СИСТЕМА ШВАРТОВКИ ДЛЯ АРКТИЧЕСКОГО ПЛАВУЧЕГО СРЕДСТВА
MOORING SYSTEM FOR ARCTIC FLOATING FACILITY

Предпосылки создания изобретения
Этот раздел предназначен для ознакомления с различными аспектами данной области техники, которые могут быть связаны с примерными вариантами реализации настоящего изобретения. Предполагается, что это обсуждение поможет создать основу, способствующую лучшему пониманию конкретных аспектов настоящего изобретения. Таким образом, необходимо понимать, что данный раздел необходимо воспринимать именно в таком свете и не обязательно в качестве изложения существующего уровня техники.
Область техники
Настоящее изобретение относится к области технологий морского бурения. В частности, оно относится к плавучей морской буровой установке, в которой используются морской стояк (трубопровод для связи с морским месторождением) и система швартовки, подходящие для использования в ледовых арктических водах.
Уровень техники
По мере увеличения мировых потребностей в ископаемом топливе, энергетическим компаниям приходится развивать добычу углеводородных ресурсов, находящихся в более удаленных и неблагоприятных зонах мира, как на суше, так и в открытом море. Такие зоны включают арктические регионы, где температура окружающего воздуха опускается значительно ниже точки замерзания воды. Конкретными примерами континентальных областей являются Канада, Гренландия и Северная Аляска.
Одной из главных проблем, с которой сталкиваются в морских арктических регионах, является постоянное образование ледовых пластов на поверхности воды. Ледовые массы, образовавшиеся вне береговой линии на участках с глубиной воды более 20 или 25 метров, являются подвижными, так как они почти постоянно перемещаются. Ледовые массы, или ледовые пласты, перемещаются в результате воздействия таких явлений окружающей среды, как ветер, волны и течения. Ледовые пласты могут перемещаться по воде в горизонтальном направлении со скоростями до приблизительно 1 метра в секунду. Такие подвижные массы льда могут создавать огромные нагрузки, действующие на конструкции, находящиеся на их пути. Поэтому морские конструкции, эксплуатируемые в арктических морях, должны быть способны сопротивляться или противостоять нагрузкам, создаваемым движущимся льдом.
Другой опасностью, с которой сталкиваются в арктических водах, являются ледовые торосы. Они представляют собой большие нагромождения льда, которые обычно возникают внутри ледовых пластов и могут состоять из перекрывающихся ледовых слоев и повторно замерзших обломков, возникших из-за столкновения таких пластов. Торосы могут иметь толщину до 30 метров или более и, как следствие, приводить к пропорциональному увеличению нагрузок по сравнению с нагрузками, действующими со стороны обычного ледового пласта.
Неподвижные конструкции, установленные на дне, являются особенно уязвимыми в морских арктических регионах, в частности, в глубоководных зонах. Наибольшая по величине нагрузка, действующая со стороны ледового пласта или тороса, возникает рядом с поверхностью воды. Если морская конструкция содержит буровую платформу или площадку, установленную на длинную, относительно тонкую колонну, проходящую на значительное расстояние вниз от поверхности, изгибающие моменты, обусловленные горизонтальным перемещением льда, могут оказаться достаточными для опрокидывания этой платформы.
Согласно патенту США № 4048943 предлагается буровая установка, содержащая конструкцию в форме перевернутого конуса, плавающую, в общем, выше уровня воды. Эта перевернутая конструкция включает верхнюю поверхность, или площадку, для установки бурового оборудования и функциональных элементов. Буровая установка также включает большой цилиндрический кессон, находящийся на плаву ниже конструкции в форме перевернутого конуса. В этом случае кессон включает сужающуюся по радиусу верхнюю часть, предпочтительно конической формы, соединенную с упомянутой конструкцией в форме перевернутого конуса ниже уровня воды. Швартовочные связи прикрепляют к кессону, а затем закрепляют на морском дне якорями, чтобы зафиксировать положение буровой установки в воде.
Буровая установка, предложенная согласно этому патенту, включает средства, обеспечивающие возвратно-поступательное перемещение кессона в вертикальном направлении. При этом верхняя часть кессона может контактировать с ледовыми пластами и другими массами льда под углом с возникновением достаточной динамической силы для пробивания и разрушения льда. Движущийся лед ударяется о наклонную стенку конструкции в форме конуса, и это его поднимает. Подъем льда не только приводит к его разрушению, но также, по существу, устраняет горизонтальную раздавливающую нагрузку, действующую со стороны льда на конструкцию.
Другие буровые конструкции, имеющие корпуса в форме перевернутого конуса, описаны в патентах США № 3766874 и 4434741. В таких конструкциях используются корпуса, которые, в общем, имеют форму усеченного конуса для разламывания льда, сталкивающегося с корпусом. Эти корпуса закреплены на морском дне с использованием традиционных цепей или металлических тросов.
Обычно при проведении работ на море желательно использовать цепи, металлические или синтетические тросы в качестве швартовочных связей. Такие швартовочные связи обеспечивают подвижность плавающей конструкции, что позволяет этой конструкции перемещаться в ответ на действие волн, ветра и течений. В то же время такие традиционные швартовочные связи могут не обеспечивать прочности, достаточной для того, чтобы выдерживать высокие сдвиговые нагрузки, создаваемые движущимися ледовыми пластами. Существующие системы швартовки на плавучих средствах имеют ограниченные возможности с точки зрения сопротивления ледовым нагрузкам и, в общем, их использование ограничено открытой водой, а также бурением и добычей в теплое время года.
Полная разработка морских нефтяных и газовых месторождений требует проведения работ из заданного положения, например, бурения множества скважин из заданного положения. Это справедливо даже в арктических зонах, где ледовые пласты закрывают воду большую часть года. Желательно не останавливать работы в течение всего года, чтобы избежать подорожания из-за сезонной передислокации и сложностей многократного входа в течение года в частично пробуренные скважины.
Таким образом, существует необходимость в усовершенствованной системе швартовки, позволяющей сохранять заданное положение морской плавучей установки в арктических условиях.
Сущность изобретения
Согласно изобретению создана система швартовки для арктического плавучего средства. Это средство может представлять собой, например, плавучую буровую установку. Это средство, в качестве альтернативы, может представлять собой осесимметричное исследовательское средство или другое средство, используемое для морского бурения, добычи, разведки, восстановления или исследований.
Средство имеет платформу для выполнения работ в морской среде. Дополнительно, средство имеет опору, обеспечивающую балласт и устойчивость ниже уровня воды в морской среде. Платформа может быть установлена на корпус, имеющий форму усеченного конуса. В этом случае средство дополнительно содержит суженую часть, соединяющую конструкцию платформы с опорой.
Система швартовки, в общем, включает множество якорей, расположенных в радиальном направлении вокруг опоры на морском дне. Якоря могут представлять собой утяжеленные блоки, удерживаемые на морском дне за счет силы тяжести. В качестве альтернативы, каждый из якорей может содержать, например, рамную конструкцию с множеством колонн в виде забиваемых свай или свай с всасыванием, закрепленных в грунте у морского дна.
Система швартовки также имеет множество швартовочных связей. Первый конец каждой швартовочной связи функционально соединен с опорой, а второй конец каждой швартовочной связи функционально соединен с соответствующим якорем. Каждая швартовочная связь дополнительно содержит по меньшей мере два по существу жестких звена, скрепленных вместе с использованием сочленений или шарниров. Определенные звенья внутри каждой из множества швартовочных связей могут содержать материал, увеличивающий подъемную силу.
Согласно одному из аспектов, каждое звено имеет по меньшей мере пять метров в длину. Каждое звено может содержать, например, множество вытянутых металлических элементов, расположенных параллельно друг другу. В одном конструктивном варианте первый конец каждой из множества швартовочных связей соединен с опорой вблизи верхнего края этой опоры. В предпочтительном случае обеспечена возможность выборочного соединения каждого из первых концов с опорой на двух или более различных уровнях по высоте вдоль верхнего края опоры, чтобы регулировать осадку плавучей буровой установки в морской среде. В дополнение к этому, каждый из множества якорей может содержать множество точек соединения для выборочного соединения каждой соответствующей швартовочной связи на протяжении соответствующего якоря. Таким образом, можно регулировать расстояние опоры от точки соединения.
6
Система швартовки позволяет обеспечить круглогодичную работу в море, даже в зимние месяцы, когда морская среда, по существу, покрыта льдом. В предпочтительном случае система швартовки позволяет сохранять неизменное положение средства при наличии нагрузок, действующих со стороны льда, которые превышают приблизительно 100×10 Н.
6
Нагрузки, действующие со стороны льда, как правило, возникают при перемещении ледовых пластов. Нагрузки, создаваемые ледовыми пластами, имеют горизонтальный компонент. Согласно одному из аспектов, каждая швартовочная связь может выдерживать по меньшей мере приблизительно 500×10 Н горизонтальной нагрузки.
В одном из вариантов реализации настоящего изобретения система швартовки дополнительно содержит множество вспомогательных швартовочных связей. Первый конец каждой связи соединен с опорой вблизи нижнего края этой опоры, а второй конец каждой связи соединен с соответствующим якорем. Каждая из вспомогательных швартовочных связей может быть получена из цепей, металлических тросов, синтетических тросов или труб.
Здесь также предлагается способ развертывания системы швартовки для плавучей конструкции. Согласно одному из аспектов, этот способ включает следующие этапы, на которых:
(а) устанавливают шаблон позиционирования на морском дне в месте проведения морских работ;
(b) обеспечивают задающую связь, имеющую первый конец, второй конец и множество по существу жестких звеньев, скрепленных вместе с использованием сочленений, причем каждое звено содержит по меньшей мере один вытянутый металлический элемент;
(с) соединяют первый конец задающей связи с шаблоном позиционирования;
(d) соединяют второй конец задающей связи с якорем;
(е) закрепляют якорь на морском дне в соответствии с первой длиной;
(f) отсоединяют первый конец задающей связи от шаблона позиционирования и второй конец задающей связи от якоря;
(g) повторяют этапы (а)-(f) для последующих якорей, что позволяет установить множество якорей вокруг шаблона позиционирования;
(h) обеспечивают постоянную швартовочную связь, имеющую первый конец, второй конец и множество по существу жестких звеньев, скрепленных вместе с использованием сочленений;
(i) функционально соединяют второй конец швартовочной связи с якорем;
(j) функционально соединяют первый конец швартовочной связи с плавучей конструкцией; и
(k) повторяют этапы (h)-(j) для каждого из последующих якорей.
