RU2405084C1 - Способ сооружения морского технологического комплекса - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к освоению подводных месторождений полезных ископаемых, преимущественно жидких и газообразных, к сооружению технологических комплексов, включающих морские платформы, при широком диапазоне внешних условий, характеристик грунтов морского дна и глубины их установки. Способ включает анализ горизонтальных и вертикальных нагрузок, действующих на основания платформ в зависимости от внешних условий среды и глубины их установки, согласно которым определяют периоды благоприятной эксплуатации - безветренный и межледовый, периоды неблагоприятной эксплуатации - ледовый и/или ураганный, а также периоды повышения сейсмической активности и периоды появления цунами. При выбранных габаритных размерах верхней части платформы в плане и толщины ледового поля, характеризующей усилие сдвига, определяют величины внешних и вертикальных нагрузок на основание платформы, а также зависимости допустимых суммарных нагрузок при изменении количества опор и цементируемых свай при различных глубинах и наперед заданном запасе прочности. На основе последних строят номограммы, определяющие границы допустимых нагрузок на основания морских платформ при эксплуатации в круглогодичном или в сезонных периодах. Причем на основе номограмм, определяющих границы допустимых нагрузок на основание морской платформы, осуществляют выбор трапецеидальной или призматической конструкции основания платформы, а также необходимость использования искусственной гравитации или использования понтонных устройств. После анализа определяют схему обустройства технологического комплекса. При этом для эффективного противодействия внешним нагрузкам каждое основание платформы жестко связывают с донной плитой. Донную плиту крепят к твердому грунту с помощью цементируемых свай. На опоры основания платформы устанавливают верхнюю палубу, на которой располагают устьевое оборудование технологических скважин, а сверху устанавливают технологические модули. Причем верхнюю палубу располагают ниже уровня моря для обеспечения возможности прохода ледового покрова и/или айсбергов, и/или нижней границы волны при прохождении урагана или цунами. Технологические модули выполняют самоходными и специализированными. Эксплуатацию технологических модулей производят в благоприятные периоды, а для неблагоприятных периодов назначают внешнюю предельную нагрузку, в соответствии с которой закрывают технологические скважины. Затем специализированные технологические модули отстыковывают от верхней палубы основания и отводят на сервисную базу. При этом по крайней мере одну верхнюю палубу снабжают выдвижной палубой, телескопически связанной с опорами основания с помощью выдвижных опор. Производят стыковку выдвижной палубы с самоходным технологическим модулем в благоприятный период, а в неблагоприятный период, после отстыковки выдвижной палубы и самоходного технологического модуля, выдвижную палубу опускают и располагают ниже уровня моря на расстоянии, обеспечивающем отсутствие взаимодействия элементов основания морской платформы с ледовым полем, или айсбергами, или ураганами, или с цунами. Изобретение позволяет повысить надежность сооружения морских платформ. 8 з.п. ф-лы, 16 ил.

Description

Область техники

Изобретение относится к освоению подводных месторождений полезных ископаемых, преимущественно жидких и газообразных, к сооружению технологических комплексов, включающих морские платформы, при широком диапазоне внешних условий, характеристик грунтов морского дна и глубины их установки.

Предшествующий уровень техники

Известно техническое решение, в котором делается попытка обоснования методики сооружения гравитационных платформ для разведки и эксплуатации нефтегазовых месторождений в Арктике на глубинах до 90 м - ADAPS [1]. ADAPS представляет собой платформу на коническом основании, включая использование системы искусственной гравитации с анкерной системой заякоривания. Однако в известном техническом решении не решен вопрос надежной установки основания с учетом сопротивления сдвигу для обеспечения противодействия с ледовым полем и сейсмостойкости при относительно большом весе сооружения. Основание устанавливается на грунт при условии его выравнивания. Однако анкерная система устанавливается, во-первых, в поверхностных грунтах, во-вторых, она воспринимает нагрузки натяжения, при этом не рассматривается восприятие опорных нагрузок, что ограничивает ее применение.

Известен способ сооружения морской платформы, при котором основание платформы крепят ко дну с помощью цементируемых свай, установку которых производят в предварительно пробуренные скважины, в которые предварительно устанавливают обсадные трубы, а зазоры между обсадными трубами и сваями заполняют цементным раствором, позволяющим осуществлять жесткую связь с твердыми породами, поскольку длину обсадных труб выбирают из условия перекрытия неустойчивых пород [2]. Данное техническое решение определяет новое направление в технологии сооружения морских платформ, вместе с тем, не рассматривает возможность создания морских платформ на больших глубинах.

Известен также способ сооружения и эксплуатации морского технологического комплекса, заключающийся в анализе горизонтальных (P_л) и вертикальных (P_в) нагрузок, действующих на основания платформ (L_п) в зависимости от внешних условий среды и глубины их установки (H_м), согласно которым определяют периоды благоприятной эксплуатации - безветренного и межледового, периоды неблагоприятной эксплуатации - ледовый и/или ураганный, а также периоды повышения сейсмической активности и периоды появления цунами, после чего определяют схему обустройства и эксплуатации технологического комплекса [3] - прототип.

