Морская ледостойкая платформа
MARINE ICE-STRENGTHENED PLATFORM

Изобретение относится к морским мобильным платформам, предназначенным для размещения нефтегазового оборудования для добычи и разведки полезных ископаемых на мелководных участках шельфа замерзающих морей, предпочтительно на малых глубинах до 20 м.
Известна морская платформа, содержащая основание, опорную колонну, выполненную с возможностью проведения через нее свай, и верхнее строение, выполненное с возможностью перемещения по опорной колонне (см. RU № 2090699, МПК 6 E02B 17/00, E02B 17/02, 1997 г.).
Недостаток устройства в том, что оно не приспособлено к транспортировке в сборе – основание и верхнее строение предлагается устанавливать по отдельности, что в условиях малых окон хорошей погоды северных морей очень проблематично. Кроме того, установка свай внутри опорной оболочки увеличивает ее диаметр по сравнению с оболочкой, в которой размещено только буровое оборудование, что влечет за собой увеличение ледовой нагрузки на сооружение. Кроме того, нет решений по удалению свайного основания при передислокации платформы.
Известна также мобильная ледостойкая платформа, содержащая плиту основания, выполненную с возможностью регулирования ее плавучести, соосно сопряженную с опорной оболочкой, на которой установлено верхнее строение с возможностью вертикального перемещения вдоль нее (см. RU № 2477351, МПК E02B 17/02, 2013 г.).
Такая конструкция платформы не обеспечивает устойчивость слабого грунта основания на местный размыв при воздействии волн и течений на небольших глубинах, что может привести к потере общей устойчивости платформы.
Задача предлагаемого изобретения – обеспечение возможности эффективной эксплуатации ледостойкой платформы на мелководных участках континентального шельфа со слабыми грунтами основания.
Технический результат – обеспечена возможность эффективной эксплуатации ледостойкой платформы на мелководных участках континентального шельфа со слабыми грунтами основания, при этом обеспечено повышение мобильности платформы, поскольку она приспособлена для транспортировки в сборе и установки. Кроме того, обеспечена высокая ледостойкость платформы за счет использования свайного скрепления основания, при этом обеспечена высокая скорость монтажа и демонтажа свайного основания при необходимости перебазирования платформы на другой участок, причем процесс монтажа свайного основания может быть осуществлен одновременно с началом эксплуатации платформы.
Для решения поставленной задачи морская ледостойкая платформа, содержащая плиту основания, выполненную с возможностью регулирования ее плавучести, соосно сопряженную с опорной оболочкой, на которой установлено верхнее строение с возможностью вертикального перемещения вдоль нее, отличается тем, что плита основания снабжена вертикальными сквозными каналами, приспособленными для ввода и закрепления в них свай, при этом установка снабжена монтажной рамой, имеющей возможность перемещения по оси опорной оболочки и снабженной несколькими средствами погружения свай, выполненными с возможностью перемещения по периметру монтажной рамы, для чего последняя снабжена как минимум двумя рельсовыми направляющими, разнесенными по вертикали, при этом защитные кожухи средств погружения свай выполнены длиной больше глубины акватории на месте размещения платформы и установлены в фиксаторах кареток, взаимодействующих с названными рельсовыми направляющими, причем фиксаторы кареток выполнены с возможностью выключения фиксации в них кожуха, кроме того, кожух установлен предпочтительно соосно его продольной осью с осью вертикальных сквозных каналов плиты основания, при этом средства извлечения свай, выполненные в виде крановых установок, размещены на палубе верхнего строения, кроме того, средства погружения свай выполнены в виде вибропогружателя и защитного кожуха диаметром, большим диаметра вертикального сквозного канала плиты основания, выполненного с возможностью соосного с ним герметичного стыкования с плитой основания, снабженной средствами удаления воды и/или ила. Кроме того, каждый защитный кожух снабжен вертикальным каналом, выполненным в виде желоба, выступающего из сечения кожуха, снабженным лестничным маршем.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение комплекса функциональных задач.
Признаки «…плита основания снабжена вертикальными сквозными каналами, приспособленными для ввода и закрепления в них свай…» обеспечивают возможность надежного сопряжения основания с грунтом за счет установки свай через названные каналы и их заглубления в грунт.
Признак, указывающий, что «установка снабжена монтажной рамой», обеспечивает крепление и работу средств погружения свай за пределами верхнего строения.
Признак, указывающий, что монтажная рама имеет «возможность перемещения по оси опорной оболочки», обеспечивает перемещение монтажной рамы по вертикали к месту монтажа свайного основания.
