НЕФТЕДОБЫВАЮЩАЯ ПОДВОДНАЯ ПЛАТФОРМА
SUBMERGED OIL PRODUCTION PLATFORM

Изобретение относится к судостроению, а точнее к строительству платформ для бурения скважин и эксплуатации нефтяных месторождений на шельфе, и предназначено, преимущественно, для применения в районах с экстремальными гидрологическими, метеорологическими и ледовыми условиями, например на шельфе северных морей.
Последние десятилетия активного освоения шельфовых недр показали уязвимость надводных буровых нефтедобывающих платформ (далее - платформ) в экстремальных условиях эксплуатации. Общеизвестны многие аварии с человеческими потерями и глобальными экологическими последствиями. Дополнительно к этим угрозам эксплуатация надводных платформ в районах с тяжелыми и трудно предсказуемыми ледовыми условиями требует постоянного ледокольного обеспечения, что весьма затратно. Но даже самые мощные ледоколы не гарантируют устойчивость надводных платформ при воздействии мигрирующих, ледовых полей с вкраплениями обширных участков льда, толщиной более четырех метров.
Авторы настоящей заявки убеждены в том, что на заполярном шельфе более безопасно и надежно бурить скважины с надводных устройств в период благоприятных сезонных условий, а добычу нефти вести с подводных платформ, залегающих на грунт ниже ледовых полей со стыковкой на готовую скважину. В силу такого убеждения предлагается принципиальная архитектура подводной платформы, в которой добытую нефть накапливают и периодически, например, 4-6 раз в год перекачивают в танкер. Но прежде необходимо уточнить основные технологические требования для проектирования такой платформы, иметь ориентировочное представление об ожидаемом дебите нефти из скважины и, следовательно, требуемой товарной вместимости платформы. Затем следует приближенное обоснование экономической эффективности проекта. Иначе патенты на изобретения покроются пылью забвения, не заинтересовав промышленников.
Предположим, танкер ледокольного класса способен принять сорок тысяч тонн нефти. Дебит кустовой скважины, допустим, 450 тонн в сутки. Нужное количество нефти (40 тысяч тонн) будет добыто, примерно, за три месяца работы. Этот срок приемлем для подхода танкера в ослабленных ледовых условиях. При этом определилось полное подводное водоизмещение платформы, примерно, в 60-65 тысяч тонн и «сухое» водоизмещение на плаву в 20-25 тысяч тонн. Исходя из практики оценочной стоимости гражданского судна, типа танкера, в $4-5 тысяч за каждую тонну порожнего веса, и приняв коэффициент сложности для подводной платформы 1,5, затраты на создание такой платформы ориентировочно должны уложиться в $200 миллионов. С учетом возможного повышения спроса на нефть примем себестоимость добычи, без учета танкерных затрат, в $250 за тонну, из которых $150 составляет амортизация платформы. При обозначенных условиях окупаемость затрат на платформу произойдет, примерно, через восемь лет. Если обозначенные условия не вспугнут серьезных промышленников, то есть смысл приступить к серьезным разработкам.
Одна из основных судостроительных задач при обосновании концептуальной архитектуры подводной платформы заключается в решении остойчивости при погружении и всплытии. Известно, что любая современная военная подводная лодка (далее - ПЛ) без линейного хода не погружается и не всплывает - она может опрокинуться. Это связано с тем, что при заполнении балластных цистерн остойчивость ПЛ приближена к нулевой, т.е. ее центр тяжести теряет нечто вроде опоры. На ходу же горизонтальными рулями управляют погружением и всплытием, а также подправляют крен, как канатоходец шестом. Задача вертикального погружения платформы при постановке на грунт и стыковки со скважиной аналогична и весьма сложна. Предлагаемая принципиальная архитектура построения платформы показывает вариант решения этой задачи.
Известно изобретение (патент США №3.095.048, кл. 175-6, 1959 г.). Также известно подводное судно (Л. «Подводные аппараты», 1966 г., стр.78). Оба подводных устройства, обозначенных в этих источниках, предназначены для отбора проб грунта, в том числе методом неглубокого бурения. Но, как известно, шлюпка, увеличенная многократно, не станет кораблем, так и относительно малые устройства не могут трансформироваться в промышленные крупногабаритные платформы. Поэтому оппонировать их построение излишне.