В упомянутом способе обозначаются рекомендации по повышению надежности сооружения морских платформ при увеличенных глубинах их установки в арктических условиях, а также единого модульного подхода к их сооружению. Вместе с тем, не раскрыты пути и средства их осуществления.

Сущность изобретения.

Настоящее изобретение направлено на решение задачи достижения универсального подхода к проектированию и эксплуатации морских платформ с учетом природно-климатических условий и расширения диапазона глубин их сооружения.

Указанная цель достигается тем, что реализуется способ сооружения и эксплуатации морского технологического комплекса, заключающийся в анализе горизонтальных (P_л) и вертикальных (P_в) нагрузок, действующих на основания платформ (L_п) в зависимости от внешних условий среды и глубины их установки (H_м), согласно которым определяют периоды благоприятной эксплуатации - безветренного и межледового, периоды неблагоприятной эксплуатации - ледовый и/или ураганный, а также периоды повышения сейсмической активности и периоды появления цунами, после чего определяют схему обустройства и эксплуатации технологического комплекса, причем определяют величину внешних нагрузок на основание платформы при выбранных габаритных размерах верхней части платформы в плане и толщины ледового поля, характеризующей усилие сдвига P_л=L₁h×σ, где P_л - ледовая нагрузка, L₁ - поперечные габариты основания платформы, h - толщина ледового поля, σ - предел прочности ледового поля, также определяют величину вертикальных нагрузок на основание платформы от изменения внешних условий, в частности от толщины ледового поля, характеризующей опрокидывающий момент P_в=P_лH_м/L₂, где P_в - вертикальная нагрузка, P_л - ледовая нагрузка, H_м - глубина установки основания платформы, L₂ - расстояние между опорами платформы у основания, определяют зависимости допустимых суммарных нагрузок при изменении количества опор и цементируемых свай, при различных глубинах и наперед заданном запасе прочности k-P_cв=kNσ_св, где P_cв - общая нагрузка на сваи, N - количество свай, σ_св - допустимая нагрузка на сваю, на основе последних строят номограммы, определяющие границы допустимых нагрузок на основания морских платформ при эксплуатации в круглогодичном или в сезонных периодах - P_в<P_св.

Кроме того, на основе номограмм, определяющих границы допустимых нагрузок на основание морской платформы в зависимости от глубины ее установки, осуществляют выбор трапецеидальной или призматической конструкции основания платформы, а также необходимость использования искусственной гравитации или использования понтонных устройств, после чего определяют схему обустройства технологического комплекса и схему его эксплуатации в целом.

Для эффективного противодействия внешним нагрузкам каждое основание платформы жестко связывают с донной плитой, донную плиту крепят к твердому грунту с помощью цементируемых свай, на опоры основания платформы устанавливают верхнюю палубу, на которой располагают устьевое оборудование технологических скважин, сверху устанавливают технологические модули, причем верхнюю палубу располагают ниже уровня моря для обеспечения возможности прохода ледового покрова, и/или айсбергов, и/или нижней границы волны при прохождении урагана или цунами, а технологические модули выполняют самоходными и специализированными, их эксплуатацию производят в благоприятные периоды, а для неблагоприятных периодов назначают внешнюю предельную нагрузку, в соответствии с которой закрывают технологические скважины, затем специализированные технологические модули отстыковывают от верхней палубы основания и отводят на сервисную базу.

Количество опор и соответственно цементируемых свай определяют согласно расчетным путем исходя из условия противодействия наперед заданным внешним нагрузкам - опрокидывающему моменту и/или сопротивлению сдвига с учетом наперед заданного коэффициента запаса прочности.

В предпочтительном варианте, по крайней мере, одну верхнюю палубу снабжают выдвижной палубой, телескопически связанной с опорами основания с помощью выдвижных опор, производят стыковку выдвижной палубы с самоходным технологическим модулем в благоприятный период, а в неблагоприятный период, после отстыковки выдвижной палубы и самоходного технологического модуля, выдвижную палубу опускают и располагают ниже уровня моря на расстоянии, обеспечивающем отсутствие взаимодействия элементов основания морской платформы с ледовым полем, или айсбергами, или ураганами и или с цунами.

Причем опоры основания выполняют в виде модулей, жесткую связь которых осуществляют с помощью соединительных элементов.

Для повышения надежности работы морской платформы основание выполняют с искусственной гравитацией, при которой используют натяжные элементы, которые располагают между верхней палубой и донной плитой основания, при этом количество натяжных элементов определяют расчетным путем исходя из усилия необходимого натяжения, которое совместно с весом основания и с весом самоходного специализированного технологического модуля обеспечивает противодействие наперед допустимым внешним нагрузкам - опрокидывающему моменту и/или сопротивлению сдвига.

Для упрощения монтажа и демонтажа морской платформы связь цементируемых свай с донной плитой, донной плиты с основанием, натяжных элементов с донной плитой осуществляют с помощью соответствующих байонетных соединений.

Для повышения надежности на верхней палубе располагают гидравлическую систему выравнивания нагрузок на натяжные элементы, которая включает в себя систему гидроцилиндров, корпуса которых гидравлически связаны между собой замкнутым трубопроводом и жестко связаны с верхней палубой, а плунжеры взаимодействуют через клиновое соединение с соответствующим натяжным элементом.

