ЗАЩИТА НЕПОДВИЖНОГО СУДНА ОТ НАДВИГАЮЩЕГОСЯ ЛЬДА
PROTECTION OF STATIONARY VESSEL FROM APPROACHING ICE

[0001] В настоящей заявке испрашивается приоритет по предварительной заявке на патент США № 62/087,504 поданной 4 декабря 2014, "ЗАЩИТА НЕПОДВИЖНОГО СУДНА ОТ НАДВИГАЮЩЕГОСЯ ЛЬДА", содержание которой включено в настоящее описание в качестве ссылки.
Область изобретения
[0002] Настоящее изобретение относится к защите неподвижных судов от морского льда. Более конкретно, настоящая технология направление на раскалывание морского льда, дрейфующего к неподвижному судну.
Предпосылки
[0003] Этот раздел предназначен для представления различных аспектов этой отрасли техники, которые могут быть связаны с иллюстративными вариантами настоящего изобретения. Считается, что настоящее изобретение способствует созданию основы для лучшего понимания конкретных аспектов предлагаемой технологии. Соответственно, следует понимать, что этот раздел следует воспринимать в этом свете и не обязательно как описание прототипа.
[0004] Внимание к арктическому бурению недавно вышло за пределы на мелководья, т.е. с глубин менее 100 м, на глубоководье, т.е. на глубины более 100 м. Однако арктические условия в сочетании с большой глубиной многократно усложняют проведение работ. Такие сложности вызваны проблемами с поддержанием неизменного положения судна, которое является способностью судна удерживать положение над определенным участком дна, например, скважиной.
[0005] Поддержание неизменного положения часто бывает важно для предотвращения возникновения напряжений в трубопроводе, связывающим судно с подводным месторождением и в тросах, связывающих судно с морским дном. Поддержание неизменного положения судна может осуществляться пассивно, например, причальными тросами, динамически, используя системы нагнетателей, или комбинацией этих двух способов. В арктических условиях поддержанию неизменного положения могут мешать плавучие морские льды. В то время как стационарные морские платформы находятся в непосредственном контакте с морским дном и могут выдерживать силы до десятков тысяч тонн, плавучие платформы заякорены на морском дне причальными системами, способными выдерживать силы в диапазоне 1000-2000 тонн.
[0006] Хотя подводные разработки могут стать жизнеспособной концепцией глубоководных разработок в Арктике, некоторые операции все же должны осуществляться с поверхности, такие как бурение подводных скважин или погрузка сырой нефти из подводного хранилища и другие. Применение известных технологий должны производиться в сезон чистой ото льда воды. Однако во многих местах в Арктике сезон чистой ото льда воды может быть ограничен, весьма переменчив и, в некоторые годы, может вообще не наступать. Соответственно, могут пригодиться системы защиты платформ и других судов от дрейфующего льда. Продление сезона чистой ото льда воды зависит от ледоколов, число которых может быть ограничено и которые дороги в эксплуатации.
Краткое описание изобретения
[0007] В иллюстративном варианте предлагается система защиты неподвижного судна от надвигающегося льда. Система содержит подводное основание, расположенное на морском дне, и нагнетатель, расположенный на подводном основании под поверхностью воды. Нагнетатель выполнен с возможностью дестабилизировать столб воды под надвигающимся льдом.
[0008] В другом иллюстративном варианте предлагается способ защиты местоположения на поверхности воды от надвигающегося льда. Способ содержит этапы, на которых обнаруживают надвигающийся лед и активируют устройство, создающее тягу, расположенное на морском дне, при этом нагнетатель дестабилизирует столб воды под надвигающимся льдом.
[0009] В другом иллюстративном варианте предлагается способ добычи углеводородов. Способ содержит этапы, на которых позиционируют судно в местоположении на поверхности моря. Нагнетатель, установленный на основании на морском дне, размещают рядом с этим местоположением. Углеводороды добывают из скважины, используя судно. Обнаруживают лед, надвигающийся на судно. Активируют нагнетатель для дестабилизации столба воды подо льдом.
Краткое описание чертежей
[0010] Преимущества настоящего изобретения будут более понятны из нижеследующего подробного описания со ссылками на приложенные чертежи, где:
[0011] Фиг. 1 - схематическая диаграмма применения заякоренных нагнетателей для защиты неподвижного судна от надвигающегося плавучего льда.
[0012] Фиг. 2 - схематическая диаграмма, показывающая нагнетатели, разламывающие надвигающийся плавучий лед.
[0013] Фиг. 3 - схематическая диаграмма, показывающая единственный нагнетатель, дестабилизирующий столб воды под надвигающейся льдиной.