Известно изобретение (патент №2108264, МПК B63B 35/44, 1998 г., «Подводная буровая платформа»). Технический результат от использования изобретения заключается в обеспечении размещения всего бурового оборудования в прочном корпусе подводной буровой платформы (стр.1, 17я строка описания). В этом изобретении все очень грамотно с позиции горных специалистов, но нет ответов на коммерческую технологию эксплуатации платформы в подводном положении и решение задачи остойчивости при погружении и всплытии. Впечатление, что авторы не обременены судостроительными задачами и произвольно напичкали корпус ПЛ нужным оборудованием. А делать это возможно только в тесном спарринге судостроителей и горняков.
Известно изобретение (патент №2081289, МПК E21B 7/12, 1997 г. «Подводная буровая установка и опорная платформа для нее»). В этом изобретении также подробно рассмотрено размещение горного оборудования в корпусе ПЛ, как в патенте №2108264, и совершенно не затронуты вопросы судостроения и коммерческой технологии добычи нефти. Элементы новизны этих двух изобретений возможно понадобятся в совместной работе корабелов и горняков при создании действующей подводной платформы. Авторы этих изобретений предусмотрели наличие вертикального прочного корпуса платформы для размещения в нем технологического горного оборудования. Но в описании изобретения не дано примерное представление о габаритах вертикального корпуса и особенно его высоте, что весьма важно с позиции обоснования принципиальной архитектуры построения платформы, т.к. вертикальный корпус может значительно влиять на остойчивость платформы в процессе ее погружения и всплытия.
В качестве прототипа принято изобретение «Трехкорпусное подводное судно», а.с. №668187, М кл. B63B 1/12. В прототипе представлена контурная архитектура трехкорпусного подводного судна, предназначенного для геологоразведочного бурения шельфа в тяжелых ледовых условиях. Принципиальная схема построения обосновала один из важнейших вопросов управляемости такого судна при залегании на дно без линейного хода. Оно содержит три корпуса подводных лодок, из которых центральный расположен выше и с зазором относительно боковых, образуя в сечении треугольную конфигурацию с ними. Над участками зазора установлены горизонтальные рули в виде заслонок этого зазора. При погружении и всплытии потоки воды концентрируются в зазоре. Указанными горизонтальными рулями обеспечивают регулирование крена и дифферента судна, т.е. устраняют эффект «падающего листа».
Стационарные подводные платформы, как уже отмечалось, должны иметь значительную вместимость накопительных емкостей для размещения в них добываемого продукта. Если увеличить габариты легких корпусов прототипа, то это ограничит мобильность судна и исключит эффективность применения указанных горизонтальных рулей при погружении и всплытии, т.е. прототип перестанет быть геологоразведочным судном, но не трансформируется в платформу без существенных изменений и дополнений.
Однако трудно представить подводную добывающую платформу без использования прочных корпусов, аналогичных корпусам ПЛ, и без горного технологического оборудования.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является обеспечение остойчивости при погружении (всплытии) платформы при постановке на грунт и стыковке со скважиной.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении мобильности платформы и остойчивости при погружении (всплытии) в процессе постановки на грунт и стыковке со скважиной.
Поставленная задача решается тем, что нефтедобывающая подводная платформа, содержащая, как минимум, три связанных друг с другом прочных корпуса, выполненных по типу, используемому в подводных лодках, размещенных симметрично относительно вертикальной плоскости симметрии, снабженная средствами регулирования крена и дифферента при погружении и всплытии, отличается тем, что средний из корпусов установлен вертикально, а боковые корпусы установлены горизонтально и использованы в качестве несущих конструкций для общего легкого корпуса, выполненного с охватом обоих горизонтальных корпусов, с образованием в плане фигуры, симметричной относительно вертикальной оси симметрии, проходящей через центр тяжести подводной платформы, предпочтительно, прямоугольника, при этом полость общего легкого корпуса разделена на отдельные отсеки и снабжена средствами балластирования, кроме того, средства регулирования крена и дифферента при погружении и всплытии включают постановочные якорные блоки, выполненные с возможностью синхронизированной отдачи-выборки якорной цепи, и установлены по периметру общего легкого корпуса, предпочтительно симметрично относительно вертикальной оси симметрии, проходящей через центр тяжести подводной платформы, при этом на палубе общего легкого корпуса жестко закреплены дополнительные легкие корпусы, снабженные средствами балластирования, выполненные одинаковыми по объему и форме, установленные на максимальном удалении друг от друга, симметрично относительно оси симметрии, проходящей через центр тяжести подводной платформы, кроме того, общий легкий корпус и дополнительные легкие корпусы выполнены с возможностью приема и отгрузки углеводородов и снабжены средствами защиты окружающей среды от утечек углеводородов.