Для обеспечения необходимой устойчивости морской платформы при повышенных глубинах основание выполняют с дополнительно устанавливаемыми понтонами, подъемную силу которых в соответствии с глубиной установки платформы определяют расчетным путем с учетом веса основания платформы и водоизмещения самоходного технологического модуля.

Для повышения устойчивости платформы основание морской платформы дополнительно снабжают тросовой системой, один конец каждого троса которой крепят к верхней части основания, а другой - к периферийной цементируемой свае.

Кроме того, сооружение каждой морской платформы осуществляют с помощью понтонных транспортных средств или с использованием подъемных средств, установленных на специальном плавучем средстве, в виде катамарана методом сверху-вниз на месте установки основания до достижения высоты основания и донной плиты наперед заданного уровня, после чего производят установку цементируемых свай и их жесткую связь с донной плитой основания платформы.

Эксплуатацию технологического комплекса осуществляют с помощью самоходных специализированных технологических модулей, которые располагают на сервисной базе и в соответствии с технологией проведения работ доставляют поочередно к месту добычи полезных ископаемых и устанавливают на основании соответствующей платформы.

Эксплуатацию технологического комплекса осуществляют посредством последовательной стыковки самоходных специализированных технологических модулей - добычи, капремонта, модули подготовки нефти и/или газа - с соответствующими основаниями платформ, при этом после завершения буровых работ снимают самоходные буровые модули с соответствующих оснований и направляют на сервисную базу или на другое месторождение, а на одном го оснований морской платформы в благоприятный период оставляют самоходный специализированный технологический модуль подготовки нефти и/или газа для взаимодействия с нефтеналивными и газотранспортными судами, а в неблагоприятный период также снимают и направляют на сервисную базу.

Изобретение поясняется фиг.1-16.

На фиг.1 показана условная схема ледовых нагрузок P_л на сваи морской платформы в зависимости от глубины ее установки при расстоянии опор на расстоянии 30 м, а также соответствующие вертикальные нагрузки P_в1 и P_в2, действующие на цементируемые сваи. На фиг.2 - нагрузки, действующие на основание платформы в зависимости от глубины ее установки в море и толщины ледового поля. На фиг.3 - граничные условия возможной эксплуатации морских платформ в экстремальных условиях (в замерзающих морях) в зависимости от количества опор. На фиг.4 - то же, что на фиг.3, в логарифмических координатах. На фиг.5 - сравнение нагрузок при установке на больших глубинах морских платформ с коническим основанием (фиг.5а) и при наличии понтонных устройств в верхней части призматического основания (фиг.5б). На фиг.6 показан пример устройства морской платформы с выдвижной палубой с учетом возможности работы при ледовых условиях или прохождения цунами (фиг.6а) и при возможности прохождения айсбергов (фиг.6б). На фиг.7 - вид сверху на морскую платформу с примером расположения девяти опор (фиг.7а) и семи опор (фиг.7б). На фиг.8 - пример конструктивного выполнения в поперечном разрезе центральной (фиг.8а) и периферийной (фиг.8б) опор основания. На фиг.9 - пример сопряжения опоры, натяжного элемента системы искусственной гравитации, цементируемой сваи и донной плиты. На фиг.10 - пример выполнения устройства натяжения элементов системы искусственной гравитации. На фиг.11 - пример выполнения гидравлической системы выравнивания нагрузок натяжных элементов системы искусственной гравитации. На фиг.12 - пример установки морской платформы на малых глубинах На фиг.13 - пример выполнения морских платформ с понтонными устройствами на больших глубинах (фиг.13а - до 300 м, фиг.13б - до 600 м, фиг.13в - до 900 м и выше). На фиг.14 - схема монтажа универсальных платформ на малых глубинах (фиг.14а) и на больших глубинах (фиг.14б) по методу сверху-вниз. На фиг.15 - пример эксплуатации промысла по добыче углеводородов в благоприятный период. На фиг.16 - схема сервисного обслуживания нефтегазовых месторождений.

Средства, необходимые для реализации предлагаемого способа, обусловлены следующим.

Во-первых, необходимо определить величину внешних нагрузок на основание платформы при выбранных габаритных размерах верхней части платформы и толщины ледового поля, характеризующей усилие сдвига (фиг.1) P_л=L₁h×σ, где P_л - ледовая нагрузка, L₁ - поперечные габариты верхней части основания платформы, принято L₁=30 м, h - толщина ледового поля, h=1 м, σ - предел прочности ледового поля, σ=100 кг/см кв. Кроме того, необходимо определить величину вертикальных нагрузок P_в на основание платформы от изменения внешних условий, в частности от толщины ледового поля, характеризующей опрокидывающий момент (фиг.2) P_в=P_лH_м/L₂, где P_л - ледовая нагрузка, Н_м - глубина установки основания платформы, L₁ - расстояние между опорами платформы у нижней части основания. Затем определяют зависимости допустимых суммарных нагрузок при изменении количества опор и цементируемых свай, при различных глубинах и наперед заданном запасе прочности k (фиг.3) - P_св=kNσ_св, где P_св - общая нагрузка на сваи, N - количество цементируемых свай, σ_cв - допустимая нагрузка на сваю, на основании последних строят номограммы (фиг.4), определяющие границы допустимых нагрузок на основание морских платформ при эксплуатации в круглогодичном или в сезонных периодах - P_в<P_св.