Признак, указывающий, что монтажная рама снабжена «несколькими средствами погружения свай», обеспечивает возможность погружения и изъятия свай в грунт при помощи нескольких механизмов и тем самым ускорить процедуру установки свай.
Признаки, указывающие, что средства погружения свай выполнены «с возможностью перемещения по периметру монтажной рамы», обеспечивают возможность подвода вибропогружателей к каждому сквозному каналу в плите основания.
Признаки, указывающие, что монтажная рама «снабжена как минимум двумя рельсовыми направляющими, разнесенными по вертикали», обеспечивают надежное позиционирование вибропогружного и монтажного оборудования по периметру монтажной рамы.
Признаки «…защитные кожухи средств погружения свай… установлены в фиксаторах кареток…» обеспечивают скрепление защитного кожуха с кареткой на роликовых опорах и их удержание в процессе выхода на точку, соосную с осью отверстия плиты основания.
Признаки, указывающие, что фиксаторы кареток взаимодействуют «с названными рельсовыми направляющими», обеспечивают подвижное размещение погружного и монтажного оборудования на рельсовых направляющих через рабочие площадки, способные передвигаться по рельсовым направляющим.
Признаки, указывающие, что защитные кожухи средств погружения свай «выполнены длиной больше глубины акватории на месте размещения платформы», позволяют изолировать зону работы вибропогружателя в защитном кожухе на всю глубину акватории.
Признак «…фиксаторы кареток выполнены с возможностью выключения фиксации в них кожуха…» обеспечивает контролируемое вертикальное перемещение защитных кожухов в каретках на роликовых опорах при спуске защитных кожухов на место монтажа/демонтажа свай.
Признак «…кожух установлен предпочтительно соосно его продольной осью с осью вертикальных сквозных каналов плиты основания…» обеспечивает уменьшение времени позиционирования сваи при ее вводе в сквозные каналы плиты основания и уменьшение размеров защитного кожуха, обеспечивающих доступ внутри него к вибропогружателю со всех сторон и исключающих его контакт со стенками кожуха.
Признаки «…средства извлечения свай, выполненные в виде крановых установок, размещены на палубе верхнего строения…» обеспечивают удаление свай из грунта с использованием вибропогружателя, закрепляемого на крановом оборудовании, размещенного на верхнем строении.
Признаки «…средства погружения свай выполнены в виде вибропогружателя…» позволяют произвести погружение и удаление свай из грунта.
Признаки, указывающие, что средства погружения свай выполнены в виде «защитного кожуха», позволяют произвести спуск вибропогружателя в пространство, защищенное от воды и внешних силовых факторов на глубину, регулируемую количеством составных частей защитного кожуха.
Признаки, указывающие, что средства погружения свай «диаметром, большим диаметра вертикального сквозного канала плиты основания», обеспечивают спуск вибропогружателя с габаритами в плане большими, чем габариты сваи, и позволяют получить доступ к вибропогружателю и свае на всех этапах их спуска и монтажа в защитном кожухе.
Признаки, указывающие, что средства погружения свай выполнены «с возможностью соосного с ним герметичного стыкования с плитой основания, снабженной средствами удаления воды и/или ила», позволяют ограничить проникновение воды и ила в кожух и распределить пространство для равномерного доступа к вибропогружателю и свае при их спуске или изъятии.
Признаки «…каждый защитный кожух снабжен вертикальным каналом, выполненным в виде желоба, выступающего из сечения кожуха, снабженным лестничным маршем…» позволяют безопасно осуществлять спуск вибропогружателя и людей в защитный кожух, из которого будут удаляться вода и/или ила через шланги желоба защитного кожуха.
Изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг.1 показана платформа в транспортном состоянии; на фиг.2 – вид платформы спереди в транспортном состоянии; на фиг.3 – вид платформы сбоку в транспортном состоянии; на фиг.4 – установка платформы на место дислокации (вид сбоку); на фиг.5 – разрез платформы по верхнему строению и плите основания в положении спуска верхнего строения; на фиг.6 – схема подготовительного этапа монтажа свайного фундамента; на фиг.7 – схема подъема верхнего строения; на фиг.8 – схема спуска сваи в защитный кожух; на фиг.9 – монтажное оборудование (вид изнутри); на фиг.10 – монтажное оборудование (вид снаружи); на фиг.11 – схема монтажа свайного основания; на фиг.12 – схема удаления свайного основания; на фиг.13 – схема аварийного перемещения верхнего строения; на фиг.14 – перспективный вид платформы в стационарном положении; на фиг.15 – пример альтернативной формы платформы.