Сопоставительный анализ существенных признаков аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признак «… средний из корпусов установлен вертикально …» обеспечивает размещение технологического оборудования для эксплуатации скважины, труб, растворов и т.д.
Признак «… боковые корпусы установлены горизонтально …» обеспечивает возможность размещения персонала и различного вспомогательного, в т.ч. контрольно-регулирующего оборудования, систем управления и жизнеобеспечения.
Признаки, указывающие, что боковые прочные корпусы «использованы в качестве несущих конструкций для общего легкого корпуса, выполненного с охватом обоих горизонтальных корпусов», позволяют минимизировать вес конструкции, что обеспечивает использование боковых корпусов в качестве основных несущих (каркасных) элементов платформы.
Указание на то, что легкий корпус выполнен «с образованием в плане фигуры, симметричной относительно вертикальной оси симметрии, проходящей через центр тяжести подводной платформы, предпочтительно, прямоугольника», позволяет упростить процедуру горизонтирования положения платформы в пространстве.
Признак, указывающий на то, что «полость общего легкого корпуса разделена на отдельные отсеки», обеспечивает возможность расширения номенклатуры грузов, хранимых в полости легкого корпуса (не только добываемые углеводороды, но и пресную воду, ГСМ и т.п.), кроме того, обеспечивается регулирование плавучести по площади платформы, что повышает точность горизонтирования положения платформы в пространстве.
Признак, указывающий на то, что полость общего легкого корпуса «снабжена средствами балластирования», обеспечивает возможность изменения плавучести платформы и, тем самым, ее погружение-всплытие.
Признаки «… средства регулирования крена и дифферента при погружении и всплытии включают постановочные якорные блоки, выполненные с возможностью синхронизированной отдачи-выборки якорной цепи, и установлены по периметру общего легкого корпуса, предпочтительно симметрично относительно вертикальной оси симметрии, проходящей через центр тяжести подводной платформы …» предназначены для минимизирования крена в начальной фазе погружения в пределах, не опасных по опрокидыванию платформы, и обеспечения ее позиционирования в горизонтальной плоскости при ее стыковке с насадкой на устье скважины.
Признаки «… на палубе общего легкого корпуса жестко закреплены дополнительные легкие корпусы, снабженные средствами балластирования, выполненные одинаковыми по объему и форме, установленные на максимальном удалении друг от друга, симметрично относительно оси симметрии, проходящей через центр тяжести подводной платформы …» придают платформе в ее поперечном сечении форму квадратной скобки, уложенной на спинку, что обеспечивает наличие объема положительной плавучести платформы выше центра ее тяжести, при погружении платформы, особенно на начальном этапе «работает» как парашют, к которому платформа «подвешивается» снизу, что исключает ее опрокидывание в процессе опускания на дно.
Признаки «… общий легкий корпус и дополнительные легкие корпусы выполнены с возможностью приема и отгрузки углеводородов и снабжены средствами защиты окружающей среды от утечек углеводородов …» позволяют использовать их в качестве объемов для хранения добываемых углеводородов без ущерба для окружающей среды.
На фиг.1 показана принципиальная схема нефтедобывающей подводной платформы, поперечное сечение; на фиг.2 - проекция сверху.
На чертежах показаны: 1 - прочные горизонтальные корпусы; 2 - прочный вертикальный корпус; 3 - плоскость симметрии; 4 - общий легкий корпус; 5 - вертикальная ось симметрии, 6 - центр тяжести подводной платформы; 7 - якорный блок; 8 - дополнительные легкие корпусы и 9 - опоры.