На основе номограмм, определяющих границы допустимых нагрузок на основание морской платформы, осуществляют выбор конструкции основания платформы - трапецеидальной или призматической (фиг.5), а также необходимость использования искусственной гравитации или использования понтонных устройств, после чего определяют схему обустройства технологического комплекса и схему его эксплуатации.

Наиболее значительной нагрузкой, отнесенной к горизонтальной, является ледовая нагрузка при мощности ледовых полей до 5 и более метров (фиг.2).

В связи с этим расчет на надежность объекта будем вести, взяв за основу ледовую нагрузку. Другие виды нагрузок можно исследовать, взяв соответствующий корректирующий коэффициент.

Наиболее значительной нагрузкой является нагрузка от ледового поля, зависящая от глубины моря. То есть нагрузка вертикальная и направленная со стороны воздействия "вверх" - P_в1, а с обратной стороны "вниз" P_в2, которые воспринимаются фундаментом морской платформы.

Величины указанных нагрузок растут пропорционально соотношению глубины моря / размер донной плиты (P_в=H_м/L_п). Прямой путь для уменьшения этих нагрузок - это увеличение размера основания - донной плиты.

Однако единственным рациональным способом восприятия этих нагрузок являются цементируемые сваи, жестко связанные с твердой породой и жестко связанные с донной плитой, на которую опирается основание платформы.

Результаты расчета цементированных свай, их количества и граничные условия их круглогодичной работы представлен на фиг.2 пунктиром.

Для примера I - девять опор, по 6 свай в каждой опоре, при условной нагрузке на одну сваю σ_св=4 тыс.т, с учетом коэффициента запаса прочности k:

общая нагрузка на сваи составляет - P_св=kNσ_св=9×6×4=216 тыс.т.

Для примера II - семь опор, по 6 свай в каждой опоре, при допустимой нагрузке на одну сваю σ_св=4 тыс.т:

общая нагрузка на сваи составляет - P_св=kNσ_св=7×6×4=168 тыс.т.

Для примера III - пять опор, по 6 свай в каждой опоре, при допустимой нагрузке на одну сваю σ_св=4 тыс.т:

общая нагрузка на сваи составляет - P_св=kNσ_св=5×6×4=120 тыс.т.

Установив граничные условия в 120, 168 и в 216 тыс.т для ледового поля при толщине 1, 2, 3, 4 метров, определены граничные условия надежности эксплуатации морской платформы - P_в<Р_св от толщины ледового поля (фиг.2-4).

Круглогодичная работа представлена расчетная, но с учетом того, что подступов к платформе в ледовый период нет, следовательно, в целом возможна сезонная работа только в межледовый период. При этом нет необходимости подвергать платформу в нерабочий ледовый период большим ледовым нагрузкам.

По-видимому, платформа должна располагаться ниже границы ледового поля. Верхняя часть платформы, а это, вполне вероятно, может быть специальное судно, например, для бурения технологических скважин. Причем только на период выполнения своих работ.

Когда все работы по бурению технологических скважин выполнены, скважины обвязаны и есть возможность нефть или газ по трубопроводам направить на береговую базу, работы по добычи нефти и/или газа могут вестись круглогодично.

В случае большой удаленности от берега наиболее вероятный вариант работы - сезонный, т.е. в межледовый период с использованием танкеров.

Тем более, что при минусовых температурах в ледовый период не исключено образование в трубах газоконденсатных пробок. Ремонт трубопроводов при этом проблематичен.

Свайные, нецементируемые, платформы в известных конструкциях не могут противостоять ледовому покрову, который при взаимодействии с основанием платформы создает опрокидывающий момент - сваи легко выходят из грунта, т.к. нет средств противодействия вертикальной нагрузке P_в, направленной вверх, кроме собственного веса платформы P_пл.

Увеличение же веса платформы P_пл приводит к уменьшению сопротивлению сдвига при сейсмике. При этом практика подтверждает, что вес гравитационных платформ даже при 600 тыс.т., несмотря на ограниченное противодействие ледовому полю (фиг.3), не удовлетворяют условию сейсмического противодействия. Возможный период работы в экстремальных условиях подтверждается закономерностью, представленной в логарифмической системе координат (фиг.4).

Для больших глубин необходим также анализ действующих нагрузок и определение выполнение вида опор - опоры в обычном варианте (фиг.5а) или с применением понтонов (фиг.5б).

В целом, при сооружении и эксплуатации морских платформ в неблагоприятных природно-климатических условиях, в том числе и в арктических, при их сооружении необходимо обеспечивать высокую надежность.

На фиг.6 показан пример устройства морской платформы с выдвижной палубой с учетом возможности работы при ледовых условиях или прохождения цунами (фиг.6а) и при возможности прохождения айсбергов (фиг.6б) с использованием самоходных специализированных технологических модулей, а также с использованием выдвижной палубы с телескопическими опорами.