На чертежах показаны: плита основания 1, опорная оболочка 2, верхнее строение 3, защитные кожухи 4, вибропогружное оборудование 5, свая 6, гибкие связи 7, плавсредства 8, вибропогружатель 9, рельсовые направляющие 10, каретки 11 на роликовых опорах, крановое оборудование 12, полиспасты 13 верхней части опорной оболочки 2, полиспасты 14 верхнего строения, лебедки 15, коническая вставка 16 плиты основания, балластные емкости 17, монтажная рама 18, гибкие связи 19 монтажной рамы, полиспасты 20 монтажной рамы, аутригеры 21, гидравлический подъемник 22.
Плита основания 1 представляет собой многогранную призму с балластными емкостями 17 внутри, соосно сопряженную с опорной оболочкой 2 и включающую сквозные вертикальные каналы по периметру плиты основания 1, изолированные от ее внутреннего объема и служащие для перепуска через них свай 6 и закрепления последних.
Опорная оболочка 2 выполнена в виде полого вертикально ориентированного цилиндра и соосно сопряжена с плитой основания 1. Она включает крепления для гибких связей 7 в верхней части в виде блока.
Верхнее строение 3 выполнено в виде корпуса, установленного соосно с опорной оболочкой 2 в его центральной части, выполненной в виде сквозной шахты, поперечное сечение которой соответствует сечению опорной оболочки 2. Разделено на палубы, количество которых зависит от функциональных особенностей оборудования платформы. По периметру вмонтированы разнесенные по вертикали рельсовые направляющие 10.
Защитный кожух 4 представляет собой выполненную составной цилиндрическую обечайку, диаметр которой больше диаметра свай 6 на величину, обеспечивающую свободный проход вибропогружателя 9. Он сопряжен с технической шахтой меньшего диаметра по периметру, входящей в состав сечения защитного кожуха 4 и имеющей общее с защитным кожухом пространство, необходимое для размещения лестничного марша и насосных шлангов.
Вибропогружное оборудование 5 представляет собой набор известного оборудования для питания вибропогружателя 9, скрепленного с каретками 11 на роликовых опорах. В качестве вибропогружателя 9 используют известную машину, предназначенную для погружения свай 6 в грунты основания, имеет штатные крепежи для жесткого захвата сваи 6. Вибропогружное оборудование 5 соединено с вибропогружателем 9 питающими его шлангами и регулируемым по длине тросом.
Сваи 6 представляют собой оболочки с развитым поперечным сечением.
В качестве гибких связей 7 используют тросы, сопряженные с полиспастами 13 и 14, размещенными соответственно на верхней части опорной оболочки 2 и палубе (верхнем строении 3). Количество гибких связей 7 зависит от веса верхнего строения 3. Каждая гибкая связь 7 снабжена собственной системой полиспаст.
Плавсредства 8 могут быть представлены несамоходными баржами.
Рельсовые направляющие 10 могут представлять собой монорельсы, разнесенные по вертикали и закрепленные на монтажной раме 18, служат направляющими путями под каретки 11 с роликовыми опорами.
Каретки 11 на роликовых опорах представляют собой рабочие площадки на роликовых опорах и являются базой для закрепления вибропогружного оборудования 5 и защитного кожуха 4.
Крановое оборудование 12 представлено известными крановыми установками, размещенным на верхнем строении 3.
Полиспасты 13 верхней части опорной оболочки 2 и полиспасты 14 верхнего строения 3 представляют собой известные грузоподъёмные устройства, состоящие из блоков, последовательно огибаемых гибкими связями 7.
Лебедка 15 представляет собой известный механизм, тяговое усилие которого передается посредством гибких связей 7 от приводного барабана (на чертежах не показан).
Коническая вставка плиты основания 16 представляет собой элемент сопряжения между плитой основания 1 и опорной оболочкой 2 в местах их примыкания. Служит для уменьшения концентрации напряжений между плитой основания 1 и опорной оболочкой 2.
Балластные емкости 17 представляют собой полости с возможностью закачки в них воды или воздуха под давлением.
Монтажная рама 18 представляет собой конструкцию из металлического профиля, состоящая из стоек, разнесенных за пределами проекции верхнего строения 3 и скрепленных между собой в нижней части. Включает в себя вмонтированные на периметре вертикально разнесенные рельсовые направляющие 10. Снабжена собственной системой полиспаст 20.
Гибкие связи 19 монтажной рамы 18 представляют собой тросы, сопряженные с полиспастами 20 и 14, размещенными соответственно в монтажной раме 18 и верхнем строении 3. Каждая гибкая связь 19 монтажной рамы 18 снабжена собственной системой полиспаст.
