Ледостойкая морская платформа для сейсмических районов

 

Изобретение относится к строительству морских шельфовых сооружений, предназначенных для бурения и/или добычи нефти или газа в сейсмических районах с ледовым периодом. Ледостойкая платформа имеет плавучий корпус с балластными цистернами, снабженный внизу вертикально ориентированной фермой, и систему заякорения с наклонными якорными связями, расположенными в звездном порядке клюзами и донными свайными якорями. Кроме того, она снабжена дополнительной системой подвески с наклонными связями, на которые через клюзы в нижней части фермы опирается плавучий корпус, при этом наклонные связи подвески растянуты по вертикали в сторону, противоположную направлению натяжения системы заякорения с наклонными якорными связями и опираются на центральные сваи пучков свай, имеющие возвышение над дном моря большее, чем расстояние от дна моря клюзов подвески с наклонными связями на нижнем торце фермы. Плавучесть корпуса платформы принимается меньше суммы его веса и вертикальной проекции направленного вниз усилия от системы заякорения с наклонными якорными связями. Предлагаемая конструкция позволяет обеспечить одновременно противодействие ледовой нагрузке, предотвращение недопустимого воздействия на грунт, погашение ускорений от сейсмических подвижек морского дна и умерение перемещений от воздействия волнения моря. 1 ил.

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

Известны многочисленные морские сооружения (см., например, 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: гравитационные - прижимаемые к грунту за счет балласта, свайные - на свайном фундаменте, и свайно-гравитационные. Сплошные конструкции (стальные или железобетонные), выполненные из перекрытий, образующих непроницаемый контур, надежно 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. Кроме того, для гравитационных платформ в сейсмических районах необходимо большое количество балласта для обеспечения устойчивости, что вместе с увеличением давления от ледовых нагрузок может привести к недопустимому разрушающему давлению на грунт. Очевидно также, что опирающиеся на дно моря платформы ненадежны в условиях высокой сейсмичности.

Значительно менее чувствительны к сейсмическому воздействию платформы на плавучем основании на натяжных связях (по зарубежной терминологии TLP), заякоренных гравитационными или свайными якорями (см., например, Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Tension Leg Platforms, API RP 2T, American Petroleum Institute, 1997, с. 3, 12-28, 55). Эти платформы 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 ощущает сейсмический сдвиг грунта только через донные, как правило, выполненные в виде свай или пучков свай, якоря, подвижку которых легко предотвратить.

Наиболее близка к предлагаемому решению разновидность указанного типа платформ - платформа типа Spar (см. 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. 17-22, 25, 31, 34), "ферменный" вариант которой принят за прототип. Плавучая заякоренная платформа - прототип (см. фиг. 2), имеет для поддержания верхнего строения 1 плавучий корпус 2 в виде вертикально протяженной колонны с балластными цистернами и с подстыкованной к корпусу снизу вертикально протяженной фермой 3 на нижнем торце которой размещен отсек 4 с балластными цистернами и твердым балластом (при необходимости). Ферма 3 с балластом обеспечивает остойчивость платформы как плавучего сооружения в эксплуатационном рабочем положении платформы. Система заякорения этой платформы с наклонными якорными связями 5, расположенными в звездном порядке, клюзами 6 и донными свайными якорями 7 удерживает платформу над скважинами так, чтобы перемещения плавучего корпуса 2 от воздействия внешних возмущений не превысили допустимые по использованию буровых и добычных райзеров 8. Такие платформы, установленные на относительно больших глубинах (200 м и более), наряду с сейсмическим возмущением легко выдерживают и воздействие волнения моря, имея небольшие амплитуды качки за счет существенного различия периода собственных колебаний (как обратного маятника на натянутых связях) и периодов волн.

Однако указанный тип сооружений плохо противостоит глобальной ледовой нагрузке, т.к. дрейфующий лед своим давлением смещает плавучий корпус сооружения в горизонтальном направлении на недопустимую величину, накреняет и притапливает его за счет возникновения сильного натяжения связей, расположенных со стороны приложения ледовой нагрузки, и небольшой площади ватерлинии. Для предотвращения чрезмерного притопления при проектировании увеличивают площадь ватерлинии, что, в свою очередь, приводит к увеличению ледовой нагрузки, т.е. к "порочному кругу" при проектировании.

