управления. Верхняя (традиционная) система заякорения включает клюзы 6 на колонне, якорные связи 7 и донные якоря 8 (предпочтительно свайного типа). Нижняя система заякорения - система цепей - включает рымы 9 на нижней части колонны, тяжелые провисающие цепи 10 и сваи 11. Вес цепей добавляется к весу твердого балласта. Длина цепей 10 превышает расстояние от рымов 9 до дна моря на величину, большую суммы максимально возможного в данном районе изменения уровня моря (вызванное, например, приливом и/или штормовым нагоном) и возможного изменения осадки (т.е. величину максимально возможного удаления рымов от дна моря) так, что дальние звенья (смычки) цепей при любой возможной осадке лежат на дне, причем их концы для сохранения расположения в плане закреплены на сваях. Натяжение как верхних связей 7, так и цепей 10, и осадка сооружения могут регулироваться за счет заполнения-осушения маневренных балластных цистерн 3 при установке платформы и в процессе эксплуатации в зависимости от весовой нагрузки, внешних условий, сезона, уровня моря для оптимизации противодействия внешним нагрузкам.

При эксплуатации платформы в условиях чистой воды и отсутствия сильного волнения моря (т. е. вне экстремальных условий) в маневренных цистернах 3 удерживают некоторое среднее количество водяного балласта, поддерживая номинальную осадку колонны 2 и среднее натяжение якорных связей 7 и цепей 10. При изменении уровня моря (например, от прилива-отлива) или вариаций весовой нагрузки платформы поддерживают заданную осадку колонны 2 за счет приема-удаления воды из маневренных цистерн, сохраняя тем самым начальное натяжение связей и цепей. При возникновении экстремальных ледовых условий (когда волнение моря, соответственно, отсутствует) водяной балласт удаляют из маневренных цистерн 3, увеличивая избыточную плавучесть колонны, якорные связи 7 и цепи 10 обтягиваются, достигая необходимого для противостояния льду начального натяжения, при этом осадка колонны незначительно уменьшается. В экстремальных штормовых условиях (когда лед, соответственно, отсутствует), напротив, водяной балласт принимают, уменьшая избыточную плавучесть колонны, осадка несколько увеличивается, связи 7 и цепи 10 ослабляются; амплитуды качки и усилий в связях уменьшаются. Как показали расчеты и компьютерное моделирование, натяжение как якорных связей, так и цепей весьма чувствительно к вариациям осадки платформы, и, следовательно, небольшое, целенаправленное применительно к действующим внешним воздействиям изменение осадки (мало влияющее на повседневную эксплуатацию платформы) существенно увеличивает ее устойчивость и безопасность.

Основная роль провисающих цепей состоит в том, что они обеспечивают дополнительный стабилизирующий в вертикальном направлении "гайдропный" эффект: при приеме балласта в маневренные цистерны 4 и притоплении платформы дополнительные звенья цепей ложатся на дно, облегчая колонну 2, а при всплытии, наоборот, поднимаются со дна, утяжеляя колонну и препятствуя всплытию. Указанный эффект равносилен увеличению площади действующей ватерлинии, препятствующей наклонению и притоплению платформы от воздействия льда, но без отрицательных последствий, таких как увеличение ледовой и волновой нагрузок из-за увеличения размеров ватерлинии. Тот же эффект способствует увеличению остойчивости и уменьшению наклонений платформы от ледовой нагрузки - за счет увеличения натяжений цепей со стороны колонны, противоположной действию ледовой нагрузки. Такой способ увеличения остойчивости также не ведет к вышеуказанным отрицательным последствиям в виде увеличения внешних нагрузок.

Положительный эффект от использования маневренных балластных цистерн 4 совместно с цепями проявляется и в том, что при удалении воды из маневренных цистерн цепи натягиваются, и создается дополнительный восстанавливающий момент; при этом остойчивость увеличивается, что способствует уменьшению наклонений платформы в ледовых условиях. Наоборот, в штормовых условиях, когда водяной балласт принимают в маневренные цистерны, остойчивость платформы уменьшается, увеличивая собственный период угловых колебаний, что способствует умерению качки и устранению рывков якорных связей.

Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет достичь нового результата, объединив (недостижимое ранее) выполнение двух качеств, необходимых для обеспечения устойчивости плавучей морской ледостойкой платформы: 1) противодействие ледовой нагрузке, 2) умерение перемещений от воздействия волнения моря и устранение рывков якорных связей за счет закрепления сооружения как в верхней, так и в нижней части корпуса (цепи), и за счет регулируемой плавучести корпуса и натяжения якорных связей верхней и нижней систем.

