СПОСОБ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ДОБЫВАЮЩЕЙ ПЛАТФОРМЫ ПЛАВУЧЕГО ТИПА ОТ ЛЕДОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ В УСЛОВИЯХ АРКТИЧЕСКОГО ШЕЛЬФА
METHOD OF ENGINEERING PROTECTION OF FLOATING PRODUCTION PLATFORM FROM ICE EFFECTS UNDER CONDITIONS OF ARCTIC SHELF

Изобретение относится к технологии строительства гидротехнических сооружений, а более конкретно к способам создания ограждающей конструкции, предназначенной для защиты добывающей платформы плавучего типа при разведке и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений в ледовых условиях арктического шельфа.
Известна конструкция пояса ледовой защиты (RU №2382849 С1, 27.02.2010 [1]), выполненного U-образным, ветви которого установлены по всей длине буксируемого корпуса с зазором, величина которого превышает 2 м, и сопряжены у оконечности буксируемого корпуса с примыканием к ледостойкому корпусу блок-кондуктора.
Пояс ледовой защиты выполнен в виде свайной структуры, элементы которой установлены с образованием внутреннего и внешнего рядов равноудаленных свай и соединены распорами в шахматном порядке, причем высота внутреннего ряда свай превышает высоту внешнего ряда свай.
Известен противоледовый защитный барьер (RU №67590 U1, 27.10.2007 [2]), включающий два ряда свай, расположенных в шахматном порядке, и наклонную балку, опертую на оголовки свай, заглубленных в дно акватории. Отметка оголовка свай второго ряда находится на максимальной отметке уровня воды УВ в период ледохода, а отметка оголовка свай первого ряда - на отметке нижней поверхности льда в период ледохода, образуя угол наклона В наклонной балки. На каждую сваю защитного барьера установлено, по меньшей мере, две наклонные балки. Лед, приносимый течением, наползает на наклонные балки, ломается изгибом и под действием силы тяжести проваливается между сваями первого ряда, образуя ледяной барьер.
Аналогичную конструкцию имеют также известные технические решения (SU №1411367 А1, 23.07.1988 [3], RU №2029011 C1, 20.02.1995 [4], RU №2039861 C1, 20.07.1995 [5], RU №94023979 A1, 20.07.1996 [6], US №2009035069 A1, 05.02.2009 [7]).
Применение известных ограждающих конструкций возможно в условиях мелководного арктического шельфа с устойчивыми грунтами в основании. Кроме того, в случае утечки нефти известные ограждающие конструкции не обеспечивают локализацию нефтяного загрязнения.
Надежность эксплуатации нефтяных платформ, установленных на арктическом шельфе, зависит от соотношения между параметрами ледовых структур и формой преграды для их движения. Образование торосов, увеличение толщины и размеров ледовых полей как со стороны наплыва льдин, так и в результате ветрового нагона ледовых полей увеличивает в несколько раз горизонтальные ледовые нагрузки, что, в свою очередь, требует усиления ледовой защиты.
Известное техническое решение (патент RU №2532941 С1, 20.11.2014 [8]), позволяет решить задачи, связанные с эксплуатацией добывающих платформ плавучего типа на арктическом шельфе путем обеспечения круглогодичной инженерной защиты разведочных и добывающих платформ плавучего типа от неблагоприятных природно-климатических воздействий в условиях арктического шельфа, в том числе при наличии слабых и вечномерзлых грунтов в основании.
Решение поставленной задачи в известном техническом решении ([8]) достигается тем, что в способе инженерной защиты добывающей платформы плавучего типа от ледовых воздействий в условиях арктического шельфа, включающем устройство по периметру платформы защитной ограждающей конструкции, до установки добывающей платформы в проектное положение (над скважиной) и ее монтажа по периметру платформы с зазором устанавливают, по меньшей мере, один ряд опор из металлических свай круглого сечения, заглубленных в неустойчивые донные отложения или в коренные породы. В сваи монтируют замораживающие устройства. После окончания монтажа замораживающие устройства включают в работу, и они намораживают вокруг свай монолитные цилиндры - опоры большого диаметра - льдогрунтовые - в основании и ледовые - в воде. Шаг установки свай рассчитывают так, чтобы цилиндры замораживаемого грунта и воды, образующиеся вокруг свай, смыкались с соседними цилиндрами, образуя сплошную ледогрунтовую в основании и ледовую в воде защитную противоударную и противофильтрационную стену.
Горизонтальные усилия, действующие на защитную противоударную и противофильтрационную стену, передаются на вертикальные несущие опоры из металлических свай через массивы намороженного льда, и поэтому количество рядов свай, сечение свай, глубина погружения в грунты основания и величина диаметра намораживания должны быть рассчитаны на эту нагрузку.