Плавучая конструкция в предпочтительном случае представляет собой плавучую буровую установку. В этом случае буровая установка может включать платформу для выполнения бурения/добычи в морской среде и опору, выполненную с возможностью обеспечения балласта и устойчивости ниже уровня воды в морской среде. Шаблон позиционирования устанавливают ниже предполагаемого положения опоры на месте бурения. В предпочтительном случае первый конец каждой из соответствующих постоянных швартовочных связей функционально соединен с верхней частью опоры.
6
Как и в случае швартовочных связей в описанной выше системе швартовки, каждое звено в постоянных швартовочных связях содержит множество вытянутых элементов, расположенных параллельно друг другу. Элементы могут быть металлическими, керамическими или из другого материала, имеющего высокую прочность на растяжение. Звенья скрепляют вместе с использованием шарнирного соединителя. Согласно одному из аспектов, каждый из множества вытянутых элементов содержит либо два или более стержней с проушинами, либо два или более по существу полых трубчатых элементов. Каждая из постоянных швартовочных связей в предпочтительном случае может выдерживать нагрузку по меньшей мере приблизительно 100×10 Н, действующую со стороны движущегося ледового пласта.
Здесь также предлагается способ передислокации плавучей конструкции. Плавучая конструкция содержит платформу для выполнения работ в морской среде и опору, обеспечивающую балласт и устойчивость ниже уровня воды в морской среде. Согласно одному из аспектов, способ включает отсоединение опоры от платформы. После чего опору опускают в морскую среду на глубину ниже приближающегося ледового пласта.
В соответствии с этим способом плавучую конструкцию перемещают в новое положение в морской среде. Это позволяет плавучей конструкции избежать ударов со стороны ледового пласта.
При использовании этого способа плавучая конструкция ранее уже установлена в определенном месте в арктической морской среде при помощи системы швартовки. Система швартовки имеет множество швартовочных связей, каждая из которых имеет первый конец и второй конец. Каждая швартовочная связь дополнительно имеет по меньшей мере два по существу жестких звена, скрепленных вместе с использованием шарниров. Шарниры позволяют швартовочным связям кинематически сокращаться, когда опору опускают ниже в морскую среду. Система швартовки также включает множество якорей, установленных на морском дне. Каждый якорь закрепляет соответствующую швартовочную связь с ее второго конца.
Согласно одному из аспектов, в определенные звенья в каждой из множества швартовочных связей помещен материал, увеличивающий подъемную силу. Это облегчает кинематическое сокращение швартовочных связей для соответствия уменьшенному расстоянию от соответствующих якорей до опоры при опускании опоры к морскому дну.
6
Что касается швартовочных связей в описанной выше системе швартовки, каждое звено в постоянных швартовочных связях содержит множество вытянутых элементов, расположенных параллельно друг другу. Эти элементы могут быть металлическими, керамическими или из другого материала, имеющего высокую прочность на растяжение. Звенья скрепляют вместе с использованием шарнирного соединителя. Согласно одному из аспектов, каждый из множества вытянутых элементов содержит либо два или более стержней с проушинами, либо два или более по существу полых трубчатых элементов. Каждая из постоянных швартовочных связей в предпочтительном случае может выдерживать нагрузку по меньшей мере приблизительно 100×10 Н, действующую со стороны движущегося ледового пласта.
Краткое описание чертежей
Чтобы способствовать лучшему пониманию настоящего изобретения, к заявке приложены иллюстрации, схемы и/или блок-схемы. При этом необходимо отметить, что чертежи иллюстрируют только определенные варианты реализации изобретения, и поэтому не должны восприниматься как ограничивающие его объем, так как изобретение может допускать и другие, в равной степени эффективные варианты его реализации и применения. На чертежах:
Фиг.1 - вид сбоку системы швартовки для плавучей морской буровой установки, соответствующей одному из вариантов реализации настоящего изобретения. Как видно на этом чертеже, плавучая морская буровая установка находится в морской среде;
Фиг.2А - вид сбоку стержня с проушинами, который может быть использован как часть звенной секции для описанной здесь системы швартовки;
Фиг.2В - вид сверху стержня с проушинами, показанного на фиг.2А;
Фиг.3А - вид сбоку участка швартовочной связи, которая может быть использована в системе швартовки, показанной на фиг.1. Показаны три иллюстративных звена, соединенных вместе;
Фиг.3В - общий вид участка швартовочной связи, показанного на фиг.3А. На этом виде оси, используемые для скрепления звеньев швартовочной связи, показаны вынутыми из отверстий в стержнях;
Фиг.4А - вид сбоку якоря, который может быть использован в системе швартовки, показанной на фиг.1. В данном случае якорь изготовлен из отдельных свай с всасыванием, соединенных при помощи рамной конструкции;
Фиг.4В - вид сверху якоря, показанного на фиг.4А;
Фиг.5А - вид сбоку якоря, который может быть использован в системе швартовки, показанной на фиг.1, в альтернативном варианте реализации настоящего изобретения. В данном случае якорь представляет собой блок, удерживаемый на морском дне за счет силы тяжести;
Фиг.5В - общий вид якоря, показанного на фиг.5А;
Фиг.5С - вид сбоку соединительного элемента, который может быть использован для соединения швартовочной связи с якорями, показанными на фиг.4В или фиг.5В;
Фиг.6А - вид сверху звена, полученного из одного или более стержней с проушинами, которые могут быть использованы как часть звена для описанной здесь системы швартовки в альтернативном варианте реализации настоящего изобретения;
Фиг.6В - вид сбоку звена из стержней с проушинами, показанного на фиг.6А;
Фиг.7А - вид сбоку системы швартовки для плавучей морской буровой установки в альтернативном варианте реализации настоящего изобретения. На этом виде к дну буровой конструкции прикреплен кессон. Звенья системы швартовки соответствуют иллюстративному примеру, приведенному на фиг.6А и 6В;
Фиг.7В - вид сбоку системы швартовки, показанной на фиг.7А. При этом кессон отсоединен от буровой конструкции и опущен в морскую среду. Это позволяет отбуксировать буровую конструкцию с линии соударения с айсбергом;
Фиг.7С - блок-схема, на которой показаны этапы способа передислокации плавучей арктической конструкции;
Фиг.8А - вид сбоку системы швартовки для плавучей морской буровой установки, показанной на фиг.1. На этом виде система швартовки расположена таким образом, чтобы буровая конструкция находилась на уровне воды в условиях преобладания льдов;
Фиг.8В - другой вид сбоку системы швартовки, показанной на фиг.1. В данном случае система швартовки расположена таким образом, чтобы буровая конструкция находилась по существу выше уровня воды в условиях волн на море;
Фиг.9 - вид сбоку верхней части опоры буровой установки в увеличенном масштабе. Поворачивающийся на шарнире стержень с проушинами показан в разных положениях для подъема и опускания буровой конструкции с целью соответствия либо условиям преобладания льдов, показанным на фиг.8А, либо условиям преобладания волн на море, показанным на фиг.8В;
Фиг.10 - другой вид сбоку системы швартовки для плавучей морской буровой установки, показанной на фиг.1. На нем показаны векторы сил, действующих на буровую установку, когда по ней ударяет лед. Движители обеспечивают активное управление движением, помогающее сохранить равновесие плавучей конструкции;
Фиг.11А - вид сбоку связи, используемой для задания расстояния якоря от шаблона. Задающая расстояние связь может представлять собой сегмент постоянной швартовочной связи или может быть отдельной, временной связью;
Фиг.11В - вид сбоку задающей расстояние связи, показанной на фиг.11А, в увеличенном масштабе. Показано соединение между временной швартовочной связью и шаблоном;
Фиг.11С и 11D - унифицированная блок-схема способа развертывания системы швартовки для плавучей конструкции;
Фиг.12А - вид сбоку системы швартовки, соответствующей альтернативному варианту реализации настоящего изобретения. Как видно на этом чертеже, плавучая морская буровая установка находится в морской среде. В этом конструктивном варианте система швартовки прикреплена к плавучей опоре таким образом, чтобы обеспечить нахождение буровой конструкции в морской среде в условиях преобладания льдов;
Фиг.12В - другой вид сбоку системы швартовки для плавучей морской буровой установки, соответствующей альтернативному варианту реализации настоящего изобретения. Как видно на этом чертеже, плавучая морская буровая установка находится в морской среде. В этом конструктивном варианте система швартовки прикреплена к плавучей опоре таким образом, чтобы обеспечить нахождение буровой конструкции в морской среде в условиях преобладания волн на море;
Фиг.13А - вид сбоку швартовочной связи, которая может быть использована в системе швартовки, показанной на фиг.12А и 12В;
Фиг.13В - сечение швартовочной связи, показанной на фиг.13А, плоскостью В-В, показанной на фиг.13А. Как видно на этом чертеже, имеется множество трубчатых элементов;
Фиг.13С - другое сечение швартовочной связи, показанной на фиг.13А, плоскостью С-С, показанной на фиг.13А. Как видно на этом чертеже, множество трубчатых элементов заключено во внешний элемент для сохранения их взаимного расположения;
Фиг.14А - вид сбоку швартовочной связи, которая может быть использована в системе швартовки, показанной на фиг.12А и 12В, в альтернативном варианте реализации настоящего изобретения;
Фиг.14В - сечение швартовочной связи, показанной на фиг.14А, плоскостью В-В, показанной на фиг.14А. Как видно на этом чертеже, имеется множество трубчатых элементов;
Фиг.14С - другое сечение швартовочной связи, показанной на фиг.14А, плоскостью С-С, показанной на фиг.14А. Как видно на этом чертеже, имеется множество трубчатых элементов;
Фиг.15А - вид сбоку участка системы швартовки, показанной на фиг.12А и 12В. В данном случае буровая конструкция отсоединена от плавучей опоры. Опора расположена в морской среде, чтобы избежать контакта с большим ледовым пластом;
Фиг.15В - вид сбоку участка системы швартовки, показанной на фиг.12А и 12В. В данном случае буровая конструкция отсоединена от плавучей опоры. Опора расположена еще глубже в морской среде, чтобы избежать контакта с очень большим ледовым объектом, таким как айсберг;
Фиг.16А - вид сбоку якоря, который мог бы использоваться как часть системы швартовки, соответствующей одному из вариантов реализации настоящего изобретения. Конец швартовочной связи, показанной на фиг.12А и 12В, изображен снятым с установочного места, прикрепленного к якорю;
Фиг.16В - вид сверху якоря, показанного на фиг.16А. Конец швартовочной связи, показанной на фиг.15А и 15В, также изображен снятым с установочного места, прикрепленного к якорю; и
Фиг.17 - вид сбоку верхней части плавучей опоры, показанной на фиг.12А и 12В. Верхняя часть приведена в увеличенном масштабе, чтобы продемонстрировать выборочную установку конца швартовочных связей на опоре. В иллюстративном конструктивном варианте в концевой части соединительного узла расположен полукруглый соединитель.