[0014] Фиг. 4 - единственный нагнетатель, который можно использовать для разламывания надвигающегося плавучего льда.
[0015] Фиг. 5 - схематическая диаграмма точки бурения, показывающая расположение датчиков и нагнетателей, которые можно использовать для защиты судна.
[0016] Фиг. 6 - диаграмма последовательности этапов способа добычи углеводородов с использованием нагнетателей для разламывания плавучего льда до того, как он достигнет точки бурения.
[0017] Фиг. 7 - диаграмма последовательности этапов способа применения нагнетателей для разламывания плавучего льда до того, как он достигнет точки на поверхности.
Подробное описание
[0018] Далее следует подробное описание конкретных вариантов предлагаемой технологии. Однако в той степени, в которой нижеследующее описание относится к конкретным вариантам или конкретному применению настоящего изобретения, оно имеет только иллюстративные цели и направлено просто на описание вариантов. Соответственно, настоящее изобретение не ограничивается конкретными вариантами, описанными ниже, но включает все альтернативы, модификации и эквиваленты, входящие в истинную изобретательскую идею и объем, определяемый приложенной формулой.
[0019] Как было описано выше, защита судна или судов в положении на поверхности моря от надвигающегося льда может представлять проблемы, особенно при глубоководных операциях. Соответственно, варианты настоящего изобретения обеспечивают защиту ото льда, надвигающегося на местоположение на поверхности. Нагнетатели смонтированы в положениях вдоль морского дна и применяются для дестабилизации водяного столба под плавучими льдами. Дестабилизация водяного столба может привести к разлому плавучего льда на фрагменты, которые не создают такого большого давления на судно. В некоторых вариантах нагнетатель можно использовать для управления фрагментами льда, такими как торосы и айсберги, отводя их от судна.
[0020] Нагнетатели можно устанавливать дугами перед судном, например, в общем направлении надвигающегося плавучего льда для разламывания или отклонения плавучего льда прежде, чем он достигнет судна. В некоторых вариантах подводное основание содержит направляющие (или пути), установленные на морском дне. Нагнетатели могут быть установлены на рельсе, что позволяет изменять положение двигателей более эффективно. Например, рельс могут быть закреплены на причальных сваях, например, на вакуумных сваях, используемых для причаливания судна на месте. Можно использовать комбинации таких технологий для создания множества линий защиты. Например, фиксированные нагнетатели можно устанавливать по дуге перед судном, а рельс можно проложить рядом с фиксированными нагнетателями, что позволяет по ере необходимости перемещать на место дополнительные нагнетатели. Точно также, вокруг защищаемого местоположения можно проложить несколько рядов рельсов с установленными нагнетателями для защиты судов, что позволяет по мере необходимости множество нагнетателей на каждом из рельсов переместить на нужное место.
[0021] Нагнетатели могут управляться и получать питание с защищаемого судна или могут иметь отдельную систему питания, управления, или обе эти системы. В некоторых вариантах нагнетатели могут иметь датчики для обнаружения объектов, например, морских животных, судов, плавучего льда и пр. Обнаружение объектов можно использовать для регулировки глубины нагнетателя в водяном столбе, для выключения нагнетателя или для того и другого, чтобы предотвратить столкновения и повреждения.
[0022] На фиг. 1 показана схематическая диаграмма использования заякоренных нагнетателей 102 для защиты судна 104 от надвигающегося плавучего льда 106. Судно 104 может быть буровым судном, применяемым для бурения скважины 108 до месторождения, расположенного под морским дном 110. Однако, согласно настоящему изобретению, с помощью предлагаемой технологии можно защищать любое количество судов, включая танкеры, плавучие хранилища, погрузочные и добывающие суда и т.п. Если судно 104 находится на глубоководье, например, на глубине более 100 м, оно не может непосредственно контактировать с морским дном 110. В этом примере важно поддерживать положение для защиты оборудования и труб, проходящих между судном 104 и морским дном 110, например, водоотделяющей буровой колонны 112.
[0023] Положение можно поддерживать с помощью причальных тросов 114, например, соединенных со сваями 116, забитыми в дно 110. Сваи 116 можно заглублять в морское дно вакуумной забивкой. Вакуумные сваи втягиваются в мягкую поверхность морского дна, когда открытый конец сваи вводят в контакт с морским дном и, затем, откачивают воду из камеры, расположенной на вершине сваи. В некоторых вариантах положение можно поддерживать винторулевыми колонками 118 на судне 104. Можно также использовать комбинации этих технологий, например, используя причальный трос 114 для удержания судна 104 на месте, а винторулевые колонки 118 использовать для поддержания натяжения причального троса 118 и удержания судна 104 от поперечных перемещений.