Полиспасты 20 монтажной рамы 18 представляют собой известные грузоподъёмные устройства, закрепленные на монтажной раме 18 и состоящие из блоков, последовательно огибаемых гибкими связями 19 монтажной рамы.
Аутригеры 21 представляет собой известные грузоподъемные устройства, состоящие из блоков, огибаемых лебедкой 15, размещенные на периметре верхнего строения 3 по радиусу действия лебедок 15 к ближайшим вертикальным каналам плиты основания 1. Предназначены для передачи тягового усилия лебедки через трос при монтажных операциях.
Гидравлические подъемники 22 представляют собой известные грузоподъемные машины, предназначенные для вертикального перемещения верхнего строения 3 по оси опорной оболочки 2. Количество гидравлических подъемников 22 зависит от веса верхнего строения 3.
Функционально платформа работает в трех последовательных режимах: транспортном, переходном и стационарном.
Транспортный режим представляет собой состояние платформы, когда она скреплена с плавсредствами 8. В этом режиме плавсредства 8 жестко (но разъемно) закреплены между плитой основания 1 и верхним строением 3 (фиг.1). Опорная плита основания 1 находится ниже уровня воды, обеспечивая плавучесть опорной оболочки 2. Коническая вставка 16 не выходит за проекцию высоты борта плавсредств 8 и не соприкасается с ними (фиг.2). Плавсредства 8 обеспечивают плавучесть верхнего строения 3 и остойчивость платформы в целом (фиг.3).
Переходный режим включает в себя действия по перемещению платформы с плавсредств 8 на место дислокации и обратно.
Перемещение платформы с плавсредств 8 осуществляют по прибытии на место дислокации и начинают с процесса разъединения жесткого соединения между плитой основания 1 и верхним строением 3, что позволяет плите основания 1 погрузиться до уровня дна, притом что верхнее строение 3 удерживается на плавсредствах 8 (фиг.4). Погружение и всплытие опорной плиты 1 обеспечено наличием балластных емкостей 17, при этом в них закачивают воду и стравливают гибкие связи 7 с барабанов соответствующих лебедок 15 по мере погружения плиты основания 1, в результате чего опорная оболочка 2 перемещается сквозь шахту верхнего строения 3.
В результате проведенных операций опорная плита 1 опирается непосредственно на грунт основания. При необходимости перед началом процесса позиционирования производится подготовка основания на место установки платформы с помощью известных средств.
После окончания процесса размещения плиты основания 1 на дне выполняют работы по отсоединению плавсредств 8 путем поднятия верхнего строения 3 за счет работы гибких связей 7 до безопасного расстояния над палубами плавсредств 8 (фиг.6). По завершении данного процесса производится подъем верхнего строения 3 до высшей точки опорной оболочки 2, после чего платформа может перейти в стационарный режим.
По окончании эксплуатации платформы на месте дислокации и демонтажа свайного основания осуществляют перемещение платформы на плавсредства 8. Данный процесс начинается со спуска верхнего строения 3 на подведенные плавсредства 8 с последующим опиранием на них верхнего строения 3. При этом обеспечивается максимально возможная площадь контакта между плавсредствами 8 и верхним строением 3, позволяющая исключить риск разрушения конструкции и обеспечить остойчивость сооружения в целом. Далее производится откачка воды из балластных емкостей 17 для обеспечения плавучести плиты основания 1 и её последующее поднятие до сопряжения с днищем плавсредств 8 и последующим закреплением. При этом обеспечена выборка гибких связей 7 для беспрепятственного всплытия плиты основания 1. Скорость всплытия регулируется для исключения ударных воздействий на плавсредства 8.
В аварийном случае подъем и спуск верхнего строения 3 может быть осуществлен с помощью гидравлических подъемников 22 (фиг.13), подведенных под верхнее строение 3 с плавсредств 8 или с помощью кранового оборудования 12 платформы, где для их спуска может быть задействована монтажная рама 18 путем предварительного закрепления подъемников к ее днищу.
В стационарном режиме верхнее строение 3 закреплено на высшей точке опорной оболочки 2 (фиг.14) в месте составного сечения. Составное сечение верхнего строения 3 (фиг.5) позволяет произвести полное примыкание верхнего строения 3 с опорной оболочкой 2 и обеспечить уменьшение длины оболочки 2, что дает возможность не изменять блок верхней части опорной оболочки 2, в котором могут быть осуществлены буровые операции. Также такое решение позволяет понизить центр тяжести платформы при транспортировке и оптимизировать материалозатраты.
