Система автоматической стабилизации плавучих платформ

 

Использование: в качестве средства для удержания плавучей платформы над точкой бурения на поверхности моря. Сущность изобретения. Система автоматической стабилизации положения плавучей, например, буровой платформы включает погруженный дисковый корпус 1 поплавка, канаты 2, связанные с якорями 5. Обтекатель 9 поплавка имеет центральное кольцевое отверстие, имеющее шипы 14, заведенные в продольные пазы нижней трубы 16 съемного телескопического кондуктора-стабилизатора, проходящего через центральное отверстие поплавка, на нижнем конце которого размещен демпфер 19, сопряженный с верхней трубой 20, закрепленной на плавучей платформе 21. Имеется также закрепленная на платформе 21 система тросов 31, наматываемых на барабаны 25,26, которая путем изменения длины тросов 31 обеспечивает неизменную ориентацию и координаты положения платформы 21. 4 ил.

Изобретение относится к технике для бурения и добычи нефти и газа на море и может быть использовано в качестве средства для удержания над устьем скважины плавучих платформ, несущих технологическое оборудование для бурения и добычи нефти и газа на море, а также другое оборудование, для работы которого требуется сохранять заданные координаты и угловое положение на поверхности моря.

Известна система стабилизации полупогружной платформы с фиксацией над устьем скважины при глубине моря до 200 300 метров с помощью якорного крепления /описанная в кн. С. Г. Скрывник "Техника бурения нефтяных и газовых скважин на море", М, "Недра" 1989 г. с. 39, 50/.

Недостатком данной системы стабилизации является необходимость применения дорогостоящей системы контроля и управления положением данной полупогружной платформы, которая при смещении платформ относительно устья скважины включает соответствующие лебедки, подтягивающие или вытравливающие соответствующие якорные канаты, возвращая полупогружную платформу в заданную точку над устьем скважины /1/.

Кроме того, данная система стабилизации не может использоваться в районах больших глубин моря.

Из патента США N 4674918, МПК В 63 В 35/44, 1987 г. /2/ известна плавучая платформа, содержащая секционированный герметичный корпус подводного поплавка, имеющего сквозное отверстие и оснащенного якорной системой, включающей якорные канаты, одними концами связанные с якорями, установленными на дне моря. Описанное устройство по патенту /2/ принято за прототип.

Недостатком заякоренной плавучей системы /2/ является отсутствие дополнительных средств для стабилизации платформы. Это приводит к увеличению нагрузок, действующих на плавучую систему в целом из-за отсутствия возможности демпфирования случайных нагрузок.

Задачей изобретения является стабилизация положения морских плавучих платформ, несущих технологическое оборудование, например, для бурения нефтяных и газовых скважин или добычи нефти и газа, а также демпфирование и, следовательно, уменьшение динамических нагрузок от морских волн, ветра, приливов, на якорную систему плавучих платформ, увеличение предельных глубин моря, доступных для установки плавучих платформ и стабилизации их положения в заданной точке на поверхности моря при помощи якорной канатной системы и гидродинамической системы стабилизации, кроме того, уменьшение стоимости разработки глубоководных морских месторождений полезных ископаемых.