Искусственное замораживание воды и грунта вокруг опор осуществляют замораживающими устройствами двух типов: сезоннодействующими, работающими в холодный период года с использованием естественного холода, и действующими с помощью системы принудительного замораживания, представляющими собой замкнутый контур из полиэтиленовых трубок, соединенный с компрессорными установками. Полиэтиленовые трубки вмонтированы в металлические трубы, которые устанавливают в металлические сваи. Внутрисвайное пространство цементируют. Под действием компрессорных установок по полиэтиленовым трубкам движется жидкий хладагент с низкой (до минус 15-20 С°) температурой. В результате теплообмена с окружающими водной и грунтовой средами происходит намораживание вокруг свай монолитных цилиндров - опор большого диаметра, ледогрунтовых в основании и ледовых в воде, которые, смыкаясь в межсвайном пространстве, формируют сплошную защитную противоударную и противофильтрационную стену. Температура хладагента задается в соответствии с требуемыми параметрами защитной стены.
В надводной части между сваями устраивают горизонтальные и вертикальные связи, исключающие их горизонтальные смещения при ледовых и ветровых нагрузках.
Высоту металлических свай над уровнем моря выбирают из условия максимально возможных перемещений ледовых образований и волн относительно участка строительства, и она составляет не менее суммы толщины ледовых образований и, по крайней мере, равна удвоенной высоте расчетной волны акватории.
Кроме того, с целью сокращения объема металлоконструкций в надводной части ледовую стену, при необходимости, достраивают над поверхностью воды на расчетную высоту, подавая воду набрызгом.
Сплошную защитную противоударную и противофильтрационную стену выполняют со свободным проемом, который после установки добывающей платформы плавучего типа в проектное положение замыкают частично или полностью.
После завершения эксплуатации скважины добывающую платформу транспортируют на новую точку.
Достигаемый технический результат предложенного решения позволяет: создать устойчивую защитную противоударную и противофильтрационную стену, регулируемую по размеру, эксплуатационной температуре и прочности в зависимости от ледовых и грунтовых условий; уменьшить силу воздействия на стену волн и движущегося льда в связи с образованием прочного припайного льда в результате применения искусственного замораживания; учитывая эффективность замораживания заглублять опоры из металлических свай только в слабые рыхлые донные отложения, если это подтверждено соответствующими прогнозными теплотехническими, прочностными и деформационными расчетами.
Однако, несмотря на достоинства известного способа инженерной защиты добывающей платформы плавучего типа от ледовых воздействий в условиях арктического шельфа [8], он обладает и существенным недостатком, заключающимся в том, что в надводной части ледовую стену, при необходимости, достраивают над поверхностью воды на расчетную высоту, подавая воду набрызгом, что в условиях наличия поверхностных и подводных течений и волнения потребует длительного периода времени для создания в надводной части ледовой стены, т.е. известный способ инженерной защиты добывающей платформы плавучего типа от ледовых воздействий в условиях арктического шельфа может оказаться трудоемким и малоэффективным.
Задачей предлагаемого технического решения является снижение трудоемкости способа защиты добывающей платформы плавучего типа от ледовых воздействий в условиях арктического шельфа.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе инженерной защиты добывающей платформы плавучего типа от ледовых воздействий в условиях арктического шельфа, включающем устройство по периметру платформы защитной ограждающей конструкции, до установки платформы в проектное положение по периметру платформы с зазором устанавливают, по меньшей мере, один ряд опор из металлических свай круглого сечения, заглубленных, при необходимости, в коренные породы; в сваи монтируют охлаждающие устройства и производят искусственное замораживание грунта и воды вокруг свай, причем образующиеся вокруг свай монолитные цилиндры - льдогрунтовые в основании и ледовые в воде, должны смыкаться в межсвайном пространстве со смежными цилиндрами, образуя сплошную ледогрунтовую в основании и ледовую в воде защитную противоударную и противофильтрационную стену, размещают еще один ряд опор из металлических свай круглого сечения, которые снабжают по внешнему диаметру роторными фрезами.
Размещение еще одного ряда опор из металлических свай круглого сечения, которые снабжают по внешнему диаметру роторными фрезами, позволяет разделить ледовое поле, представляющее угрозу для платформы, на несколько ледовых полей и тем самым снизить последующую ледовую нагрузку на платформу и сократить энергозатраты на искусственное замораживание грунта и воды вокруг основных свай защитной ограждающей конструкции.