Монтаж свайного основания начинается с момента закрепления верхнего строения 3 на высшей точке опорной оболочки 2 и спуска монтажной рамы 18 за счет работы ее гибких связей 19 и лебедки 15 до уровня водной поверхности (фиг.7). Далее может следовать движение защитного кожуха 4 по периметру монтажной рамы 18 путем перемещения кареток 11 на роликовых опорах по рельсовым направляющим 10 (фиг.9) до достижения соосности между защитным кожухом 4 и каналами в плите основания 1 (фиг.5). Позиционирование защитных кожухов 4 относительно вертикальных каналов может быть осуществлено с помощью меток их положений на верхнем строении 3 или опорной оболочке 2, т.к. они имеют статичное положение относительно плиты основания 1. Вибропогружное оборудование 5 может крепиться на собственных каретках 11 с рельсовыми направляющими 10, независимых от рельсовых направляющих 10 защитных кожухов 4. Данное решение может обеспечить вертикальный ввод сваи 6 в защитный кожух 4 избегая контакта с вибропогружным оборудованием 5 (фиг.8).
Далее следует прекращение фиксации защитного кожуха 4 каретками 11 известным образом, что позволяет осуществить спуск защитного кожуха 4 до достижения сопряжения его выступающей нижней части с плитой основания 1 по оси погружения сваи 6. При этом верхняя часть кожуха 4 остается над уровнем воды. Составная конструкция защитного кожуха 4 (фиг.10) обеспечивает его адаптацию к различным глубинам погружения плиты основания 1.
При невозможности перемещения защитного кожуха 4 и вибропогружного оборудования 5 по периметру монтажной рамы 18 с помощью кареток на роликовых опорах 11 или в аварийном случае, эти элементы могут быть перемещены с помощью кранового оборудования 12 платформы.
Герметичное сопряжение защитного кожуха 4 с плитой основания 1 может быть обеспечено юбочной конструкцией его нижней части или его вводом в соответствующую выемку плиты основания 1. Такое соединение обеспечивает защиту людей, вибропогружателя 9 и свай 6 в процессе монтажа свайного основания от воды, ила и внешних силовых факторов.
После погружения, спуска сваи 6 и откачки воды из защитного кожуха 4 производится спуск вибропогружателя 9 и его скрепление со сваей 6 за счет наличия у него штатных захватов. Наличие в защитном кожухе 4 технической шахты с лестничным маршем и шлангами для откачки воды дает возможность спуска в него людей и удаление воды независимо работы вибропогружателя 9, с пространством работы которого шахта не граничит, но сообщается. Далее вибропогружатель 9 осуществляет погружение сваи 6 в грунт, после чего через шахту защитного кожуха 4 может быть произведен спуск людей и оборудования для закрепления сваи 6 в плите основания 1 (фиг.11).
Затем защитный кожух 4 может быть извлечен из воды с помощью аутригера 21 или кранового оборудования 12 и перемещен к следующему вертикальному каналу плиты основания 1 с помощью кареток 11 на роликовых опорах  с предварительной в них фиксацией.
Демонтаж свайного основания проводится аналогичным порядком до сопряжения защитного кожуха 4 с плитой основания 1. Далее следует спуск вибропогружателя 9 до сваи, закрепленной в плите основания 1. Аналогично процессу закрепления сваи 6, в защитный кожух 4 может быть произведен спуск людей и оборудования только для раскрепления сваи 6 с плитой основания 1, после чего свая 6 может быть изъята с помощью вибропогружателя 9, который скрепляют тросом с атуригером 21 или крановым оборудованием 12, тяговое усилие которых будет передано включенному в работу вибропогружателю 9 (фиг.12). После изъятия свая 6 может быть перемещена на верхнее строение 3.
Сваи 6, закрепленные в плите основания 1, обеспечивают дополнительную устойчивость платформы на сдвиг при действии горизонтальных нагрузок и ото льда в частности. Монтажная рама 18, вибропогружное оборудование 5 и защитные кожухи 4 с вибропогружателями 9 могут быть демонтированы с платформы крановым оборудованием 12. Количество и вылет стрел кранового оборудования 12 должны обеспечить охват всего периметра платформы для осуществления монтажных операций.
Также платформа может иметь различную форму основных элементов (фиг.15), при этом её функционал не меняется, разница лишь в том, что при многоугольном очертании верхнего строения 3, следовательно, монтажной рамы 18 и рельсовых направляющих 10, средства монтажа свайного основания будут иметь зону работы по стороне многоугольника, при необходимости их перемещение на другую зону работы будет осуществлено с помощью кранового оборудования 12 платформы.