Поставленная задача достигается тем, что система автоматической стабилизации плавучих платформ, состоящая, как и известная /1/ из секционированного герметичного корпуса, подводного поплавка, имеющего сквозное отверстие и оснащенного якорной системой, включающей якорные канаты, одними концами связанные с якорями, установленными на дне моря, снабжена дополнительно несколькими привязными системами и якорями с откидными отражателями для судовых гидролокаторов, установленными на дне моря, к которым присоединены другие концы привязных канатов, а тросы каждой уздечки присоединены к дисковому корпусу в одной центральной точке и в трех точках по его периметру, над дисковым корпусом расположен обтекатель поплавка, в центре которого расположено центральное кольцевое ребро жесткости с примыкающими к нему радиально ориентированными нервюрами, образующее центральное отверстие поплавка, дисковый корпус и обтекатель выполнены из жесткого материала, а их газонепроницаемая оболочка заполнена воздухом, при этом центральное отверстие поплавка выполнено сквозным в виде двух расходящихся конусов, линия пересечения которых расположена в плоскости хорд гидродинамического профиля дискового корпуса и на этой линии размещены закрепленные на центральном кольцевом ребре жесткости четыре цилиндрических радиально ориентированных шипа поплавка, через центральное отверстие поплавка проходит съемный телескопический кондуктор-стабилизатор, закрепленный на плавучей платформе, нижняя труба которого сопряжена с верхней трубой с возможностью передачи крутящего момента, при этом нижняя труба оснащена четырьмя продольными пазами, в которые заведены шипы поплавка, и на ее нижнем конце расположен демпфер кольцевой формы, а на ее верхнем конце в четырех точках по периметру трубы присоединены одни концы канатов, намотанных и закрепленных своими другими концами на барабанах воротов, установленных на плавучей платформе, на осях которых закреплено по два дополнительных барабана, причем на одном из них, имеющем больший диаметр, чем диаметр барабана ворота, намотан закрепленный на нем одним концом канат, при этом направление его намотки противоположно направлению намотки каната на барабане ворота, а на другом конце каната закреплен противовес, на втором дополнительном барабане, имеющем меньший диаметр, чем диаметр барабана ворота, намотан закрепленный на нем одним концом якорный канат, причем направление его намотки одинаковое с направлением намотки каната на барабан ворота, а другой конец якорного каната присоединен к якорю, находящемуся на дне моря, при этом центр тяжести поплавка расположен ниже центра приложения гидростатической подъемной силы, а угол наклона к горизонтальной плоскости равнодействующей всех сил, приложенных к поплавку, приблизительно равен или больше угла наклона каждого привязного каната к горизонтальной плоскости.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показал наличие следующих отличительных признаков: система автоматической стабилизации плавучих платформ снабжена дополнительно несколькими привязными системами и якорями с откидными отражателями для судовых гидролокаторов, установленных на дне моря, к которым присоединены другие концы привязных канатов, тросы каждой уздечки присоединены к дисковому корпусу в трех точках по его периметру и в одной центральной точке; обтекатель поплавка расположен над дисковым корпусом, а центр тяжести поплавка расположен ниже центра приложения гидростатической подъемной силы; в центре поплавка расположено центральное кольцевое ребро жесткости с примыкающими к нему радиально ориентированными нервюрами, образующее центральное отверстие поплавка; центральное отверстие поплавка выполнено сквозным в виде двух расходящихся конусов, линия пересечения которых расположена в плоскости хорд гидродинамического профиля дискового корпуса и на этой линии размещены закрепленные на центральном кольцевом ребре жесткости четыре цилиндрических радиально ориентированных шипа поплавка; через центральное отверстие поплавка проходит съемный телескопический кондуктор-стабилизатор, закрепленный на плавучей платформе, нижняя труба которого сопряжена с верхней трубой с возможностью передачи крутящего момента, при этом нижняя труба оснащена четырьмя продольными пазами, в которые заведены шипы поплавка, и на ее нижнем конце расположен демпфер кольцевой формы; на верхнем конце нижней трубы в четырех точках по ее периметру присоединены одни концы канатов, намотанных и закрепленных своими другими концами на барабанах воротов, установленных на плавучей платформе, на осях которых закреплено по два дополнительных барабана, причем на одном из них, имеющем больший диаметр, чем диаметр барабана ворота, намотан закрепленный на нем одним концом канат, при этом направление его намотки противоположно направлению намотки каната на барабане ворота, а на другом конце каната закреплен противовес, на втором дополнительном барабане, имеющем меньший диаметр, чем диаметр барабана ворота, намотан закрепленный на нем одним концом якорный канат, причем направление его намотки одинаковое с направлением намотки каната на барабане ворота, а другой конец якорного каната присоединен к якорю, находящемуся на дне моря; угол наклона к горизонтальной плоскости равнодействующей всех сил, приложенных к поплавку, приблизительно равен или больше угла наклона каждого привязного каната к горизонтальной плоскости.