Прочные горизонтальные 1 и вертикальный 2 корпусы размещены симметрично относительно вертикальной плоскости симметрии 3. Боковые прочные корпусы 1, установленные горизонтально, использованы в качестве несущих конструкций для общего легкого корпуса 4, который выполнен с охватом обоих горизонтальных прочных корпусов 1, с образованием в плане фигуры (предпочтительно, прямоугольника), симметричной относительно вертикальной оси симметрии 5, проходящей через центр тяжести 6 подводной платформы. Прочные горизонтальные корпусы 1 предназначены для размещения энергетических устройств, систем управления при погружении и всплытии, лифтовых аппаратов (для замены или эвакуации команды), мастерских, бытового обеспечения команды, сепараторов для очистки замещаемой нефтью забортной воды в легких корпусах и т.д., которые на чертежах не показаны. Они связаны друг с другом и прочным вертикальным корпусом 2 трубчатыми переходами (не показаны). Прочный вертикальный корпус 2 предназначен для размещения технологического оборудования для эксплуатации скважины, труб, растворов и т.д. Прочные горизонтальные корпусы 1 целесообразно разделить на отсеки, снабженные водонепроницаемыми переборками, с соответствующими герметичными люками. Общий легкий корпус 4 связан жесткими связями с прочными горизонтальными 1 и вертикальным 2 корпусами. Полость общего легкого корпуса 4 разделена на отдельные отсеки (не показаны) и снабжена средствами балластирования, например насосами (не показаны). Средства регулирования крена и дифферента при погружении и всплытии включают постановочные якорные блоки 7, выполненные с возможностью синхронизированной отдачи-выборки якорной цепи и установленные по периметру общего легкого корпуса 4, предпочтительно симметрично относительно вертикальной оси симметрии 5, проходящей через центр тяжести 6 подводной платформы (в данном случае они размещены по углам общего легкого корпуса 4). На палубе общего легкого корпуса 4 жестко закреплены дополнительные легкие корпусы 8, снабженные средствами балластирования (не показаны), выполненные одинаковыми по объему и форме, установленные на максимальном удалении друг от друга, симметрично относительно оси симметрии 5, проходящей через центр тяжести 6 подводной платформы. Общий легкий корпус 4 и дополнительные легкие корпусы 8 выполнены с возможностью приема и отгрузки углеводородов и снабжены средствами защиты окружающей среды от утечек углеводородов (вышеупомянутыми сепараторами для очистки замещаемой нефтью забортной воды).
Кроме того, полости легких корпусов 4 и 8 разделены на отдельные балластные отсеки, аналогично конструкциям военных подлодок, для улучшения процесса их балластирования.
Прочный вертикальный корпус 2 выполнен общей высотой не менее 20-25 метров, из расчета, чтобы в нем кроме технологического оборудования был запас высоты, как минимум, на полторы длины стандартных буровых труб.
Постановочные якорные блоки 7 выполнены известным образом, при этом каждый из них содержит лебедку с электроприводом и средство синхронизации работы приводов всех лебедок (названные механизмы и приборы на чертежах не показаны) с возможностью синхронизированной отдачи-выборки якорной цепи, и установлены по периметру легкого корпуса 4, предпочтительно симметрично относительно вертикальной оси симметрии 5, проходящей через центр тяжести 6 подводной платформы.