Подробное описание конкретных вариантов реализации изобретения
Определения
В том виде, как он здесь используется, термин "углеводород" относится к органическому соединению, которое включает, главным образом, если не исключительно, такие химические элементы, как водород и углерод. Углеводороды, в общем, разделяют на два класса: алифатические, или углеводороды с прямыми цепями, и циклические, или углеводороды с цепями, замкнутыми в кольца, которые включают циклические терпены. Примеры материалов, содержащих углеводороды, включают любой тип природного газа, нефти, угля и битума, который может быть использован в качестве топлива или переработан в топливо.
В том виде, как он здесь используется, термин "текучая среда" относится к газам, жидкостям и комбинациям газов и жидкостей, а также к комбинациям газов и твердых тел и комбинациям жидкостей и твердых тел.
В том виде, как он здесь используется, термин "подповерхностная зона" относится к геологическому пласту, возникающему ниже земной поверхности.
Термин "стержень с проушинами" относится к любому вытянутому объекту, который имеет средства соединения на противоположных концах. Примером, не накладывающим ограничений, является балка с расширенными концевыми частями, каждый конец которой имеет сквозное отверстие для установки универсального шарнира, оси или другого шарнирного соединителя.
Термин "морское дно" относится к основанию морского пространства. Морское пространство может представлять собой океан, море или другое водное тело, которое подвержено возникновению волн, ветров и/или течений.
Термин "арктический" относится к любой океанической зоне, в которой могут возникать ледовые объекты или через которую могут перемещаться ледовые объекты. Термин "арктический", в том виде, как он здесь используется, достаточно широк, чтобы включать географические зоны, расположенные рядом как с Северным, так и с Южным полюсом.
Термин "морская среда" относится к любому месту не на суше. Место не на суше может относиться к мелководным областям или глубоководным областям. Морская среда может представлять собой океаническое пространство, залив, большое озеро, устье реки, море или канал.
Термин "ледовый пласт" означает плавающую и движущуюся массу льда, скопление льда или ледовое поле. Этот термин также охватывает ледовые торосы внутри ледовых пластов.
Термин "платформа" означает площадку, на которой выполняются морские работы, например, буровые. Термин также может охватывать любую присоединенную опорную плавучую конструкцию, например, конический корпус.
Описание конкретных вариантов осуществления изобретения
На фиг.1 представлен вид сбоку морской буровой установки 100. Морская буровая установка 100 включает корпус 102, имеющий, в общем, форму перевернутого конуса. С верхней стороны корпуса 102 имеется платформа 104, с которой выполняют бурение. Как видно на чертеже, над платформой 104 возвышается буровая вышка 120. На платформе 104 установлено дополнительное оборудование для бурения и добычи, которое не показано. Корпус 102, платформа 104 и связанное с ними оборудование для бурения и добычи вместе образуют буровую конструкцию.
Морская буровая установка 100 также включает плавучую опору 106. В этом иллюстративном конструктивном варианте опора 106 имеет по существу цилиндрическое тело, которое плавает в воде в вертикальном положении. Такую конструкцию в морском деле иногда называют "кессоном". Однако иллюстративная опора 106 не ограничивается кессонами или другими конкретными конструктивными вариантами. Опора 106 соединена с нижней стороной корпуса 102 через суженую часть 108. Таким образом, когда опора 106 плавает в соответствии с законом Архимеда, она поддерживает корпус 102 и обеспечивает выполнение соответствующих буровых работ.
Плавучая опора 106 имеет отделения с управляемым балластом для сохранения вертикального положения и устойчивости конструкции. Опора 106 может дополнительно использоваться в качестве места для хранения оборудования и материалов.
Морская буровая установка 100 показана находящейся в морской среде 50. Если говорить более конкретно, морская буровая установка 100 показана плавающей в арктической воде. Уровень воды обозначен ссылочной позицией 52, а морское дно или подводное основание - 54. На фиг.1 морская среда 50 по существу свободна ото льда. Таким образом, она находится в условиях, когда морские волны воздействуют на буровую установку 100, являясь следствием ветра или течений. Однако понятно, что буровая установка 100 предназначена для круглогодичной работы в арктической среде, включая холодные зимние месяцы, когда в морской среде преобладает лед.
Чтобы сохранить положение буровой установки 100 в морской среде 50, обеспечена система 150 швартовки. Использование системы 150 швартовки обеспечивает то, что называется "удержанием в заданной точке". Удержание в заданной точке является важным во время буровых работ с точки зрения сохранения должного положения буровой установки 100 над морским дном 54 во время создания скважины (не показана).
Система 150 швартовки, во-первых, включает множество якорей 160. На фиг.1 показаны только два якоря 160. Однако понятно, что система 150 швартовки в предпочтительном случае включает по меньшей мере четыре и более предпочтительно от шести до десяти якорей 160. Каждый якорь 160 лежит на морском дне 54 на заданном расстоянии от опоры 106. Якоря 160 расположены на морском дне 54 в радиальном направлении вокруг опоры 106.
Система 150 швартовки также включает множество швартовочных связей 152. Первый конец каждой швартовочной связи 152 соединен с опорой 106, а второй конец каждой швартовочной связи 152 соединен с соответствующим якорем 160. В конструктивном варианте, показанном на фиг.1, первый шарнирный кронштейн 156 соединяет первый конец каждой швартовочной связи 152 с опорой 106, а второй шарнирный кронштейн 158 соединяет второй конец каждой швартовочной связи 152 с соответствующим якорем 160.
Предпочтительно, чтобы швартовочная связь 152 соединялась с опорой 106 у верхнего края этой опоры 106. Швартовочные связи 152 могут свисать с опоры 106 как цепи. Однако, в отличие от обычного металлического троса, используемого в качестве швартовочной связи, швартовочные связи 152, соответствующие настоящему изобретению, в предпочтительном случае удерживаются в натянутом состоянии. То есть в арктической морской среде не обязательно создавать провисание швартовочной связи 152, так как незначительная глубина воды и почти круглогодичное присутствие льда снижают до минимума силу морских волн.
Каждая швартовочная связь 152 содержит множество звеньев 155. Звенья 155 скреплены вместе с использованием шарнирных соединителей 154. Соединители 154 могут представлять собой, например, оси, установленные через совмещенные сквозные отверстия. В качестве альтернативы, соединители представляют собой универсальные шарниры или другие средства шарнирного соединения.
В настоящем изобретении швартовочные связи 152 не являются обычными тросами, цепями или якорными цепями, вместо этого швартовочные связи 152 имеют множество звеньев 155 из по существу жестких элементов. Каждое звено 155 может представлять собой, например, комплект из двух или трех отдельных стержней с проушинами, расположенных параллельно. Звенья 155, в свою очередь, соединены на соответствующих концах соединителями 154.
На фиг.2А приведен вид сбоку одного стержня 210 с проушинами. На фиг.2В представлен вид сверху стержня 210 с проушинами, показанного на фиг.2А. Если рассматривать два вида вместе, стержень 210 с проушинами имеет вытянутое тело 212. На противоположных концах 214 тела 212 созданы сквозные отверстия 216. В сквозные отверстия помещают соответствующие соединительные оси (не показаны).
6
6
Стержень 210 с проушинами может быть использован как часть звена 155 для описанной здесь системы 150 швартовки. Стержень 210 с проушинами имеет вытянутое тело из стали или другого металла. Однако можно рассматривать применение и других материалов, таких как стекловолокно, керамика или композиты. Стержень 210 с проушинами может иметь длину, например, от 5 до 50 метров. Кроме того, стержень 210 с проушинами может иметь ширину приблизительно 1000 мм и толщину 250 мм. Это дает поперечное сечение 25000 мм. Последнее, в свою очередь, позволяет стержням 210 с проушинами выдерживать растяжение с силой 100×10 Н. Сравните это значение со значением для типичного металлического троса, используемого в обычной системе швартовки, который имеет поперечное сечение приблизительно 6 дюймов с соответствующим выдерживаемым растяжением приблизительно 15×10 Н. Таким образом, увеличение выдерживаемого растяжения обеспечивается увеличением площади поперечного сечения стали, обеспечивающей сопротивление растягивающим нагрузкам.
Как указано на фиг.1, множество звеньев 155 скрепляют вместе с созданием единой швартовочной связи 152. На фиг.3А приведен вид сбоку трех звеньев 155 из стержней 210 с проушинами. Звенья 155 представляют собой часть швартовочной связи, которая может быть использована в системе 150 швартовки, показанной на фиг.1. Сквозные отверстия 216 стержней 210 соседних звеньев 155 совмещены и в них установлена ось. Это обеспечивает поворот звеньев 155 друг относительно друга.
6
На фиг.3В представлен общий вид звеньев 155 из стержней с проушинами, показанных на фиг.3А. На этом чертеже соседние звенья 155 изображены в разобранном состоянии. Можно видеть, что каждое звено 155 может включать два или даже три стержня 210 с проушинами. Использование нескольких стержней 210 с проушинами в звене 155 увеличивает растяжение, выдерживаемое швартовочной связью 152. Согласно одному из аспектов, каждое звено 155 включает от трех до восьми стержней 210 с проушинами. Число используемых стержней 210 с проушинами будет зависеть от таких факторов, как площадь поперечного сечения отдельных стержней 210 и требуемая способность к удержанию в заданной точке. Добавление стержней 210 с проушинами может увеличить растяжение, выдерживаемое связью, например, до 600×10 Н.
Чтобы получить швартовочную связь 152, отдельные стержни 210 звена 155 располагают параллельно. Сквозные отверстия 216 стержней 210 совмещают. После чего в сквозные отверстия 216 параллельных стержней 210 устанавливают оси 220. Оси 220, которые могут быть использованы для соединения звеньев 155 швартовочной связи 152, показаны вынутыми из отверстий в стержнях 210.
Как уже отмечалось, швартовочные связи 152 соединяют вторым концом с соответствующими якорями 160. Фиг.4А представляет собой вид сбоку иллюстративного якоря 160, который может быть использован в системе 150 швартовки, показанной на фиг.1. Фиг.4В представляет собой вид сверху якоря 160, показанного на фиг.4А. На фиг.4А и 4В показано, что якорь 160 содержит совокупность отдельных элементов 164 в виде свай. Сваи 164 в предпочтительном случае выполнены с возможностью их закрепления на морском дне 54 путем забивания, за счет всасывания или любым другим образом, известным в данной области техники.
Сваи 164 соединены посредством рамной конструкции 162. Рамная конструкция 162 в предпочтительном случае представляет собой решетчатую ферму из стальных элементов, присоединенных к сваям 164 и сваренных вместе. Рамная конструкция позволяет присоединять швартовочную связь 152 к якорю 160 в различных местах этого якоря. Это, в свою очередь, позволяет учитывать длину отдельной швартовочной связи 152 в системе 150 швартовки.