Морская платформа в общем случае (фиг.6) содержит основание 1, установленное на донную плиту 2, жестко связанную с твердым грунтом с помощью цементированных свай 3, которые обеспечивают гарантированную связь с твердыми породами. На опорах 4 основании 1 ниже уровня моря расположена верхняя палуба 5 с устьевым оборудованием 6 технологических скважин 7. С верхней палубой 5 имеет возможность соединения один из самоходных специализированных технологических модулей 8.

Для повышения надежности соединения с самоходным специализированным технологическим модулем 8 и обеспечения надежности беспрепятственного прохождения ледового покрова основание 1 снабжено выдвижной палубой 9 с выдвижными опорами 10, телескопически связанными с неподвижными опорами 4 основания 1.

В соответствии с расчетными нагрузками (фиг.1-4), действующими на основание 1 морской платформы, выбирается конструктивное выполнение верхней палубы с соответствующим количеством опор 4. Количество опор 4 и соответственно цементируемых свай 3 определяют расчетным путем исходя из условия противодействия наперед заданным внешним нагрузкам - опрокидывающему моменту и/или сопротивлению сдвига с учетом наперед заданного коэффициента запаса прочности. На фиг.7 представлен вид сверху на вариант морской платформы с примером расположения девяти опор 4 в плане (фиг.7а) и с примером расположения семи опор 4 (фиг.7б).

Каждая опора 4 выполнена в виде жестко связанных между собой модулей 11 (фиг.8), например в виде шестигранника, связанных между собой с помощью быстроразъемных соединений 12, внутри цилиндрических полостей которого расположены натяжные элементы 13. Причем в центральной опоре 4 расположены технологические скважины 7 (фиг 8а), а периферийные опоры 4, в предпочтительном варианте, содержат телескопически связанные с ними выдвижные опоры 10 (фиг.8б).

Для упрощения монтажа и демонтажа морской платформы (фиг.9) связь цементируемых свай 3 с донной плитой 2, донной плиты 2 с опорой 4 основания 1, натяжных элементов 13 с донной плитой 2 выполнена в виде соответствующих байонетных соединений 14.

Для повышения надежности на верхней палубе 5 располагают гидравлическую систему выравнивания нагрузок на натяжные элементы 13 (фиг.10, 11), которая включает в себя систему гидроцилиндров, каждый корпус 15 которых гидравлически связаны между собой с помощью замкнутого трубопровода 16 и жестко связан с верхней палубой 5, а плунжеры 17 взаимодействуют через клиновое соединение 18 с соответствующим натяжным элементом 13.

При малых глубинах необходим малый контакт с ледовым полем основания платформы 1, минимальная парусность при взаимодействии с ураганами и, при необходимости, возможность транспортировки основания платформы в безопасное место в неблагоприятный период с использованием понтонных устройств 19 (фиг.12), которые также используются при ее монтаже.

Для обеспечения необходимой устойчивости морской платформы при повышенных глубинах (фиг.13а, б, в) основание 1 выполняют с дополнительно устанавливаемыми понтонными устройствами 19, подъемную силу которых в соответствии с глубиной установки платформы определяют расчетным путем с учетом веса основания платформы 1 и водоизмещения (веса) самоходного специализированного технологического модуля 8. Кроме того, для повышения устойчивости платформы основание морской платформы 1 дополнительно снабжают тросовой системой, один конец каждого троса 20 которой крепят к верхней части основания 1, а другой - к периферийной цементируемой свае 21.

Сооружение каждой морской платформы (фиг.14) осуществляют с помощью понтонных транспортных средств 19 (фиг.14а) или с использованием подъемных средств 22 (фиг.14б), установленных на специальном плавучем средстве, в виде катамарана 23 или на самоподъемных плавучих установках (не показано) методом сверху-вниз на месте установки основания до достижения высоты основания 1 и донной плиты 2 наперед заданного уровня моря и дна соответственно, после чего производят установку цементируемых свай 3 и их жесткую связь с донной плитой 2 основания 1 платформы.

При значительных расстояниях от берега нет необходимости строительства трубопроводов большой длины, когда одним из самых дешевых видов транспорта является водный. В благоприятный период эксплуатацию технологического комплекса (фиг.15) при осуществлении гидравлической обвязки 24 устьевого оборудования 6 между основаниями 1 отдельных платформ, добычу нефти или газа, осуществляют только при наличии самоходного технологического модуля 8 подготовки нефти и/или газа на одном из оснований 1 для взаимодействия с нефтеналивными и газотранспортными судами.

Преимущественно эксплуатацию технологического комплекса осуществляют (фиг.16) посредством последовательной стыковки самоходных специализированных технологических модулей 8 - добычи, капремонта, модулей подготовки нефти и/или газа - с соответствующими основаниями 1 платформ, при этом после завершения буровых работ снимают самоходные буровые модули 8 с соответствующих оснований 1 и направляют на сервисную базу 25 или на другое месторождение.