Задачей настоящего изобретения является решение проблемы обеспечения ледостойкости сооружения, т. е. сохранения перемещений корпуса платформы в допустимых (для райзеров) пределах при воздействии льда с сохранением, одновременно, достаточной стойкости к сейсмическому и волновому воздействию.

Для достижения желаемых результатов опорное основание платформы, выполненное, как и в прототипе, из вертикально состыкованных: плавучего корпуса (например, вертикальной водонепроницаемой колонны) и вертикально ориентированной фермы, упирается нижним торцом фермы в дополнительную систему заякорения - систему подвески, при этом нижний торец фермы не достигает дна моря на расстояние, определяемое технологией монтажа, но не меньшее, чем максимальное в данном районе изменение уровня моря (вызванное, например, приливом-отливом и/или штормовым нагоном). Таким образом, платформа имеет две системы заякорения. Верхняя система заякорения (есть у прототипа) имеет клюзы, размещенные на плавучем корпусе или верхней части фермы, и наклонные (для противодействия ледовой нагрузке) натяжные связи, закрепленные донными якорями, и дополнительно установлена нижняя система, которая представляет собой систему подвески с клюзами на нижнем опорном торце фермы и наклонными (ориентированными по вертикали противоположно связям верхней системы так, что суммарное усилие направлено вверх) короткими связями, расположенными в горизонтальной проекции звездным образом и закрепленными на свайных якорях. Свайные якоря представляют собой кластеры (пучки) свай, скрепленные между собой, центральная из которых возвышается над дном на высоту, большую расстоянию клюзов на ферме от дна моря. Суммарная плавучесть колонны и фермы установлена меньше веса сооружения (вместе с верхним строением) в сумме с вертикальной проекцией сил натяжения связей верхней системы заякорения так, чтобы часть веса сооружения воспринималась нижней системой подвески. Получающаяся таким образом отрицательная плавучесть платформы (величина которой должна быть больше амплитуды подъемной вертикальной силы от максимальной волны), обеспечивается за счет соответствующего ограничения плавучего объема корпуса и дополнительно регулируется приемом воды в балластные цистерны.

Благодаря наличию такой конструкции достигается, во-первых, достаточная ледостойкость платформы - за счет того, что опирание плавучего корпуса через ферму на дополнительную нижнюю подвеску препятствует притоплению и наклонению опорного основания и, тем самым, создаются условия для лучшей работы верхней системы заякорения, противодействующей горизонтальному перемещению верхней части опорного основания и опрокидывающему моменту. Во-вторых, сохраняется характерная для плавучих сооружений малая чувствительность к сейсмическим сотрясениям за счет свободного опирания нижнего окончания фермы. В-третьих, увеличивается стойкость к волновым нагрузкам как за счет сохранения малой площади ватерлинии корпуса, так и путем возможного регулирования периода собственных колебаний сооружения за счет выбора оптимального натяжения верхних связей с передачей части нагрузки на нижние связи.

Предлагаемое сооружение иллюстрируется чертежом.

На чертеже изображен общий вид платформы в эксплуатационном рабочем положении. Платформа состоит из верхнего строения 1 (модули различного назначения, буровая вышка и пр.), опорного основания, включающего плавучий корпус 2 с балластными цистернами 3 и опорную ферму 4, и двух систем заякорения. Верхняя (традиционная) система включает клюзы 5 на плавучем корпусе 2, якорные связи 6 и донные якоря 7 (предпочтительно свайного типа). Нижняя система заякорения - система подвески включает клюзы 8 на нижнем окончании фермы 4, пучки свай 9 и натяжные связи 10. Как верхние, так и нижние связи могут быть составлены из пучков стальных или синтетических канатов, или цепей, или связок труб, или быть комбинированными или специально изготовленными. Натяжение как верхних 6, так и нижних 10 связей, и осадка сооружения могут регулироваться за счет балластных цистерн 3 плавучего корпуса 2 при установке платформы и в процессе эксплуатации в зависимости от нагрузки, внешних условий, сезона, уровня моря для оптимизации противодействия внешним нагрузкам.