Якорь 160 из свай с всасыванием способен противостоять растяжению швартовочной связи 152 за счет действующих на него сил трения и гидростатического давления. Так как требования к размерам якоря 160 из одной сваи с всасыванием могут создать проблемы при его изготовлении и установке, требуемую стойкость к растяжению может обеспечить группа из свай меньшего размера, размещенных в виде упорядоченной структуры, как показано на фиг.4А и 4В. Конкретное число, диаметр, глубина проникновения в грунт и интервал между сваями зависят от конкретного варианта применения.
Вариант якоря 160, показанный на фиг.4А и 4В, не является единственно возможным вариантом. Фиг.5А представляет собой вид сбоку якоря 560, который может быть использован в системе швартовки, показанной на фиг.1, в альтернативном варианте реализации настоящего изобретения. Фиг.5В представляет собой общий вид якоря, показанного на фиг.5А. В данном случае якорь 560 представляет собой блок 562, удерживаемый на морском дне 54 за счет силы тяжести.
Блок 562 в предпочтительном случае изготовлен из бетона, который усилен стальной арматурой. Блок, формирующий якорь 560, может иметь, например, длину 100 метров, ширину 100 метров и толщину 44 метра. Разумеется, можно использовать и другие габариты. Якорь 560 на основе силы тяжести противостоит растяжению швартовочной связи 152 благодаря своему весу. Вес обеспечивает сопротивление вертикальному компоненту растяжения, возникающего внутри швартовочной связи 152. В то же время вес обеспечивает сопротивление горизонтальному компоненту растяжения за счет трения.
На фиг.5А и 5В можно видеть, что на верхней поверхности 564 якоря 560 имеется шарнирный соединительный элемент 158. Соединительный элемент 158 прикреплен при помощи круглого стального кольца 159 или другого средства. Круглое кольцо 159, в свою очередь, прикреплено к полукруглому стальному кольцу 566, зацементированному в верхнюю поверхность 564 блока 562.
Фиг.5С представляет собой вид сбоку соединительного элемента 158, который может быть использован для соединения швартовочной связи 152 с якорями, показанными на фиг.4В или фиг.5В. Иллюстративный соединительный элемент 158 состоит из двух стальных пластин 532, соединенных парой петель 534. На противоположных концах 538 пластин 532 имеются сквозные отверстия 536. Сквозные отверстия 536 могут быть совмещены со сквозными отверстиями 216 на концах 214 комплекта параллельных стержней 210 с проушинами, а затем соединены осью для создания надежного шарнирного соединения.
Понятно, что соединительный элемент 158, показанный на фиг.5С, является всего лишь иллюстрацией. Может быть использован любой соединительный элемент, обеспечивающий шарнирное соединение между швартовочной связью 152 и якорем (например, якорем 160). Также следует отметить, что соединительный элемент 158, показанный на фиг.5С, может быть использован в качестве соединительного элемента для соединения швартовочной связи 152 с опорой 106.
В некоторых случаях желательно отсоединять опору 106 от буровой установки 120. Один из таких примеров - когда буровую установку необходимо отбуксировать в другое место в море для выполнения нового бурения. Другой пример - когда буровая установка 120 находится на пути приближающегося большого айсберга или другого большого ледового объекта. В любом случае, при отсоединении опоры 106 и опускании ее к морскому дну 54 возникают проблемы. Поэтому составные швартовочные связи 152, соответствующие настоящему изобретению, созданы таким образом, чтобы сделать возможным опускание опоры 106 за счет кинематического сокращения.
Чтобы контролировать эту ситуацию, для определенных звеньев 155 швартовочных связей может быть обеспечена плавучесть. Фиг.6А представляет собой вид сверху звена 655 из стержней 610 с проушинами, которые могут быть использованы как часть звенной секции для описанной здесь системы 150 в альтернативном варианте реализации настоящего изобретения. Фиг.6В представляет собой вид сбоку звена 655 из стержней 610 с проушинами, показанного на фиг.6А.
Иллюстративное звено 655 включает два параллельных стержня 610 с проушинами. Однако может быть использовано и другое количество этих стержней 610. На фиг.6В стержень 610 с проушинами показан, в основном, пунктирной линией.
Каждый стержень 610 с проушинами имеет вытянутое тело 611 с противоположными концами 614. На каждом конце 614 есть сквозное отверстие 616. Сквозные отверстия выполнены таких формы и размера, чтобы в них помещался шарнирный соединитель, например, ось (не показана). Шарнирный соединитель соединяет соседние концы 614 стержней 610, таким образом обеспечивая соединение.
В конструктивном варианте, показанном на фиг.6А и 6В, звено 655 изготовлено отчасти из материала, который придает ему плавучесть. Плавучесть определяется как разность в весе плавучего материала и весе морской воды того же объема. Плавучий материал обозначен ссылочной позицией 652. Плавучие материалы известны в отрасли морской добычи нефти и газа и, в основном, представляют собой материалы с низкой плотностью и водонепроницаемостью. Примером плавучего материала является синтактическая пена с низкой плотностью на уровне 29 фунтов на кубический фут. Каждый кубический фут материала, весящего 29 фунтов, в морской воде дает 35 фунтов подъемной силы. Для глубин до 6500 футов могут потребоваться плотности в 36 фунтов на кубический фут.
В патенте США № 3622437 описан плавучий материал, который содержит полые сферы, состоящие из термопластичного полимера, которые помещены в матрицу из синтактической пены. Указано, что плавучий материал имеет низкую плотность на уровне 18-22 фунта на кубический фут. Могут использоваться и другие плавучие материалы, такие как твердая синтактическая пена, не содержащая микросфер, которая предлагается компанией Flotation Technologies, Biddeford, Maine. Настоящее изобретение не ограничивается типом или источником плавучего материала, если таковой имеется.
Плавучий материал 652 может быть прикреплен в виде отдельных элементов к противоположным сторонам определенных стержней 610 с проушинами. В качестве альтернативы, плавучий материал 652 может представлять собой сплошную оболочку вокруг отдельных стержней 610 с проушинами или значительной части звена 655 по длине. Плавучий материал 652 будет размещен только на определенных звеньях 655. В качестве альтернативы, все звенья будут иметь некоторое количество плавучего материала 652, но степень плавучести будет выборочно изменяться между звеньями или группами звеньев.
Звенья 655 созданы таким образом, чтобы не только уменьшить направленную вниз силу, которая в противном случае могла бы действовать со стороны системы 150 швартовки на буровую установку 100, но также и повысить способность швартовочных связей 152 к сокращению. Это выгодно, если требуется отсоединить опору 106 от буровой конструкции 120, чтобы эту конструкцию можно было отбуксировать в другое место в море. Это особенно выгодно, если оператор захочет быстро избежать столкновения с приближающимся айсбергом.
Фиг.7А представляет собой вид сбоку системы 150' швартовки для плавучей морской буровой установки 100 в альтернативном варианте реализации настоящего изобретения. Морская буровая установка 100, как и прежде, показана находящейся в морской среде 50. Уровень воды обозначен ссылочной позицией 52, а морское дно или подводное основание обозначено ссылочной позицией 54. В отличие от морской среды 50, показанной на фиг.1, морская среда 50 на фиг.7А включает большую ледовую массу 710, или ледовый пласт. Ледовый пласт 710 движется по пути, указанному стрелкой 712. Буровая установка 100 показана находящейся на этом пути.
Буровая конструкция 120 и прикрепленная к ней опора 106, составляющие буровую установку 100, находятся в положении для выполнения морских работ по добыче нефти и газа. Такие работы могут включать бурение, восстановление или добычу. На фиг.7А опора 106 остается прикрепленной к суженой части 108 буровой конструкции 120.
Буровая установка 100 удерживается на месте при помощи системы 150' швартовки. Система 150' швартовки состоит из множества якорей, расположенных на морском дне 54 в радиальном направлении вокруг опоры. Кроме того, система 150' швартовки содержит множество швартовочных связей 152. Первый конец каждой швартовочной связи 152, как и прежде, функционально соединен с опорой 106, а второй конец каждой швартовочной связи 152 функционально соединен с соответствующим якорем, например, якорем 560, показанным на фиг.5А.
Каждая швартовочная связь 152 включает множество звеньев 155, 655. Звенья 155, 655 связаны вместе с использованием сочленений, например, осей, помещенных в сквозные отверстия 216, показанные на фиг.2А. В системе 150' швартовки, показанной на фиг.7А, определенные звенья 655 включают материал, обеспечивающий плавучесть, например, плавучий материал 652. Эти звенья 655 перемещаются, стремясь всплыть, то есть на них действует небольшая положительная подъемная сила, в то время как звенья 154 стремятся погрузиться, то есть на них действует небольшая отрицательная подъемная сила. Звенья 655 обозначены стрелками, указывающими вверх, а звенья 155 обозначены стрелками, указывающими вниз.
Фиг.7В представляет собой вид сбоку системы швартовки, показанной на фиг.7А. На этом чертеже опора 106 отсоединена от буровой конструкции 120. Опора 106 также опущена в морскую среду к морскому дну 54. Это позволяет отбуксировать буровую конструкцию 120 с линии соударения (показана стрелкой 712) с ледовым пластом 710. Это также позволяет айсбергу 710 пройти мимо опоры 106.
На фиг.7В можно видеть, что с буровой конструкцией 120 соединено судно 720. Судно 720 тянет буровую конструкцию 120 на удаление от ледового пласта 710. Таким образом, буровую конструкцию 120 избавляют от удара ледовым пластом 710.
Для того чтобы стало возможным опускание опоры 106 к морскому дну 54, необходимо, чтобы швартовочные связи 152 имели способность сокращаться. На фиг.7В можно видеть, что швартовочные связи 152 сократились. Звенья 155 внутри связей 152, на которые не действует подъемная сила или действует небольшая отрицательная подъемная сила, стремятся погрузиться, в то время как звенья 655, содержащие плавучий материал, стремятся всплыть. Таким образом, система 150' швартовки может "сжиматься" при опускании опоры 106 на глубину, не позволяющую приближающемуся ледовому пласту 710 причинить вред.
Другой особенностью, которая, в качестве необязательного варианта, может быть обеспечена для описанных здесь систем швартовки, является возможность регулирования глубины плавания буровой установки 100. Иначе говоря, желательно изменять осадку буровой установки 100. Специалистам в данной области техники будет понятно, что осадка - это расстояние от уровня воды 52 до части опоры 106, расположенной на максимальной глубине.