Подводная платформа работает следующим образом. К месту постановки ее буксируют на плаву. В заданной точке погружения на удалении от бортов платформы опускают постановочные якоря блоков 7, соответственно, вытравливая якорные цепи. Затем заполняют водой отсеки общего легкого корпуса 4 и одновременно и равномерно натягивают якорные цепи блоков 7. В положении, когда палуба общего легкого корпуса 4 опустится до уровня воды, при условии отсутствия дополнительных легких корпусов 8, платформа приобрела бы нулевую плавучесть. Это значит, что вертикальный прочный корпус 2 плавает в воде как бы сам по себе. Приблизительный угол крена для его опрокидывания нетрудно посчитать. При диаметре 8 метров, высоте 25 метров и равномерном распределении массы оборудованием критический угол крена (заката) будет около 17 градусов. Т.е. при таком крене платформа перевернулась бы. Быстро продуть балластные отсеки легкого корпуса 4 для выравнивания платформы затруднительно. Однако начальную фазу крена сдерживают якорные блоки 7. Этого может оказаться недостаточно. Поэтому для надежности предусмотрены дополнительные легкие корпусы 8 с центром плавучести выше центра тяжести прочного вертикального корпуса 2. Дальнейшее погружение платформы продолжают заполнением отсеков дополнительных легких корпусов 8. Положительная плавучесть платформы уменьшается, но ее центр смешается выше общего центра тяжести платформы 6, что гарантирует ее от опрокидывания. При расчетной остаточной положительной плавучести, например в 20-50 тонн, балластировку отсеков дополнительных легких корпусов 8 прекращают и работают на погружение только якорными блоками 7. При подходе к грунту, также работая натяжением якорных цепей блоков 7, совмещают насадку платформы (превентор) в прочном вертикальном корпусе 2 с насадкой на устье скважины. Насадки на фигуре не показаны, т.к. они не фигурируют в сути данной заявки. После совмещения насадок балластные отсеки заполняют окончательно и платформа опорами 9 ложится на дно. Добываемой нефтью заполняют отсеки легких корпусов 4 и 8 методом вытеснения из них забортной воды. Вытесненную воду сепарируют от вкраплений нефтепродуктов и сбрасывают за борт. Для приема добытой нефти к зоне постановки платформы подходит танкер. С подводной платформы по гибкому шлангу перекачивают в танкер нефть, а отсеки общего легкого корпуса 4 вновь заполняют забортной водой. Вахтовую смену экипажа проводят с использованием известных на подводном флоте лифтовых капсул.
Форма квадратной скобки, уложенной на бок, в поперечном сечении платформы, позаимствована у плавучих доков, которые частично погружают для приема кораблей в ремонт и поднимают их на себе методом заполнения и продувки балластных отсеков. В предложенной принципиальной архитектуре подводной платформы присутствуют существенные отличия от доков, а именно: дополнительные легкие корпусы 8 обеспечивают превышение положительной плавучести платформы над центром ее тяжести 6 при погружении до момента залегания на дно, т.е. обеспечена остойчивость платформы при полном погружении, в основном, за счет исполнения этой функции. У доков остойчивость с загруженными кораблями обеспечена, в основном, за счет значительного по размерам метацентрического радиуса, поэтому док никогда не погружают в воду полностью.
Образно говоря, погружение заявленной платформы схоже с полетом парашютиста, а остойчивость ремонтируемых судов в доке - с тяжелой гирей на обширном плоту из легкого пенопласта.
Известен «Способ погружения в заданную точку дна подводных конструкций», а.с. №536086, М кл. B63B 21/5. Этот способ предлагает опускать на дно крупногабаритные массивные подводные конструкции с помощью аналога парашюта, роль которого играют пустотелые емкости, гибко связанные с вершиной подводной конструкции. Для осуществления этого способа используют плавучий кран с размыкающимся гаком на тросе стрелы. После размыкания гака прерывается связь конструкции с плавкраном и она опускается на морское дно. При этом «парашют» уменьшает скорость погружения конструкции и препятствует ее опрокидыванию. В каком-то далеком приближении роль «парашютов» в предлагаемой платформе исполняют дополнительные легкие корпусы 8 совместно с якорными блоками 7. Однако обозначенный «Способ погружения» не предусматривает способа-всплытия, что для платформы неприемлемо.
Для представления о примерных габаритах платформы, способной принять 40 тысяч тонн нефти: 100 × 50 × 25 метров; высота общего легкого корпуса 10 метров.
Технология создания платформы, полагаем, не вызовет особо сложных вопросов у корабелов, и, судя по описанию а.с. №№2081289 и 2108264, у горняков. На базе проекта 971 «БАРС» можно построить платформу, например, на заводе в Комсомольске (см. ВОЕННО-МОРСКОЙ ФЛОТ РОССИИ И СНГ. 1992 г. Справочник, г.Якутск, 1992 г., стр.21).