Стойкость платформы по отношению к внешним нагрузкам и ее устойчивость обеспечиваются следующим путем. В момент землетрясения происходят сотрясения грунта, проявляющиеся в виде вертикальных и горизонтальных ускорений и подвижек. При этом происходят преимущественно горизонтальные перемещения свайных якорей 7 и 9, приводящие благодаря свободной подвеске фермы 4 и демпфирующему влиянию связей 6 и 10 лишь к небольшому безопасному (для верхнего строения 1 и оборудования связей со скважинами) сотрясению корпуса 2. Все вертикальные усилия, как от землетрясения, так и от волнения моря или периодических колебаний его уровня, также амортизируются вертикальной податливостью связей 6 и 10 и свободой подвески 10. В случае жестокого шторма возникающие волновые силы и моменты не приводят к большим амплитудам колебаний плавучего корпуса 2 благодаря подбору таких натяжений связей 6 и 10, которые обеспечивают периоды собственных колебаний сооружения, далекие от резонансных периодов волнения моря. И, наконец, в случае воздействия дрейфующего ледяного поля наличие двух систем заякорения позволяет компенсировать как усилие, так и, в особенности, опрокидывающий момент от льда, не допуская притопления сооружения и больших нагрузок на дно моря. Характерным свойством работы предлагаемой конструкции (отсутствующим в прототипе) является то, что при воздействии льда (примерно на уровне ватерлинии) работа верхней системы заякорения на противодействие сдвигу и опрокидыванию обеспечивается поддержанием со стороны нижней системы подвески, препятствующей притоплению опорного основания.

Реакции сооружения на нагрузки могут регулироваться за счет достижения оптимального (для сезона) соотношения между плавучестью корпуса 2 и натяжением верхних 6 и нижних 10 связей. Так, например, для лучшего противодействия ледовой нагрузке натяжение связей должно быть усилено для повышения жесткости системы, а в летний безледный период натяжение должно быть, напротив, ослаблено, что позволит увеличить период собственной качки сооружения и, следовательно, избежать резонансных колебаний в полосе основных периодов волнения моря. Регулирование плавучести корпуса производится путем приема или удаления водяного балласта из балластных цистерн 3.

Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет достичь нового результата, обеспечив (недостижимое ранее) выполнение одновременно четырех качеств, необходимых для обеспечения устойчивости морской ледостойкой платформы в сейсмическом районе: 1) противодействие ледовой нагрузке - за счет закрепления сооружения как в верхней, так и в нижней части (двумя системами: заякорения и подвески), 2) предотвращения недопустимого воздействия на грунт - за счет частичной компенсации веса сооружения и вертикальных нагрузок плавучестью корпуса опорного основания, 3) погашение ускорений от сейсмических подвижек морского дна - за счет подвижного упругого узла закрепления опорной фермы, 4) умерение перемещений от воздействия волнения моря - за счет регулируемой плавучести корпуса и натяжения якорных связей верхней и нижней систем.

Формула изобретения

Ледостойкая морская платформа для сейсмических районов, содержащая опорное основание в виде плавучего корпуса с балластными цистернами, снабженного внизу вертикально ориентированной фермой, и систему заякорения с наклонными якорными связями, расположенными в звездном порядке, клюзами и донными свайными якорями, отличающаяся тем, что ледостойкая платформа снабжена дополнительной системой заякорения в виде подвески с наклонными связями, на которые через клюзы в нижней части фермы опирается плавучий корпус, при этом наклонные связи подвески растянуты по вертикали в сторону, противоположную направлению натяжения системы заякорения с наклонными якорными связями, и опираются на центральные сваи пучков свай, имеющие возвышение над дном моря большее, чем расстояние от дна моря клюзов подвески с наклонными связями на нижнем торце фермы, при этом плавучесть корпуса меньше суммы его веса и вертикальной проекции направленного вниз усилия от системы заякорения с наклонными якорными связями.

РИСУНКИ

Рисунок 1