Новыми отличительными признаками, характеризующими уровень изобретения являются следующие признаки: крепление привязных канатов к якорям, находящимся на дне моря и снабженным откидными отражателями для судовых гидролокаторов, что позволяет точно определить глубину моря в точках расположения якорей и их координаты, а также позволяет при неровной поверхности морского дна обеспечить одинаковый заданный угол наклона привязных канатов к горизонтальной плоскости; обтекатель поплавка расположен над дисковым корпусом, а центр тяжести поплавка расположен ниже центра приложения гидростатической подъемной силы, что позволяет поплавку, находящемуся в зоне морских течений, приобретая гидродинамическую подъемную силу при нулевом угле атаки, удерживать плавучую платформу над устьем скважины и при этом не выходить на отрицательные углы атаки;
центральное отверстие поплавка выполнено сквозным в виде двух расходящихся конусов, линия пересечения которых расположена на плоскости хорд гидродинамического профиля дискового корпуса, и на этой линии размещены закрепленные на центральном кольцевом ребре жесткости четыре радиально ориентированных шипа поплавка, а через центральное отверстие поплавка проходит съемный телескопический кондуктор-стабилизатор, закрепленный на плавучей платформе, нижняя труба которого сопряжена с верхней трубой с возможностью передачи крутящего момента, при этом нижняя труба оснащена четырьмя продольными пазами, в которые заведены шипы поплавка, и на ее нижнем конце расположен демпфер кольцевой формы, что позволяет обеспечить сопряжение между поплавком и кондуктором-стабилизатором по типу сферического подшипника скольжения, а также угловые перемещения плавучей платформы с кондуктором-стабилизатором относительно поплавка в вертикальной плоскости, что позволяет исключить влияние крена плавучей платформы на поплавок при волнений на море, а также позволяет при максимальной штормовой нагрузке на плавучую платформу приобретать поплавку угол атаки в несколько градусов, при котором значительно возрастает его гидродинамическое качество, а возникающий при этом прирост гидродинамической подъемной силы предотвращает дальнейшее горизонтальное смещение плавучей платформы относительно устья скважины, кроме того, шипы поплавка, заведенные в продольные пазы нижней трубы, фиксируют плавучую платформу в заданном угловом положении относительно поплавка и сторон света, а также воспринимают крутящий момент при буровых работах от бурового инструмента, передавая его затем на привязную систему поплавка, при этом обеспечивается возможность вертикальных перемещений плавучей платформы и нижней трубы с демпфером относительно поплавка, в результате происходит регулирование положения центра давления плавучей платформы с кондуктором-стабилизатором относительно шипов поплавка по вертикали при приливах и волнении на море;
на верхнем конце нижней трубы в четырех точках по ее периметру присоединены одни концы канатов, намотанных и закрепленных своими другими концами на барабанах воротов, установленных на плавучей платформе, на осях которых закреплено по два дополнительных барабана, причем на одном из них, имеющем больший диаметр, чем диаметр барабана ворота, намотан закрепленный на нем одним концом канат, при этом направление его намотки противоположно направлению намотки каната на барабане ворота, а на другом конце каната закреплен противовес, на втором дополнительном барабане, имеющем меньший диаметр, чем диаметр барабана ворота, намотан закрепленный на нем одним концом якорный канат, причем направление его намотки одинаковое с направлением намотки каната на барабане ворота, а другой конец якорного каната присоединен к якорю, находящемуся на дне моря, что позволяет с помощью гидростатической подъемной силы, действующей на плавучую платформу, автоматически при изменении глубины моря под платформой из-за приливов и волнения на море регулировать положение центра давления плавучей платформы и ее кондуктора-стабилизатора, сохраняя вертикальную координату центра давления практически неизменной, и ограничить крен плавучей платформы и ее горизонтальное перемещение относительно шипов поплавка;
угол наклона к горизонтальной плоскости равнодействующей всех сил, приложенных к поплавку, приблизительно равен или больше угла наклона каждого привязного каната к горизонтальной плоскости, что позволяет при эксплуатационных нагрузках на плавучую платформу практически полностью исключить ее горизонтальные перемещения от заданного положения над устьем скважины под действием морского течения. Указанные новые отличительные признаки и достигаемый технический результат позволяет считать предложенную систему автоматической стабилизации плавучих платформ соответствующей изобретательскому уровню.