В зимнее время и в другие месяцы с холодной погодой морская среда будет очень сильно покрыта льдом, и буровая установка будет подвергаться, главным образом, воздействию льда (а не воздействию волн). В это время предпочтительно, чтобы корпус 102 конической формы располагался в воде таким образом, чтобы его коническая часть находилась в воде для обеспечения большой площади контакта со льдом. Это повышает способность противостоять нагрузкам, создаваемым ледовыми пластами. Это также гарантирует, что воздействие льда всегда направлено по горизонтали и вертикально вверх, и, таким образом, не вызывает погружения плавучей буровой установки 100.
На фиг.7С приведена блок-схема, иллюстрирующая этапы способа 750 передислокации плавучей арктической конструкции. Способ 750, в качестве первого этапа, содержит обеспечение плавучей конструкции. Это показано в прямоугольнике 755. Плавучая конструкция может представлять собой, например, буровую установку 100, показанную на фиг.1.
Плавучая конструкция, в качестве основного компонента, включает платформу, на которой выполняются работы в морской среде. Плавучая конструкция также включает опору, обеспечивающую балласт и устойчивость ниже уровня воды в морской среде. Кроме того, плавучая конструкция ранее уже установлена в определенном месте в арктической морской среде при помощи системы швартовки. Система швартовки содержит множество швартовочных связей, имеющих первый конец и второй конец, причем каждая швартовочная связь имеет по меньшей мере два по существу жестких звена, скрепленных вместе с использованием шарнирных соединений. Система швартовки также включает множество якорей, установленных на морском дне. Каждый якорь закрепляет соответствующую швартовочную связь с ее второго конца. Система швартовки может представлять собой, например, систему 150 швартовки или систему 150' швартовки.
Способ 750 также включает отсоединение опоры от платформы. Это показано в прямоугольнике 760. Специалистам в данной области техники будет понятно, что опора может быть механически отсоединена от платформы для работы в море при том, что конструкция по-прежнему находится в воде.
Способ 750 далее включает опускание опоры ниже в морскую среду. Этот этап показан в прямоугольнике 765. Опору опускают на глубину ниже глубины приближающегося ледового пласта. Шарнирные соединения в швартовочных связях позволяют этим связям кинематически сокращаться при опускании опоры в морскую среду.
Способ 750 также включает перемещение плавучей конструкции в новое положение в морской среде. Это указано на фиг.7С в прямоугольнике 770. Новое положение, конечно же, не будет находиться на линии подхода ледового пласта. Таким образом, плавучую конструкцию избавляют от соударения с ледовым пластом.
I
Фиг.8А представляет собой вид сбоку системы 150 швартовки для плавучей морской буровой установки 100, показанной на фиг.1. На этом чертеже показано, что систему 150 швартовки настраивают таким образом, чтобы буровая конструкция 120 и прикрепленная к ней плавучая опора 106 располагались так, чтобы коническая часть корпуса 102 находилась в воде для обеспечения большой площади контакта со льдом. Осадка буровой конструкции 120 указана ссылочным обозначением D.
Летом, когда в морской среде возникают волны, предпочтительно поднимать корпус 102 конической формы, убирая его с пути приближающихся волн. В результате волны контактируют с той частью буровой конструкции 120, которая имеет минимальную площадь контакта, то есть суженой частью буровой установки 100. Это осуществляется путем уменьшения осадки.
W
Фиг.8В представляет собой другой вид сбоку системы 150 швартовки, показанной на фиг.1. В данном случае систему 150 швартовки настраивают таким образом, чтобы буровая конструкция 120 находилась выше уровня 52 воды. Это позволяет повысить устойчивость буровой конструкции 120 в условиях воздействия морских волн. Уменьшенная осадка указана ссылочным обозначением D.
В известной и обычно применяемой системе швартовки на основе металлических тросов длину различных швартовочных связей можно легко регулировать для соответствия изменению осадки. Например, отдельные связи можно намотать на барабан лебедки в месте соединения с судном. Однако в случае швартовочных связей 155 или 655, в которых применяются механические сочленения, может оказаться затруднительным изготовление связей, которые будут допускать регулирование длины. Поэтому для швартовочных связей, в качестве одного из возможных вариантов, здесь предлагается уникальная система регулирования.
В одном из вариантов реализации настоящего изобретения в системе регулирования применяется звено в виде балки с расширенными концевыми частями, поворачивающееся в выбранные положения. Это звено с расширенными концевыми частями может быть включено в состав соответствующих швартовочных связей 150 и исключено из него при необходимости. В предпочтительном случае звено в виде балки с расширенными концевыми частями оставляют в швартовочных связях 150, даже если оно не используется. Это проиллюстрировано на фиг.9.
Фиг.9 представляет собой вид сбоку верхней части плавучей опоры 106 буровой установки 100 в увеличенном масштабе. На этом виде показано поворачивающееся звено 900 в виде балки с расширенными концевыми частями. Звено 900 в виде балки с расширенными концевыми частями поворачивается вокруг оси 902, находящейся на ближнем конце этого звена. С противоположной стороны от оси 902 находится дальний конец 904 звена 900 в виде балки с расширенными концевыми частями. Этот дальний конец 904 прикреплен к соединительному элементу 156, который, в свою очередь, соединен со швартовочной связью (не показана).
w
W
В одном из конструктивных вариантов звено 900 в виде балки с расширенными концевыми частями свободно поворачивается с увеличением расстояния от опоры 106. В этом положении дальний конец звена 900 указан ссылочной позицией 904. Соответствующий вектор силы, действующей на опору 106 со стороны швартовочной связи, обозначен как F. В этом положении длина швартовочной связи, по сути, увеличивается. Это, в свою очередь, позволяет располагать опору 106 и соединенную с ней буровую конструкцию 120 в морской среде таким образом, чтобы избежать воздействия волн в соответствии с фиг.8В.
I
I
I
В альтернативном положении поворачивающееся звено 900 в виде балки с расширенными концевыми частями не имеет возможности поворачиваться с удалением от опоры 106. В этом положении дальний конец звена 900 указан ссылочной позицией 904. Соответствующий вектор силы, действующий на опору 106 со стороны швартовочной связи, обозначен как F. В этом положении длина швартовочной связи, по сути, уменьшается. Это, в свою очередь, приводит к опусканию опоры 106 и соединенной с ней буровой конструкции 120 в морскую среду с повышением способности противостоять нагрузкам, действующим со стороны льда. Это также уменьшает осадку, в результате чего осадка имеет величину D, соответствующую фиг.8А.
Из фиг.9 можно видеть, что существует взаимосвязь между зафиксированным положением звена 900 в виде балки с расширенными концевыми частями и изменением осадки. Эта взаимосвязь, в основном, является функцией от угла наклона швартовочной связи. При длине звена в виде балки с расширенными концевыми частями, составляющей 8 метров, и угле наклона связи, составляющим приблизительно 15 градусов, это звено обеспечит изменение осадки, равное 20 метрам. Разница в 20 метров проиллюстрирована на фиг.9. Для обеспечения большей или меньшей величины осадки можно использовать звенья в виде балки с расширенными концевыми частями другой длины.
I
W
Понятно, что звено 900 в виде балки с расширенными концевыми частями, показанное на фиг.9, является всего лишь иллюстративным. Для изменения осадки буровой установки 100 между D и D можно применять и другие конструктивные варианты регулируемого соединения. Например, оператор просто может добавить или удалить звено 900 в виде балки с расширенными концевыми частями в зависимости от водных условий. Любой конструктивный вариант позволяет оператору поднимать и опускать буровую установку 120 для соответствия либо условиям преобладания льдов, показанным на фиг.8А, либо условиям преобладания волн на море, показанным на фиг.8В.
На фиг.17, которая более подробно будет рассмотрена далее, представлен альтернативный конструктивный вариант соединения для изменения положения буровой установки 120. При альтернативном механизме соединения конец швартовочных связей можно избирательно размещать в верхней части плавучей опоры (показано ссылочной позицией 106').
Если рассматривать совместно фиг.1 и фиг.10, другой необязательной особенностью, которая может быть обеспечена для описанных здесь систем швартовки, является использование системы активного управления движением. Согласно одному из аспектов, для активного управления движением применяются движители 1020, расположенные на дне опоры 106, 106'. При их включении движители 1020 создают силу R в воде ниже уровня 52, которая может использоваться для поддержания буровой установки 100 в вертикальном положении.
На фиг.1 показана пара иллюстративных движителей 109, расположенных на дне опоры 106. Движители 109 представляют собой систему активного или динамического позиционирования, в которой используются датчики и управляемые компьютером гребные винты. Наличие движителей 1020 обеспечивает швартовку с помощью движителей. Например, движители 1020 могут представлять собой гребной винт любого типа (например, гребной винт с управляемым шагом, фиксированным шагом и/или с изменением направления тяги), двигатель малой тяги (подруливающее устройство), главный двигатель (с большой тягой) или водометный двигатель, и могут иметь такие свойства и особенности, как управление шагом, туннели для более тихой работы, возможность замены под водой и убирание. Двумя примерными устройствами приведения в движение являются установленный в гондоле двигатель AZIPOD, производимый ABB, и установленный в гондоле двигатель Mermaid™, производимый Kamewa™. Такая система содержит мощные двигатели (от 5 до 25 МВт на двигатель).
H
V
H
V
R
На фиг.10 приведен вид сбоку системы 150" швартовки для плавучей морской буровой установки, показанной на фиг.1. На этом чертеже показаны векторы сил, действующих на буровую установку 100 при ударе ледового пласта 1010. Из-за конической формы корпуса 102, ледовый пласт 1010 создает как горизонтальную силу F, так и вертикальную силу F. Сложение горизонтальной силы F и вертикальной силы F дает переворачивающую или наклоняющую силу F, действующую на буровую установку 100.
H
V
R
R
Против горизонтальной силы F и вертикальной силы F, действующих со стороны ледового пласта 1010, работает ряд противодействующих сил. С точки зрения базовой гидродинамической устойчивости, свойственный ему момент восстановления исходного положения обеспечивает кессон или другая опора с большой осадкой. Чтобы увеличить этот момент, можно добавить твердый балласт в нижнюю часть опоры. Можно увеличить подъемную силу у верхней части. Это может быть сделано, например, путем увеличения размеров емкостей в верхней части 103 и нижней части 107 опоры 106. Когда опора 106 наклоняется из-за приложения сил со стороны ледового пласта, момент, возникающий из-за разбалансирования силы тяжести и подъемной силы, стремится вернуть опору 106 в вертикальное положение. Иначе говоря, вес и размер погруженной опоры 106 обеспечивают наклоняющую силу C, которая противоположна по направлению наклоняющей силе F, созданной ледовым пластом 1010.