Изобретение характеризуется следующим. Реализуется способ сооружения и эксплуатации морского технологического комплекса, заключающийся в анализе горизонтальных (P_л) и вертикальных (P_в) нагрузок, действующих на основания платформ (L_п) в зависимости от внешних условий среды и глубины их установки (Нм), согласно которым определяют периоды благоприятной эксплуатации - безветренного и межледового, периоды неблагоприятной эксплуатации - ледовый и/или ураганный, а также периоды повышения сейсмической активности и периоды появления цунами, после чего определяют схему обустройства и эксплуатации технологического комплекса, отличающийся тем, что определяют величину внешних нагрузок на основание платформы при выбранных габаритных размерах верхней части платформы в плане и толщины ледового поля, характеризующей усилие сдвига (фиг.1)

P_л=L₁h×σ,

где P_л - ледовая нагрузка, L₁ - поперечные габариты основания платформы, h - толщина ледового поля, σ - предел прочности ледового поля, определяют величину вертикальных нагрузок на основание платформы от изменения внешних условий, в частности от толщины ледового поля, характерюующей опрокидывающий момент (фиг.2)

P_в=P_лH_м/L₂,

где P_в - вертикальная нагрузка, P_л - ледовая нагрузка, H_м - глубина установки основания платформы, L₂ - расстояние между опорами платформы у основания платформы, определяют зависимости допустимых суммарных нагрузок при изменении количества опор и количества цементируемых свай, при различных глубинах и наперед заданном запасе прочности k (фиг.3)

P_св=kNσ_св,

где P_св - общая нагрузка на сваи, N - количество свай, σ_св - допустимая нагрузка на сваю, на основании последних строят номограммы (фиг.4), определяющие границы допустимых нагрузок на основания морских платформ при эксплуатации в круглогодичном или в сезонных периодах - P_в<P_св.

На основе номограмм, определяющих границы допустимых нагрузок на основание морской платформы, осуществляют выбор трапецеидальной или призматической конструкции основания платформы (фиг.5), а также необходимость использования искусственной гравитации или использования понтонных устройств, после чего определяют схему обустройства технологического комплекса и схему его эксплуатации в целом.

В предпочтительном варианте реализуется способ сооружения и эксплуатации морского технологического комплекса (фиг.6) для эффективного противодействия внешним нагрузкам, каждое основание платформы жестко связывают с донной плитой 2, донную плиту 2 крепят к твердому грунту с помощью цементируемых свай 3, на опоры 4 основания платформы 1 устанавливают верхнюю палубу 5, на которой располагают устьевое оборудование 6 технологических скважин 7, а сверху устанавливают самоходные технологические модули 8, причем верхнюю палубу 5 располагают ниже уровня моря для обеспечения возможности прохода ледового покрова, и/или айсбергов, и/или нижней границы волны при прохождении урагана или цунами, а технологические модули 8 выполняют самоходными и специализированными, их эксплуатацию производят в благоприятные периоды, а для неблагоприятных периодов назначают внешнюю предельную нагрузку, в соответствии с которой закрывают технологические скважины 7, затем специализированные технологические модули 8 отстыковывают от верхней палубы 5 основания 1 и отводят на сервисную базу, при этом, по крайней мере, одну верхнюю палубу 5 снабжают выдвижной палубой 9, телескопически связанной с опорами 4 основания 1 с помощью выдвижных опор 10, производят стыковку выдвижной палубы 9 с самоходным технологическим модулем 8 в благоприятный период, а в неблагоприятный период, после отстыковки выдвижной палубы 9 и самоходного технологического модуля 7, выдвижную палубу 9 опускают и располагают ниже уровня моря на расстоянии, обеспечивающем отсутствие взаимодействия элементов основания 1 морской платформы с ледовым полем, или айсбергами, или ураганами, или с цунами.

Количество опор 4 и соответственно цементируемых свай 3 (фиг.7) определяют расчетным путем исходя из условия противодействия наперед заданным внешним нагрузкам - опрокидывающему моменту и/или сопротивлению сдвига с учетом наперед заданного коэффициента запаса прочности.

Каждая опора 4 выполнена в виде жестко связанных между собой модулей 11 (фиг.8), например в виде шестигранника, связанных между собой с помощью быстроразъемных соединений 12. Причем в центральной опоре 4 расположены технологические скважины 7 (фиг 8а), а периферийные опоры 4, в предпочтительном варианте, содержат телескопически связанные с ними выдвижные опоры 10 (фиг.8б).

Для упрощения монтажа и демонтажа морской платформы (фиг.9) связь цементируемых свай 3 с донной плитой 2, донной плиты 2 с основанием 1, натяжных элементов 13 с донной плитой 2 осуществляют с помощью соответствующих байонетных соединений 14.

Для повышения надежности работы морской платформы основание 1 выполняют с искусственной гравитацией (фиг.10), при которой используют натяжные элементы 13, которые располагают внутри цилиндрических полостей шестигранных модулей опор 4 основания 1 между верхней палубой 5 и донной плитой 2 основания 1, при этом количество натяжных элементов 13 определяют расчетным путем исходя из усилия необходимого натяжения, которое совместно с весом основания 1 и с весом самоходного технологического модуля 8 обеспечивает противодействие наперед допустимым внешним нагрузкам.

Для повышения надежности на верхней палубе 4 располагают гидравлическую систему выравнивания нагрузок (фиг.10, 11) на натяжные элементы 13, которая включает в себя систему гидроцилиндров, корпуса 15 которых гидравлически связаны между собой замкнутым трубопроводом 16 и жестко связаны с верхней палубой 5, а плунжеры 17 которых взаимодействуют через клиновое соединение 18 с соответствующим натяжным элементом 13.