На фиг.1 представлен общий вид системы автоматической стабилизации плавучих платформ; на фиг. 2 горизонтальный разрез А-А плавучей платформы; на фиг.3 осевой разрез поплавка; на фиг.4 вид сверху на поплавок.

Система автоматической стабилизации плавучих платформ включает дисковый корпус 1 поплавка, канаты 2 привязи которого одним концом связаны с тросами 3 и тросом 4 уздечки, а другим концом связаны с якорями 5, оснащенными откидными отражателями 6 судовых гидролокаторов, оболочка 7 имеет несколько концентрично расположенных отсеков 8, над дисковым корпусом расположен обтекатель 9 поплавка, имеющего центральное кольцевое ребро жесткости 10 с примыкающими к нему нервюрами 11, имеющими отверстия 12, соединяющие секторы отсеков, разделяемых кольцевыми стенками 13, и которое оснащено шипами 14, заведенными в продольные пазы 15 нижней трубы 16 съемного телескопического кондуктора-стабилизатора, проходящей через центральное отверстие 17 поплавка, оснащенной направляющими сегментами 18 и несущей на нижнем конце демпфер 19 и сопряженной с верхней трубой 20, закрепленной на плавучей платформе 21, проушины 22 нижней трубы соединены с концами канатов 23, огибающих блоки 24, другие концы которых закреплены на барабанах 25 воротов, на осях которых установлены барабаны 26, несущие канаты 27, на конце которых подвешены противовесы 28, перемещающиеся в трубах 29, и барабаны 30, соединенные с канатами 31, другие концы которых закреплены на якорях 32 и направляются блоками 33 люнетов.

Система автоматической стабилизации плавучих платформ работает следующим образом.

При отсутствии течения в море якоря 5 и канаты 2 удерживают дисковый корпус 1 поплавка и плавучую платформу 21 будучи натянуты гидростатической подъемной силой поплавка. При наличии морского течения несимметричный гидродинамический профиль дискового корпуса 1 поплавка позволяет ему приобрести гидродинамическую подъемную силу при нулевом угле атаки, кроме этих сил на поплавок действуют также силы собственного гидродинамического сопротивления и гидродинамического сопротивления подводной части плавучей платформы 21, а также аэродинамического сопротивления надводной части плавучей платформы при наличии ветра и другие силы, результирующая всех сил при эксплуатационных нагрузках направлена вдоль каната 2, расположенного со стороны воздействующего течения, или же равнодействующая всех сил имеет угол наклона больше угла наклона каждого привязного каната 2 к горизонтальной плоскости, при этом плавучая платформа 21 не имеет горизонтальных перемещений относительно устья скважины.

При максимальной штормовой нагрузке дисковый корпус 1 поплавка при соблюдении определенных условий его соединения с канатами 2 приобретает угол атаки больше нуля, незначительно смещаясь по горизонтали, при этом возрастает гидродинамическое качество поплавка, прирост гидродинамической подъемной силы предотвращает дальнейшее горизонтальное смещение плавучей платформы 21.