Заявляемый способ инженерной защиты добывающей платформы плавучего типа от ледовых воздействий в условиях арктического шельфа может быть осуществлен в части ограничительной части формулы изобретения аналогично прототипу [8].
До установки добывающей платформы в проектное положение (над скважиной) и ее монтажа с плавучей платформы меньших размеров, оснащенной оборудованием для забивки свай и компрессорной установкой для системы охлаждения, по периметру платформы с зазором устанавливают, по меньшей мере, один ряд опор из металлических свай круглого сечения, ограждающих водное пространство. Металлические сваи заглубляют в неустойчивые донные отложения или в коренные породы. В сваи устанавливают замораживающие устройства. Внутрисвайное пространство цементируют. После окончания монтажа замораживающие устройства включают в работу и они намораживают вокруг свай монолитные цилиндры - опоры большого диаметра, льдогрунтовые - в основании и ледяные - в воде, которые, смыкаясь с соседними цилиндрами, формируют по периметру платформы сплошную ледогрунтовую в основании и ледовую в воде защитную противоударную и противофильтрационную стену.
Искусственное замораживание воды и грунта вокруг свай осуществляют вмонтированными в сваи охлаждающими устройствами двух типов: сезоннодействующими, работающими в холодный период года с использованием естественного холода, и действующими с помощью системы принудительного замораживания, представляющей собой замкнутый контур из полиэтиленовых трубок, соединенный с компрессорными установками. Полиэтиленовые трубки вмонтированы в металлические трубы, которые устанавливают в металлические сваи. Под действием компрессорных установок по полиэтиленовым трубкам движется жидкий хладагент с низкой (до минус 15-20 °С) температурой. В результате теплообмена с окружающей водной и грунтовой средами происходит намораживание вокруг свай монолитных цилиндров - опор большого диаметра, льдогрунтовых в основании и ледовых в воде, которые, смыкаясь в межсвайном пространстве, формируют сплошную защитную противоударную и противофильтрационную стену. Температура хладагента задается в соответствии с требуемыми параметрами защитной стены.
В надводной части между сваями устраивают горизонтальные и вертикальные связи, исключающие горизонтальные смещения свай при ледовых и ветровых нагрузках.
Высоту металлических свай над уровнем моря выбирают из условия максимально возможных перемещений ледовых образований и волн относительно участка строительства, и она составляет не менее суммы толщины ледовых образований и, по крайней мере, равна удвоенной высоте расчетной волны акватории.
Кроме того, с целью сокращения объема металлоконструкций в надводной части ледовую стену, при необходимости, достраивают над поверхностью воды на расчетную высоту, подавая воду набрызгом.
Сплошную защитную противоударную и противофильтрационную стену выполняют со свободным проемом, который после установки добывающей платформы плавучего типа 3 в проектное положение замыкают частично или полностью.
В отличие от прототипа [8] размещают еще один ряд опор из металлических свай круглого сечения, которые снабжают по внешнему диаметру роторными фрезами. Этот ряд опор из металлических свай круглого сечения, которые снабжают по внешнему диаметру роторными фрезами, устанавливают по периметру платформы защитной ограждающей конструкции, перед рядом опор из металлических свай круглого сечения, заглубленных, при необходимости, в коренные породы.
При навале ледяного поля на ряд опор из металлических свай круглого сечения, которые снабжают по внешнему диаметру роторными фрезами, приводят в рабочий режим роторные фрезы, управляемые с диспетчерского пульта добывающей платформы.
Посредством роторных фрез ледовое поле разделяют на несколько ледяных полей меньшей площади, чем основное ледовое поле, тем самым уменьшая ледовую нагрузку на последующий ряд опор из металлических свай круглого сечения, заглубленных, при необходимости, в коренные породы и непосредственно на конструкцию добывающей платформы плавучего типа. После завершения эксплуатации скважины добывающую платформу плавучего типа транспортируют на новую точку.
В предлагаемом техническом решении использованы природно-климатические условия Арктического Севера - низкие температуры воды и наружного воздуха, а также достаточно высокие значения прочностных характеристик массивов искусственно намороженного льда и ледового грунта.
Источники информации
1. Патент RU №2382849 С1, 27.02.2010.
2. Патент RU№67590 U1, 27.10.2007.
3. Авторское свидетельство SU №1411367 А1, 23.07.1988.
4. Патент RU №2029011 С1, 20.02.1995.
5. Патент RU №2039861 С1, 20.07.1995.
6. Патент RU №94023979 А1, 20.07.1996.
7. Заявка US №2009035069 A1, 05.02.2009.
8. Патент RU №2532941 С1, 20.11.2014.