При малых глубинах необходим малый контакт с ледовым полем основания платформы 1, минимальная парусность при взаимодействии с ураганами и, при необходимости, возможность транспортировки основания платформы в безопасное место в неблагоприятный период с использованием понтонных устройств 19 (фиг.12), которые также используются при ее монтаже.

Для обеспечения необходимой устойчивости морской платформы при повышенных глубинах (фиг.13а, б, в) основание 1 выполняют с дополнительно устанавливаемыми понтонами 19, подъемную силу которых в соответствии с глубиной установки платформы определяют расчетным путем с учетом веса основания платформы 1 и водоизмещением самоходного технологического модуля 8.

Для повышения устойчивости платформы основание морской платформы 1 дополнительно снабжают тросовой системой, один конец каждого троса 20 которой с крепят к верхней части основания 1, а другой - к периферийной цементируемой свае 21.

Сооружение каждой морской платформы (фиг.14) осуществляют с помощью понтонных транспортных средств 19 (фиг.14а) или с использованием подъемных средств 22 (фиг.14б), установленных на специальном плавучем средстве, в виде катамарана 23 или на самоподъемных плавучих установках методом сверху-вниз на месте установки основания до достижения высоты основания 1 и донной плиты 2 наперед заданного уровня моря и дна соответственно, после чего производят установку цементируемых свай 3 и их жесткую связь с донной плитой 2 основания 1 платформы.

В благоприятный период эксплуатацию технологического комплекса (фиг.15) при осуществлении гидравлической обвязки 24 устьевого оборудования 6 добычи нефти или газа между основаниями 1 отдельных платформ осуществляют только при наличии самоходного технологического модуля 8 подготовки нефти и/или газа на одном из оснований 1 для взаимодействия с нефтеналивными и газотранспортными судами.

Преимущественно эксплуатацию технологического комплекса (фиг.16) осуществляют посредством последовательной стыковки самоходных специализированных технологических модулей 8 - добычи, капремонта, модулей подготовки нефти и/или газа - с соответствующими основаниями 1 платформ, при этом после завершения буровых работ снимают самоходные буровые модули 8 с соответствующих оснований 1 и направляют на сервисную базу 25 или на другое месторождение.

Реализация предложенного способа позволяет осуществить выбор надежного конструктивного решения морских платформ при обустройстве месторождений в различных природно-климатических условиях, повысить экономичность их сооружения и эксплуатации за счет:

- анализа горизонтальных и вертикальных нагрузок, действующих на основания морских платформ, в зависимости от внешних условий среды, которые позволяют определить границы безопасной круглогодичной и/или сезонной работы морской платформы, которое позволяет осуществить оптимальный выбор конструктивного решения, в частности, определение требуемого количества опор основания платформы;

- повышения надежности сооружения морских платформ путем использования цементируемых свай, жестко связанных с твердыми породами;

- уменьшения внешних нагрузок путем установки палубы ниже уровня моря;

- уменьшения массы, что требует сейсмика, морской платформы путем использования искусственной гравитации;

- повышения надежности работы сооружения путем обеспечения равномерной нагрузки на натяжные элементы системы искусственной гравитации;

- обеспечения простоты, надежности и уменьшения сроков сооружения путем применения унифицированных модулей опор основания при сооружении морских платформ методом сверху-вниз, простого и надежного соединения донной плиты, опор основания, натяжных элементов;

- при малых глубинах - малый контакт с ледовым полем основания платформы, минимальная парусность при взаимодействии с ураганами и, при необходимости, возможность транспортировки основания платформы в безопасное место в неблагоприятный период с использованием понтонных устройств, которые также используются при ее монтаже;

- использования понтонных средств при увеличенных глубинах;

- упрощение системы сервисного обслуживания путем использования самоходных специализированных технологических модулей - эффективного использования технологического оборудования.

Литература

1. Стюарт В.П. Платформы для разведки и эксплуатации нефтегазовых месторождений в Арктике, ж.Нефть за рубежом, №3, 1986.

2. Патент РФ №2198261 от 28.06.2001, кл. E02B 17/00.

3. Мищевич В.И. Создание универсальных технических средств и технологий добычи нефти и газа на континентальном шельфе морей с различными природно-климатическими условиями. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2008, №2 - с.35-39, №4 - с.3-6. - прототип.