При приливах и попадании на гребень волны плавучая платформа 21 поднимается выше над поплавком, при этом натягивается и разматывается с барабана 30 канат 31, удерживаемый якорем 32, а на барабан 26 наматывается канат 27, поднимая противовес 28, одновременно с барабана 25 ворота разматывается канат 23, вследствие чего опускается глубже нижняя труба 16 телескопического кондуктора-стабилизатора, несущая на нижнем конце демпфер 19, таким образом, поддерживая практически неизменном положение центра давления плавучей платформы 21 с кондуктором-стабилизатором, что позволяет предотвратить крен плавучей платформы. При отливе, а также при попадании плавучей платформы 21 в ложбину волны натяжение каната 31 уменьшается, противовес 28 опускается внутри трубы 29, при этом разматывается канат 27 с барабана 26, в результате наматывается канат 31 на барабан 30 и наматывается канат 23 на барабан 25, поднимая нижнюю трубу 16 с демпфером 19, таким образом поддерживая практически неизменным положение центра давления плавучей платформы 21 с кондуктором-стабилизатором и предотвращая крен плавучей платформы, которая при установке разворачивается своей продольной осью вдоль имеющегося течения на море. Под воздействии на плавучую платформу 21 крутящих моментов в горизонтальной плоскости они передаются с верхней трубы 20 кондуктора-стабилизатора через направляющие сегменты 18 на нижнюю трубу 16, а с ее пазов 15 передаются на шипы 14 дискового корпуса 1 поплавка и воспринимаются привязными канатами 2, закрепленными на якорях 5, откидные отражатели 6 которых при установке поплавка и якорей 5 позволяют с помощью судовых гидролокаторов и эхолота точно определить глубину моря в точке расположения якоря, а с помощью судовой навигационной системы определяются точные координаты якорей 6, что позволяет обеспечить точную установку поплавка в заданной точке и одинаковый заданный угол наклона канатов 2 к горизонтальной плоскости.

В случае приобретения поплавком в морском течении некоторого угла атаки шипы 14, заведенные в пазы 15 нижней трубы 16, работают, как в сферическом шарнире, при этом наличие в поплавке сквозного центрального отверстия 17 в виде двух расходящихся конусов, образованного центральным кольцевым ребром жесткости 10, позволяет кондуктору-стабилизатору плавучей платформы 21 и поплавку совершать угловые перемещения в вертикальной плоскости относительно друг друга в пределах углов, допускаемых сферическим шарниром.

Формула изобретения

Система автоматической стабилизации плавучих платформ, содержащая секционированный герметичный корпус подводного поплавка, имеющего сквозное отверстие и оснащенного якорной системой, включающих якорные канаты, одними концами связанные с якорями, установленными на дне моря, отличающаяся тем, что корпус подводного поплавка выполнен в виде диска, якоря снабжены откидными отражателями для судовых гидролокаторов, другие концы якорных канатов соединены с уздечками, канаты которых присоединены к дисковому корпусу в одной центральной точке и в трех точках по его периметру, осевое сечение дискового корпуса выполнено в виде несимметричного гидродинамического профиля, над дисковым корпусом расположен обтекатель поплавка, отверстие которого выполнено в его центре в виде двух расходящихся конусов, линия пересечения которых расположена в плоскости хорд гидродинамического профиля дискового корпуса и на этой линии размещены закрепленные на центральном кольцевом ребре жесткости четыре цилиндрических радиально ориентированных шипа поплавка, через центральное отверстие поплавка пропущен съемный телескопический кондуктор-стабилизатор, закрепленный на плавучей платформе, верхняя труба которого снабжена с нижней трубой с возможностью передачи крутящего момента, при этим нижняя труба оснащена четырьмя продольными пазами, в которые заведены шипы поплавка, на ее нижнем конце расположен демпфер кольцевой формы, а на ее верхнем конце по периметру трубы присоединены одни концы канатов, намотанных и закрепленных своими другими концами на барабанах воротов, установленных на плавучей платформе, на одной оси с которыми закреплено по два дополнительных барабана, причем на одном из них, имеющем больший диаметр, чем диаметр барабана ворота, намотан закрепленный на нем одним концом канат, при этом направление его намотки противоположно направлению намотки каната на барабане ворота, а на другом конце каната закреплен противовес, на втором дополнительном барабане, имеющем меньший диаметр барабана ворота, намотан закрепленный на нем одним концом якорный канат, причем направление его намотки одинаковое с направлением намотки на барабан ворота, а другой конец якорного каната присоединен к якорю, находящемуся на дне моря, при этом центр тяжести подводного поплавка расположен ниже центра приложения гидростатической подъeмной силы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4