Способ эксплуатации сооружения опирается на возможности предлагаемой конструкции плавучей платформы. Наиболее близок к предлагаемому способу эксплуатации способ эксплуатации платформы типа TLP-SPAR (R. Glanville, J.E. Halkyard, R.L. Davies, A. Steen, F. Frimm, Deep Oil Technology, Inc., Neptune Project: Spar History and Design Considerations, Offshore Technology Conference, OTC 8382, Houston, 1997, с.1-4, 10, 11), принятый за прототип. Согласно способу-прототипу в процессе эксплуатации платформы (см. фиг.1 и 2) поддерживают заданную осадку и вертикальное положение колонны 2, сохраняя постоянное начальное натяжение якорных связей 6. При этом в случае повышения уровня моря (прилив, штормовой нагон) или эксплуатационного уменьшения весовой нагрузки платформы принимают водяной балласт в балластные цистерны 3, а при понижении уровня моря или утяжелении платформы удаляют балласт, регулируя операции с балластными цистернами 3, разделенными по бортам колонны так, чтобы минимизировать возникающие наклонения колонны (с учетом эксцентриситета переменных грузов). В процессе балластных операций натяжение в связях 6 стремятся сохранить постоянным.

Однако, как указывалось выше, сохранение постоянства начального натяжения связей принципиально не может обеспечить противостояния ледовой и волновой нагрузкам. Противостояние ледовой нагрузке требует большой жесткости системы заякорения и сильного начального натяжения связей. С другой стороны, умеренные колебания платформы при шторме возможны только при ослаблении связей, гарантирующем низкие собственные частоты поступательных и угловых колебаний платформы; в противном случае неизбежно следует резонансный "разнос" сооружения.

В предлагаемом способе (см. фиг.3) указанная трудность исключена благодаря использованию совместной работы маневренных балластных цистерн 3 и системы провисающих тяжелых цепей 10, закрепленных за рымы 9 в нижней части колонны 2. Цепи 10, будучи закреплены концами к сваям 11, располагаются, например, радиально в звездном порядке. Благодаря такому расположению цепей колонна 2 позиционируется точно над местом установки и сохраняет вертикальное положение за счет натяжения, обусловленного весом цепей. Осадку сооружения в процессе эксплуатации платформы регулируют приемом-удалением балласта маневренных цистерн 3 при стабилизирующем влиянии цепей, при этом остойчивость при уменьшении/увеличении осадки платформы увеличивается/уменьшается за счет удаления/приема веса сверху (удаления/приема балласта маневренных цистерн) при одновременном приеме/удалении веса внизу (поднятие/опускания звеньев цепей с/на грунта).

Таким образом, в процессе эксплуатации совокупность технических средств "маневренные цистерны + цепи" применяют для адаптации платформы к внешним условиям. Для приобретения качества ледостойкости платформы (отсутствующего при применении способа-прототипа) при возникновении экстремальных ледовых условий водяной балласт удаляют из маневренных цистерн, увеличивая избыточную плавучесть, якорные связи и цепи обтягиваются, достигая необходимого для противостояния льду начального натяжения, при этом осадка платформы незначительно уменьшается. В экстремальных штормовых условиях водяной балласт принимают, уменьшая избыточную плавучесть, осадка несколько увеличивается, связи и цепи ослабляются; амплитуды качки и усилий в связях уменьшаются. При этом дополнительного регулирования натяжения связей домкратами, лебедками и т.п. не требуется.

Предлагаемая конструкция и способ ее использования позволяет достичь, во-первых, достаточной ледостойкости платформы, во-вторых, снижается чувствительность платформы к воздействию волнения моря. Изменения эксплуатационной осадки платформы при этом незначительны и не влияют на процесс добычи и бурения.

Claims (2)

1. Морская ледостойкая плавучая платформа, имеющая опорное основание в виде плавучей колонны с управляемыми маневренными балластными цистернами и системой заякорения с наклонными якорными связями, отличающаяся тем, что плавучая колонна соединена с дном моря посредством системы провисающих тяжелых цепей, закрепленных за рымы в ее нижней части, а другими концами - к сваям на дне моря, при этом длина цепей превышает максимально возможное удаление рымов от дна моря.

2. Способ эксплуатации морской ледостойкой плавучей платформы, при котором позиционируют платформу, регулируют натяжения якорных связей в соответствии с заданной осадкой, поддерживают вертикальное положение колонны, в случае повышения уровня моря (прилив, штормовой нагон) или уменьшения весовой нагрузки платформы принимают водяной балласт в маневренные балластные цистерны, а при понижении уровня моря или утяжелении платформы удаляют балласт, регулируя операции с балластными цистернами, так, чтобы минимизировать возникающие наклонения колонны, отличающийся тем, что осадку платформы и натяжения якорных связей изменяют в зависимости от сезонных условий так, что при возникновении ледовых условий уменьшают осадку и увеличивают избыточную плавучесть и натяжение якорных связей, для чего водяной балласт удаляют из маневренных балластных цистерн, а в штормовых условиях увеличивают осадку и уменьшают избыточную плавучесть и натяжение якорных связей, для чего водяной балласт принимают в маневренные балластные цистерны.

Images