Описанные выше система 150 швартовки и ее составные части представляют собой всего лишь иллюстративные варианты реализации настоящего изобретения. Можно использовать и другие системы швартовки, в которых применяется множество по существу жестких звеньев, соединенных вместе. Например, вместо использования одного или более стержней 210 с проушинами для получения звена 155, можно объединить в связку множество длинных и полых трубчатых элементов. В этом случае звено будет гораздо длиннее отдельных стержней 210 с проушинами, и число соединений можно существенно уменьшить.
На фиг.12А представлен вид сбоку морской буровой установки 100. Морская буровая установка 100, как и прежде, включает корпус 102, имеющий, в общем, форму перевернутого конуса. На верхней стороне корпуса 102 имеется платформа 104, на которой выполняют бурение. На чертеже видно, что от платформы 104 вниз идет морской стояк 122, который проходит через оборудование 124 управления давлением, расположенное на морском дне 54, в земную поверхность. Корпус 102, платформа 104 и связанное с ними буровое оборудование вместе составляют буровую конструкцию 120.
Морская буровая установка 100 также включает опору 106'. В этом конструктивном варианте опора 106' имеет вытянутую рамную конструкцию, которая плавает в морской среде 50 в вертикальном положении. Опора 106' соединена с нижней стороной корпуса 102 при помощи суженой части 108. Верхняя часть 103 и нижняя часть 107 опоры 106' содержат отделения с управляемым балластом (не показаны) для удержания опоры 106' в вертикальном положении и устойчивом состоянии. Верхняя часть опоры 106', в качестве необязательного варианта, может использоваться для хранения текучих сред и оборудования для бурения.
Морская буровая установка 100 показана находящейся в морской среде 50. Если говорить более конкретно, морская буровая установка 100 показана плавающей в арктическом водном теле. Уровень воды обозначен ссылочной позицией 52, а морское дно или подводное основание обозначено ссылочной позицией 54. На фиг.12А морская среда 50 по существу свободна ото льда. Таким образом, это - условия, когда морские волны действуют на буровую установку 100 как реакция на ветер и течения. Однако понятно, что буровая установка 100 предназначена для круглогодичной работы в арктической среде, включая холодные зимние месяцы, когда в морской среде преобладает лед.
Чтобы сохранить положение буровой установки 100 в морской среде 50, обеспечена система 1250 швартовки. Система 1250 швартовки выполнена таким образом, что она отличается от системы 150 швартовки, показанной и рассмотренной с использованием фиг.1. Однако, как будет показано ниже с использованием фиг.13А-фиг.13С и фиг.14А-фиг.14С, в системе 1250 швартовки также применяется множество (по меньшей мере два и предпочтительно три или более) по существу жестких звеньев 1255, скрепленных вместе соединителями 1254.
Как и в случае системы 150 швартовки, система 1250 также включает множество якорей 1560. На фиг.12А показаны только два якоря 1560. Однако понятно, что система 1250 швартовки в предпочтительном случае включает по меньшей мере четыре и более предпочтительно от шести до десяти якорей 1560. Каждый якорь 1560 лежит на морском дне 54 на заданном расстоянии от опоры 106'. Якоря 1560 расположены на морском дне 54 в радиальном направлении вокруг опоры 106'. Понятно, что "в радиальном направлении" не предполагает точной окружности, но означает, что якоря 1560 избирательно располагают на удалении от опоры 106' и на морском дне 54 таким образом, чтобы реализовать функцию удержания в заданной точке.
Система 1250 швартовки также включает множество швартовочных связей 1252. Первый конец 1255А каждой швартовочной связи 1252 соединен с опорой 106', а второй конец 1258 каждой швартовочной связи 1252 соединен с соответствующим якорем 1560. Упомянутый первый конец соединен с опорой 106' у верхнего края 103 этой опоры. В этом положении первый конец обозначен ссылочной позицией 1255А. Это обеспечивает расположение опоры 106' и прикрепленной к ней буровой конструкции 120 ниже в морской среде 50. Как отмечено выше применительно к фиг.8А, это является выгодным в условиях преобладания льда в морской среде 50.
На фиг.12В представлен другой вид сбоку морской буровой установки 100. Можно видеть, что морская буровая установка 100 теперь в воде располагается выше. Как было рассмотрено применительно к фиг.8В, это состояние выгодно в условиях, когда морская среда по существу свободна ото льда. В этом состоянии на буровую установку 100 действуют морские волны. Так как корпус 102 находится значительно выше амплитуды волн, нагрузки, действующие со стороны волн, меньше, чем в случае расположения буровой установки 100 ниже в воде.
Чтобы сделать возможным расположение буровой установки 100 в воде выше, первый конец соединяют с опорой 106' у верхнего края 103 этой опоры, но в точке, находящейся ниже. В этом положении первый конец обозначен ссылочной позицией 1255В.
В конструктивных вариантах, показанных как на фиг.12А, так и на фиг.12В, швартовочные связи 1252 могут свисать с опоры 106' как цепи. Однако, в отличие от обычного металлического троса, используемого в качестве швартовочной связи, швартовочные связи 1252, показанные на фиг.12А и 12В, в предпочтительном случае удерживаются в натянутом состоянии.
Каждая швартовочная связь 1252 содержит два или более жестких звена 1255. В иллюстративном конструктивном варианте, показанном на фиг.12А, в каждой швартовочной связи 1250 имеется пара жестких звеньев 1252, в то время как на фиг.12В показано, что используются три жестких звена 1252. То, какое количество звеньев 1252 в реальности используется для соответствующих швартовочных связей 1250, является вопросом выбора разработчика, хотя предпочтительно, чтобы в каждой связи 1250 использовалось одинаковое число звеньев 1252.
Звенья 1252 соединены вместе с использованием соединителей 1254. Соединители 1254 могут представлять собой, например, оси, установленные в совмещенных сквозных отверстиях. В качестве альтернативы, соединители 1254 могут представлять собой универсальные шарниры или другие средства шарнирного соединения. В настоящем изобретении швартовочные связи 1252 не являются обычными тросами, цепями или якорными цепями, а содержат "натяжные элементы" 1255. Каждый натяжной элемент 1255, в свою очередь, содержит объединенный в связку комплект из трех или более отдельных трубчатых элементов, расположенных параллельно.
На фиг.13А приведен вид сбоку части натяжного элемента 1255 в одном из вариантов реализации настоящего изобретения. Различные трубчатые элементы обозначены ссылочной позицией 1310. Трубчатые элементы 1310 имеют противоположные концы, обозначенные ссылочной позицией 1312. Трубчатые элементы 1310 объединены в связку при помощи зажимов 1320 или других средств объединения в связку. Трубчатые элементы 1310, 1314 в предпочтительном случае изготовлены из стали, что обусловлено ее высокой прочностью на растяжение. Однако можно рассматривать применение и других материалов, таких как стекловолокно, керамика или композиты.
На фиг.13В и 13С приведены сечения натяжного элемента 1255, показанного на фиг.13А. На фиг.13В показано сечение плоскостью В-В, а на фиг.13С - сечение плоскостью С-С. В этом иллюстративном конструктивном варианте имеется восемь внешних трубчатых элементов 1310. Внешние трубчатые элементы 1310 расположены вокруг одного трубчатого элемента 1314 большего размера. Каждый трубчатый элемент выполнен полым, чтобы обеспечить плавучесть натяжного элемента 1255. На фиг.13С показано, что трубчатые элементы 1310, 1314 объединяет в связку зажим 1320.
На фиг.14А приведен вид сбоку части натяжного элемента 1455 в альтернативном варианте реализации настоящего изобретения. Как и прежде, различные трубчатые элементы обозначены ссылочной позицией 1410. Трубчатые элементы 1410 имеют противоположные концы, обозначенные ссылочной позицией 1412. Как и прежде, трубчатые элементы 1410 объединены в связку при помощи зажимов 1420 или других средств объединения в связку.
На фиг.14В и 14С приведены сечения натяжного элемента 1455, показанного на фиг.14А. На фиг.14В показано сечение плоскостью В-В, а на фиг.14С - сечение плоскостью С-С. В этом иллюстративном конструктивном варианте семь трубчатых элементов 1410 установлены по существу в одной плоскости. Каждый трубчатый элемент 1410, как и прежде, выполнен полым, чтобы обеспечить плавучесть натяжного элемента 1455. На фиг.14С показано, что трубчатые элементы 1410 объединяет в связку зажим 1420.
Как рассмотрено выше с использованием фиг.7А и 7В, иногда желательно отсоединять буровую конструкцию 120 от опоры 106'. Это может иметь место, например, когда буровую конструкцию 120 необходимо отбуксировать на берег для ремонта или временного хранения. Другой пример - когда буровая установка 100 находится на пути перемещения приближающегося большого айсберга. В любом случае, при отсоединении опоры 106' и опускании ее к морскому дну 54 возникают проблемы. В этой связи напомним, что изгиб по существу жестких натяжных элементов 1255 или 1455 при наличии сжимающих сил не предусмотрен.
Чтобы приспособиться к этой ситуации, установлены шарнирные соединители 1254, обеспечивающие швартовочным связям 1252 способность в определенной степени сокращаться. Это проиллюстрировано на фиг.15А и 15В. Сначала рассмотрим фиг.15А, на которой приведен вид сбоку системы 1250 швартовки. Система 1250 швартовки соединена с опорой 106'. На фиг.15А также можно видеть, что большой айсберг 1270В переместился по направлению I в зону над местом проведения буровых работ. При этом буровая конструкция 120 отсоединена от опоры 106' и перемещена из зоны над местом проведения буровых работ и из области причинения ущерба. Кроме того, опора 106' заполнена балластом и немного опущена в морскую среду 52.
На фиг.15А можно видеть, что опора 106' опущена на глубину ниже уровня 52 воды, достаточную для того, чтобы избежать контакта с айсбергом 1270В. Чтобы осуществить это, швартовочные связи 1252 согнуты в месте соединений 1254. Для конструктивного варианта, показанного на фиг.15А, изображено только одно соединение 1254 на каждой связи 1252, однако понятно, что каждая швартовочная связь 1252 может иметь два и, возможно, три или четыре соединения 1254. Согласно одному из аспектов, самое большое звено имеет длину 700 метров или более.
На фиг.15В приведен другой вид сбоку системы 1250 швартовки. Система 1250 швартовки соединена с опорой 106'. На фиг.15В также можно видеть, что в направлении I в зону над местом проведения буровых работ переместился еще более крупный айсберг 1270В. Буровая конструкция 120, как и прежде, отсоединена от буровой установки 100 и перемещена из зоны над местом проведения буровых работ и из области причинения ущерба. Кроме того, опора 106' заполнена балластом и немного опущена в морскую среду 52.
На фиг.15В можно видеть, что опора 106' опущена на глубину ниже уровня 52 воды, достаточную для того, чтобы избежать контакта с айсбергом 1270В. Чтобы осуществить это, швартовочные связи 1252 согнуты в месте соединений 1254 еще больше по сравнению с показанным на фиг.15А.