Claims (9)

1. Способ сооружения морского технологического комплекса, заключающийся в анализе горизонтальных (Рл) и вертикальных (Рв) нагрузок, действующих на основания платформ (Ln), в зависимости от внешних условий среды и глубины их установки (Нм), согласно которым определяют периоды благоприятной эксплуатации - безветренный и межледовый, периоды неблагоприятной эксплуатации - ледовый и/или ураганный, а также периоды повышения сейсмической активности и периоды появления цунами, после чего определяют схему обустройства и эксплуатации технологического комплекса, отличающийся тем, что определяют величину внешних нагрузок на основание платформы при выбранных габаритных размерах верхней части платформы в плане и толщины ледового поля, характеризующей усилие сдвига
Рл=L1h×σ,
где Рл - ледовая нагрузка, L1 - расстояние между опорами в верхней части основания платформы, h - толщина ледового поля, σ - предел прочности ледового поля, определяют величину вертикальных нагрузок на основание платформы от изменения внешних условий, в частности от толщины ледового поля, характеризующей опрокидывающий момент
Рв=РлНм/L2,
где Рв - вертикальная нагрузка, Рл - ледовая нагрузка, Нм - глубина установки основания платформы, L2 - расстояние между опорами платформы у донной плиты, определяют зависимости допустимых суммарных нагрузок при изменении количества опор и цементируемых свай, при различных глубинах и наперед заданном запасе прочности к
Pсв=kNσсв,
где Рсв - общая допустимая вертикальная нагрузка на сваи, N - количество цементируемых свай, σсв - допустимая нагрузка на одну сваю, на основе последних строят номограммы, определяющие границы допустимых нагрузок на основания морских платформ при эксплуатации в круглогодичном или в сезонных периодах - Рв<Рсв, причем на основе номограмм, определяющих границы допустимых нагрузок на основание морской платформы, осуществляют выбор трапецеидальной или призматической конструкции основания платформы, а также необходимость использования искусственной гравитации или использования понтонных устройств, после чего определяют схему обустройства технологического комплекса и схему его эксплуатации, при этом для эффективного противодействия внешним нагрузкам каждое основание платформы жестко связывают с донной плитой, донную плиту крепят к твердому грунту с помощью цементируемых свай, на опоры основания платформы устанавливают верхнюю палубу, на которой располагают устьевое оборудование технологических скважин, а сверху устанавливают технологические модули, причем верхнюю палубу располагают ниже уровня моря для обеспечения возможности прохода ледового покрова и/или айсбергов и/или нижней границы волны при прохождении урагана или цунами, а технологические модули выполняют самоходными и специализированными, их эксплуатацию производят в благоприятные периоды, а для неблагоприятных периодов назначают внешнюю предельную нагрузку, в соответствии с которой закрывают технологические скважины, затем специализированные технологические модули отстыковывают от верхней палубы основания и отводят на сервисную базу, при этом по крайней мере одну верхнюю палубу снабжают выдвижной палубой, телескопически связанной с опорами основания с помощью выдвижных опор, производят стыковку выдвижной палубы с самоходным технологическим модулем в благоприятный период, а в неблагоприятный период после отстыковки выдвижной палубы и самоходного технологического модуля выдвижную палубу опускают и располагают ниже уровня моря на расстоянии, обеспечивающем отсутствие взаимодействия элементов основания морской платформы с ледовым полем, или айсбергами, или ураганами, или с цунами.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество опор и соответственно цементируемых свай определяют расчетным путем исходя из условия противодействия наперед заданным внешним нагрузкам - опрокидывающему моменту и/или сопротивлению сдвигу с учетом наперед заданного коэффициента запаса прочности.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что каждую опору выполняют в виде жестко связанных между собой модулей, например, в виде шестигранников, которые связывают между собой с помощью быстроразъемных соединений, внутри цилиндрических полостей располагают натяжные элементы, при этом в центральной опоре располагают технологические скважины, а периферийные опоры, в предпочтительном варианте, включают телескопически связанные с ними выдвижные опоры.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для повышения надежности работы морской платформы основание выполняют с искусственной гравитацией, при которой используют натяжные элементы, которые располагают между верхней палубой и донной плитой основания, при этом количество натяжных элементов определяют расчетным путем исходя из усилия необходимого натяжения, которое совместно с весом основания и с весом самоходного технологического модуля обеспечивает противодействие наперед заданным допустимым внешним нагрузкам.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что для упрощения монтажа и демонтажа морской платформы связь цементируемых свай с донной плитой, донной плиты с основанием, натяжных элементов с донной плитой осуществляют с помощью соответствующих байонетных соединений.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что для повышения надежности на верхней палубе располагают гидравлическую систему выравнивания нагрузок на натяжные элементы, которая включает в себя систему гидроцилиндров, корпуса которых гидравлически связывают между собой замкнутым трубопроводом и жестко связывают с верхней палубой, а плунжеры которых взаимодействуют через клиновое соединение с соответствующим натяжным элементом.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что для обеспечения необходимой устойчивости морской платформы при повышенных глубинах основание выполняют с дополнительно устанавливаемыми понтонами, подъемную силу которых в соответствии с глубиной установки платформы определяют расчетным путем с учетом веса основания платформы и водоизмещения самоходного технологического модуля.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что для повышения устойчивости платформы основание морской платформы дополнительно снабжают тросовой системой, один конец каждого троса которой крепят к верхней части основания, а другой - к периферийной цементируемой свае.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что сооружение каждой морской платформы осуществляют с помощью понтонных транспортных средств или с использованием подъемных средств, установленных на специальном плавучем средстве в виде катамарана, или на самоподъемных плавучих установках методом сверху-вниз на месте установки основания до достижения высоты основания и донной плиты наперед заданного уровня моря и дна соответственно, после чего производят установку цементируемых свай и их жесткую связь с донной плитой основания платформы.

Images