На фиг.16А и 16В проиллюстрировано одно примерное средство для соединения второго конца 1258 швартовочной связи 1252 с якорем 1660. На фиг.16А приведен вид сбоку швартовочной связи 1252 и якоря 1660, а на фиг.16В приведен вид сверху. В этом иллюстративном конструктивном варианте на самом конце швартовочной связи 1255 обеспечен поворотный соединитель 1655. Поворотный соединитель 1655 входит в установочное место 1658, прикрепленное к якорю 1660. Установочное место 1658 позволяет поворотному соединителю 1655 и прикрепленному к нему по существу жесткому звену 1255 поворачиваться.
На фиг.17 проиллюстрирован один из способов соединения первого конца 1256А или 1256В швартовочной связи 1252 с опорой 106'. На фиг.17 в увеличенном масштабе приведен вид сбоку опоры 106' у ее верхнего края 103. В этом иллюстративном конструктивном варианте на самом конце швартовочной связи 1255 установлен поворотный соединитель 1755. Поворотный соединитель 1755 входит в одно из двух установочных мест 1758А или 1758В, прикрепленных к опоре 106'. Установочные места 1758А или 1758В позволяют поворотному соединителю 1755 и прикрепленному к нему по существу жесткому звену 1255 поворачиваться.
Следует отметить, что установочное место 1758А расположено выше на верхнем крае 103 опоры 106', чем установочное место 1758В. Установка поворотного соединителя 1755 в установочное место 1758А будет приводить к опусканию буровой установки 100 ниже в морскую среду 50 в соответствии с фиг.12А. Установка поворотного соединителя 1755 в установочное место 1758В позволит поднять буровую установку 100 немного выше в морской среде 50 в соответствии с фиг.12В.
6
Использование по существу жестких звеньев, содержащих стержни с проушинами или натяжные элементы, либо другие металлические элементы, соединенные вместе с созданием швартовочной связи, вместе с использованием якорей на морском дне обеспечивает значительное улучшение качества швартовки, то есть улучшение способности к удержанию в заданной точке и повышение стойкости к высоким ледовым нагрузкам. Качество швартовки улучшается на порядок по сравнению с обычными системами швартовки за счет замены известных швартовочных связей на основе металлических тросов связями на основе по существу жестких конструктивных элементов. Внутри одного звена параллельно может быть установлено несколько стержней с проушинами или трубчатых элементов, чтобы улучшить упомянутое качество так, как это необходимо. Иначе говоря, за счет увеличения количества и/или размера стержней с проушинами или трубчатых элементов, либо других вытянутых металлических элементов, внутри каждого звена можно избирательно увеличивать способность каждой швартовочной связи к удержанию в заданной точке. Кроме того, для получения очень большой способности к удержанию в заданной точке, например, по меньшей мере приблизительно 100×10 Н, можно использовать ограниченное число швартовочных связей. Такая способность не может быть достигнута в случае известных швартовочных связей на основе тросов или цепей, так как потребуется настолько большое количество связей или цепей, что система швартовки станет нецелесообразно тяжелой и трудноустанавливаемой. Преимущество заключается в том, что жесткие металлические элементы будет легче установить и они могут быть установлены в более короткое время. Это выгодно в арктических регионах, где сезон монтажных работ в условиях открытой воды ограничивается наличием льдов.
Одним из требований к системе швартовки, кроме упомянутой способности к удержанию, является сохранение устойчивости плавучей буровой установки во время работы, то есть, поддержание вертикального положения буровой установки. Наклон плавучего средства (иногда называемый "углом крена", "углом при качке" или "дифферентом") должен удерживаться в пределах заданного допуска, чтобы сделать возможным проведение буровых работ. Допуск, как правило, составляет приблизительно 2 градуса наклона. Опора (например, опора 106 или 106') не создает длинного "рычага" для сопротивления переворачиванию под действием нагрузок со стороны льда. Это переворачивание возникает из-за того, что нагрузка со стороны льда приложена рядом с уровнем воды. При этом основные швартовочные связи (например, связи 1250) расположены несколько ниже уровня 52 воды, чтобы избежать их повреждения льдом. Специалистам в данной области техники будет понятно, что существует несколько путей поддержания опоры в пределах вертикального допуска. Одним из подходов является использование "вспомогательной" системы швартовки, например, связей 170, показанных на фиг.1.
На фиг.10 представлена пара иллюстративных движителей 1020, расположенных на дне опоры 106'. Движители 1020 представляют собой систему активного или динамического позиционирования с использованием датчиков и гребных винтов, управляемых компьютером. Наличие движителей 1020 обеспечивает швартовку с помощью движителей.
Движители 1020 представляют собой азимутальные движители. Азимутальный движитель представляет собой один или более корабельных винтов, размещенных в гондолах, которые можно поворачивать в любом направлении в горизонтальной плоскости. Применение движителей исключает необходимость наличия руля. Азимутальные движители улучшают маневренность кораблей и других плавучих средств по сравнению с системой из фиксированного гребного винта и руля. Кроме того, плавучие средства с азимутальными движителями, в общем, не требуют буксиров для доставки в док, хотя для них по-прежнему могут потребоваться буксиры для маневрирования в проблемных местах.
Во-вторых, швартовочные связи 1052 могут обеспечивать устойчивость буровой установки 100 при должном размещении. На фиг.10 показаны две иллюстративных швартовочных связи 1052. Швартовочные связи 1052 имеют множество звеньев (не показаны), соответствующих рассмотренным выше вариантам в виде звеньев 155 или 655. На чертеже вектором Т указана сила удержания в заданной точке, создаваемая одной из швартовочных связей 1052.
H
V
C
V
Понятно, что в реальной системе 150 швартовки будет, по всей вероятности, применяться более двух швартовочных связей 1052. Две или более швартовочных связей 1052 будут совместно воспринимать противодействующую нагрузку Т. В этом случае противодействующие нагрузки будут разделяться на Т1, Т2 и т.д. Однако, в целях иллюстрации, показана только одна швартовочная связь 1052, которая воспринимает противодействующую нагрузку Т. Противодействующая нагрузка Т разбита на горизонтальную силу T и вертикальную силу T. Если расстояние между местами прикрепления швартовочных связей достаточно велико (т.е. расстояние D), то вертикальный компонент T может работать как противодействующая нагрузка, обеспечивающая сопротивление переворачиванию.
Другим способом противодействия наклоняющей нагрузке Т является использование вспомогательного набора швартовочных связей. Такие вспомогательные швартовочные связи обозначены ссылочной позицией 170 на фиг.1. Для вспомогательных швартовочных связей необходимы более низкие рабочие характеристики, чем у основных жестких связей, поэтому их можно изготавливать по стандартам систем на основе традиционных связей из металлических тросов или полиэстера.
H
Наконец, движители 1020 обеспечивают динамическую силу R, помогающую сохранять вертикальное положение плавучей конструкции, представляющей собой буровую установку 100. Сила R, создаваемая движителями 1020, является горизонтальной силой, которая приложена в том же направлении, что и горизонтальная сила F со стороны ледового пласта 1010. Эта горизонтальная сила R на дне опоры 106 является прямым средством поддержания вертикальности опоры 106. Таким образом, движители 1020 становятся частью системы 150" швартовки, показанной на фиг.10.
Как можно видеть, арктическая плавучая буровая установка 100 вместе с системами швартовки в их различных вариантах реализации, которые здесь описаны, обладает способностью удерживаться в заданной точке постоянно, либо с небольшими перерывами, даже в условиях круглогодичного наличия льдов в высоких арктических широтах. Системы швартовки способны делать это без угрозы негативного влияния на них ледовых пластов. Заметим, что швартовочные связи в предпочтительном случае соединены с опорой ниже той глубины, где будут перемещаться ледовые пласты. При этом система швартовки выполнена с возможностью ее сокращения в том случае, если оператор захочет отсоединить буровую конструкцию от опоры и опустить опору ниже в воду, чтобы избежать контакта с айсбергом или в других целях.
Описанные здесь системы швартовки также совместимы с известными системами защиты ото льда морского стояка (не показан). Защита морского стояка может быть обеспечена путем помещения корпуса буровой конструкции в оболочку в непосредственной близости от места действия нагрузки со стороны льда. Один пример описан в патенте США № 4434741. Разумеется, представленные системы швартовки не ограничиваются видом плавучего средства.
T
Функция удержания в заданной точке, реализуемая описанными здесь системами швартовки, может быть оптимизирована путем выбора углов расположения отдельных определенных швартовочных связей по отношению к поверхности моря и путем выбора размеров опоры 106'. Углы расположения швартовочных связей и размеры опоры 106' могут быть оптимизированы таким образом, чтобы обеспечить стойкость к ожидаемым нагрузкам со стороны ледовых пластов, которые действуют в реальном диапазоне углов приложения, с одновременным снижением до минимума нагрузок внутри швартовочных связей. Согласно одному из аспектов, угол θ, составляющий приблизительно 30 градусов, в комбинации с опорой длиной 200 метров и шириной 70 метров достаточен для выполнения этой задачи. Специалистам в данной области техники будет понятно, что реальные конструктивные характеристики будут меняться в зависимости от варианта применения.
Что интересно, подбор угла расположения швартовочной связи может сделать возможным сохранение у связи, находящейся "с подветренной стороны", то есть связи, расположенной напротив швартовочной связи, на которую действует наибольшая нагрузка, практически неизменного натяжения. Это предотвращает сжатие "подветренной" связи и возможное появление из-за этого некоторых нежелательных перемещений буровой установки.
При использовании в швартовочной связи жестких звеньев возникает определенная проблема. Эта проблема заключается в том, что жесткость звеньев приводит к тому, что вся связь также становится относительно жесткой. Это, в свою очередь, означает, что необходима определенная степень точности при расположении якорей (например, якорей 160) в радиальном направлении вокруг опоры 106'.
В известных системах швартовки из металлических тросов увеличение или уменьшение длины связи легко обеспечивается наматыванием этой связи на барабан лебедки или разматыванием с барабана. Это снижает требования к точности размещения якорей. Однако, в случае описанных здесь систем швартовки, длину швартовочной связи не так легко отрегулировать с использованием оборудования, расположенного на борту, из-за высоких требований к мощности оборудования и необходимости отделять буровую конструкцию 120 при угрозе воздействия ледовых пластов. В дополнение к этому, трудно разместить якоря с соблюдением малого допуска, например, нескольких сантиметров. Поэтому желательно регулировать установочные допуски в системе швартовки.
Согласно одному из аспектов, на якорях 160 могут быть предусмотрены разные места 158 соединения. Однако даже этого может оказаться недостаточно для соблюдения подводных установочных допусков. В качестве альтернативы, во время установки можно применять центральный шаблон позиционирования в качестве ориентира для размещения различных якорей.
На фиг.11А приведена схема развертывания системы 1150 швартовки для плавучей конструкции. Плавучая конструкция, например, может представлять собой буровую установку 100, показанную на фиг.1. Этот способ отвечает требованиям установки по существу жестких швартовочных связей и соответствующих якорей в пределах приемлемых допусков быстрым образом и с минимальным вспомогательным оборудованием.
6
6
6
На фиг.11А можно видеть, что швартовочная связь 1152 и соответствующий якорь 1160 установлены в морской среде 56, то есть, не на берегу и под водой. Швартовочная связь 1152 содержит множество по существу жестких звеньев 1155, скрепленных вместе с использованием шарнирных соединений, таких как оси. Звенья 1155 в швартовочной связи 1152 могут содержать по меньшей мере два стержня с проушинами или могут содержать множество по существу полых трубчатых элементов. Швартовочная связь 1152 в предпочтительном случае способна выдерживать нагрузку, составляющую по меньшей мере приблизительно 10×10 Н и более предпочтительно - приблизительно до 100×10 Н. В более предпочтительном случае швартовочная связь 1152 способна выдерживать нагрузку приблизительно до 500×10 Н.
Первый конец 156 швартовочной связи 1152 выполнен таким образом, чтобы его можно было функционально соединять с кессоном (не показан), а второй конец 158 швартовочной связи 1152 выполнен таким образом, чтобы его можно было функционально соединять с якорем 160. Каждый из первого и второго концов 156 и 158 включает шарнирный соединитель, например, соединитель 158, показанный на фиг.5С. Швартовочная связь 1152, якорь 160 и соединители вместе составляют систему 1150 швартовки, указанную фигурной скобкой. В определенные звенья в швартовочной связи 1152 может быть помещен материал, увеличивающий подъемную силу.
Морское дно 1154 также показано как часть морской среды 56. На фиг.11А система 1150 швартовки показана подвешенной выше морского дна 1154. Стрелки 11А демонстрируют опускание системы 1150 швартовки на морское дно 1154. После их установки постоянные швартовочные связи 1152 будут идти от морского дна 1154 вверх к опоре. Если говорить более конкретно, якорь 160 будет прикреплен к морскому дну 1154, и постоянная швартовочная связь 1152 будет идти вверх от якоря 160 и будет прикреплена к опоре.
Чтобы зафиксировать якорь 160 в правильном положении относительно опоры, применяется шаблон 1110 позиционирования. Шаблон 1110 позиционирования в предпочтительном случае представляет собой тяжелый стальной башмак, предназначенный для установки на морском дне 1154. Шаблон 1110 позиционирования может представлять собой модифицированную версию бурового шаблона, обычно устанавливаемого на морском дне 1154, через который бурят скважины. Шаблон 1110 размещают на морском дне 1154 при выполнении способа развертывания системы 1150 швартовки. Это показано фигурной скобкой 1120. Шаблон 1110 позиционирования размещают на морском дне 1154 в положении под тем местом, где позднее для работы будет установлена опора.
Затем в морскую среду 56 опускают задающую связь 1152'. Эта задающая связь 1152' также указана в фигурной скобке 1120. Задающая связь 1152' может представлять собой часть швартовочной связи 1152, имеющую заранее определенную длину. В качестве альтернативы, задающая связь 1152' может представлять собой временную измерительную связь. В любом случае, задающую связь 1152' прикрепляют к якорю 160 у его конца 158. При этом якорь 160 еще не закреплен на морском дне 1154.
Далее задающую связь 1152' соединяют с шаблоном 1110 позиционирования. Чтобы выполнить этот этап, на шаблоне 1110 позиционирования предусмотрен направляющий кронштейн 1112. На фиг.11В показано, что направляющий кронштейн 1112 расположен на конце шаблона 1110.
На фиг.11В представлен вид части кронштейна 1120, показанного на фиг.11А, в увеличенном масштабе. Увеличенная область на фиг.11А указана ссылочной позицией 11В. На фиг.11В приведен вид сбоку направляющего кронштейна 1112 и шаблона 1110 позиционирования. Направляющий кронштейн 1112 обеспечивает шарнирное соединение шаблона 1110 и задающей связи 1152'. Как показано, с направляющим кронштейном 1112 соединена первая звенная секция 1155(1) задающей связи 1152'.
Длину задающей связи 1152' до первой звенной секции 1155(1) выбирают таким образом, чтобы точно соблюсти дистанцию между шаблоном 1110 и якорем 1160. Пользуясь преимуществом в виде жесткости задающей связи 1152', якорь 1160 полностью опускают в морскую среду 56 к морскому дну 1154 на соответствующем расстоянии от шаблона 1110 позиционирования. Якорь 1160 фиксируют на морском дне 1154 либо за счет силы тяжести, либо закрепляя путем забивания или за счет всасывания.
Описанный выше процесс позиционирования якоря 1160 повторяют с использованием задающей связи 1152'. При этом задающую связь 1152' отсоединяют от каждого якоря 1160 после того, как он размещен на морском дне 1154. В результате множество якорей 1160 позиционируют должным образом для будущего соединения с опорой. После этого шаблон 1110 позиционирования может быть удален и, возможно, перемещен в удаленное место.
Как только якоря 1160 зафиксированы на морском дне 1154, на место доставляют опору, например, опору 106'. Опору приводят в вертикальное положение. После чего между опорой и соответствующими якорями 1160 могут быть установлены соединяющие их швартовочные связи 1152. Шаблон 1110 позиционирования позволил разместить якоря 1160 с высокой степенью точности, в результате чего швартовочные связи 1152 можно без труда соединить с опорой.
Как только завершено присоединение опоры, оператор увеличивает ее осадку. Затем буровую конструкцию устанавливают на плаву над опорой и соединяют. Из опоры может быть частично удален балласт, чтобы достичь требуемого предварительного натяжения швартовочных связей 1152.
На фиг.11С и 11D приведена унифицированная блок-схема способа 1160 развертывания системы швартовки для плавучей конструкции. Система швартовки может соответствовать системе 1150 швартовки, показанной на фиг.11А, или системе 1250 швартовки, показанной на фиг.12А. Плавучая конструкция может представлять собой, например, буровую установку 100, показанную на фиг.12А. При этом плавучая конструкция, в качестве основного компонента, включает платформу, на которой выполняются работы в морской среде. Плавучая конструкция также включает опору, обеспечивающую балласт и устойчивость ниже уровня воды в морской среде.
Способ 1160 включает установку шаблона позиционирования на морском дне в месте выполнения работ на море, например, месте бурения. Это показано в прямоугольнике 1162 на фиг.11С. Шаблон позиционирования устанавливают под предполагаемым местом расположения опоры на месте бурения. Способ 1160 также включает обеспечение задающей связи. Это указано в прямоугольнике 1162. Задающая связь имеет первый конец, второй конец и множество по существу жестких звеньев, скрепленных вместе с использованием сочленений. Каждое звено содержит по меньшей мере один вытянутый металлический элемент.
Способ 1160 также включает соединение первого конца задающей связи с шаблоном позиционирования, а затем соединение второго конца задающей связи с якорем. Эти этапы приведены в прямоугольниках 1166 и 1168 соответственно. Якорь используется для фиксации задающей связи и, позднее, швартовочной связи при ее соединении с плавучей конструкцией.
Способ 1160 также включает закрепление якоря на морском дне. Это представлено в прямоугольнике 1170. Способ закрепления диктуется типом применяемого якоря. Например, если якорь просто выполнен в виде блока, он может быть зафиксирован за счет силы тяжести просто при установке его на морском дне. Если в якоре применяются сваи с всасыванием, то якорь закрепляют путем удаления грунта с морского дна и погружения такой сваи. Якорь закрепляется в соответствии с первой длиной.
Способ 1160 далее включает отсоединение первого конца задающей связи от шаблона позиционирования и отсоединение второго конца задающей связи от якоря. Эти этапы приведены в прямоугольниках 1172 и 1174 соответственно. В результате задающая связь становится свободной. Здесь необходимо отметить, что задающая связь может представлять собой временную измерительную связь, используемую для задания должной дистанции якоря от шаблона. В качестве альтернативы, задающая связь может представлять собой часть постоянной швартовочной связи, имеющую заранее определенную длину. В любом случае, этапы 1164-1174 повторяют для последующих якорей, чтобы должным образом расставить множество якорей вокруг шаблона позиционирования. Процесс повторения этапов показан в прямоугольнике 1176.
Способ 1160 также содержит обеспечение постоянной швартовочной связи. Это показано в прямоугольнике 1178. Швартовочная связь имеет первый конец, второй конец и множество по существу жестких звеньев, скрепленных вместе с использованием сочленений. Швартовочная связь, например, может соответствовать связи 150, показанной на фиг.1, связи 1152, показанной на фиг.11А, или связи 1250, показанной на фиг.12А.
Способ 1160 также включает функциональное соединение второго конца швартовочной связи с соответствующим якорем. Это показано в прямоугольнике 1180 на фиг.11D. Способ 1160 далее включает функциональное соединение первого конца швартовочной связи с плавучей конструкцией. Этот этап приведен в прямоугольнике 1182. В предпочтительном случае соответствующие первые концы соединены с плавучей конструкцией в верхней части опоры.
6
6
Этапы 1178-1182 затем повторяют для каждого из последующих якорей. В предпочтительном случае каждая установленная постоянная швартовочная связь способна выдерживать нагрузку по меньшей мере приблизительно 100×10 Н, действующую со стороны движущегося ледового пласта. Согласно одному из аспектов, нагрузка со стороны движущегося ледового пласта имеет горизонтальный компонент, и каждая швартовочная связь способна выдерживать горизонтальную нагрузку, составляющую по меньшей мере приблизительно 500×10 Н.
Описанное здесь изобретение не ограничивается морскими конструкциями, используемыми для установки буровых вышек. Это изобретение подходит для любого типа морского плавучего средства, работающего в арктических водах, где существует необходимость в защите от подвижных масс льда. Примеры включают опорные конструкции для добывающего оборудования, арктические исследовательские суда и места базирования в арктических водах военных или гражданских средств, обеспечивающих транспортировку людей и грузов.
Хотя очевидно, что описанное здесь изобретение в достаточной степени проработано, чтобы обеспечить указанные выше выгоды и преимущества, будет также очевидно, что в это изобретение можно внести модификации, вариации и изменения, не выходящие за пределы его сущности. Предложены усовершенствования, относящиеся к сохранению положения плавучего средства в сложных ледовых условиях, типичных для "высоких арктических широт".