[0024] Надвигающийся плавучий лед 106 или ледяные торсы 107 могут приближаться к судну 104 и мешать поддержанию положения, например, заставляя судно отсоединить водоотделяющую буровую колонну 112 от скважины 108, поднимать ее и уходить с пути льда. Применение нагнетателей 1-2 в водяном столбе 120 может ослабить остроту проблемы, создаваемой плавучим льдом 106. Нагнетатели 102 можно расположить на подводном основании, прикрепляя нагнетатели 102 к основанию фалами 122. Подводное основание может содержать раму и одну или более сваю. Рама, которую называют "фундамент", можно крепить к сваям 126, забитым в дно 110. Сваи 126 можно забивать в морское дно 110 или они могут быть вакуумными сваями. В других вариантах нагнетатель можно крепить к основанию 116, используемому для причаливания неподвижного судна 104. Например, причальные тросы для бурового судна 104 можно крепить к серии вакуумных свай, расположенных вокруг судна. Каждая из вакуумных свай также может использоваться как точка крепления для анкерного крепления нагнетателей 102. Это позволит перемещать нагнетатели в положения, находящиеся между надвигающимся плавучим льдом 106 и неподвижным судном.
[0025] Кабель 128 питания и управления может проходить от судна 104 к каждому фалу 122 для подачи питания на нагнетатель 102, прикрепленный к этому фалу 122. В некоторых вариантах для подачи питания на нагнетатель 102 можно использовать подводный генератор. Далее, питание можно подавать на нагнетатели 102 от береговой электростанции, в зависимости от удаленности месторождения от берега, напр., в пределах 50 миль от берега или менее.
[0026] Нагнетатели 102 могут быть изготовлены из нескольких корабельных гребных установок, таких как туннельные нагнетатели, выпускаемые, помимо прочих, компаниями Rolls-Royce PLC, Лондон, Англия и Thrustmaster, Техас, США. Выбор размеров нагнетателей 102 может зависеть от положения судна 104 и вероятного типа встречающегося льда, например, однолетний лед, двухлетний лед и т.п. В некоторых вариантах нагнетатели 102 могут иметь мощность от прибл. 180 кВт до 1 МВт, тогда как в других областях нагнетатели могут иметь мощность от прибл. 3 МВт до прибл. 8 МВт.
[0027] Поскольку нагнетатели 102 могут забирать воду сверху и выбрасывать ее снизу, фал 122 остается натянутым. Далее, фал 122 может быть свернут в спираль, чтобы нагнетатель 102 мог перемещаться по вертикали в водяном столбе 120 так, чтобы фал 122 не провисал. Нагнетатель 102 может менять свое вертикальное положение в водяном столбе за счет регулировки его плавучести. Это позволяет применять нагнетатели 102 на разных глубинах и избегать подвесных подводных гряд торосистого льда.
[0028] В некоторых вариантах нагнетатель 102 может быть выполнен с возможностью реверсирования потока, т.е. забирать воду в нижней части нагнетателя 102 и выбрасывать ее вверх. Это может позволить нагнетателю отклонять торосы 107 от судна 104, когда они имеют слишком большой размер, чтобы их разламывать. В этом случае нагнетатель 102 можно устанавливать не на фундаменте 124 с помощью гибкого фала 122, а размещать на подводном основании, крепя нагнетатель прутком или другой жесткой деталью. Пруток может быть шарнирно прикреплен к дну, что позволит опускать нагнетатель в водяном столбе 120, например, чтобы избежать столкновения.
[0029] На фиг. 2 приведена схематическая диаграмма, показывающая нагнетатели 102, разбивающие надвигающийся плавучий лед 202. Ссылочные позиции обозначают те же элементы, что и на фиг. 1. В этом примере нагнетатели 102 выполнены с возможностью втягивать воду через верх 204 и выбрасывать воду через низ 206, как показано стрелками. отсасывание воды из-под плавучего льда 202 может заставить его проваливаться под действием собственного веса, как показано трещинами 208, образующимися в плавучем льде 202. Фрагменты 210, образовавшиеся в результате проваливания, слишком малы, чтобы создавать проблемы для поддержания местоположения судна.
[0030] Фалы 122 можно использовать для задания вертикальной глубины 212, на которой нагнетатели 102 удерживаются под поверхностью 214 океана. Глубину 212 можно выбрать с учетом комбинации факторов, включая ожидаемый размер плавучего льда 202, зазора, необходимого для работы судов в этой области, и размера нагнетателей 102. В разных вариантах нагнетатели 102 можно устанавливать на глубинах от 5 до 30 м под поверхностью.
[0031] На фиг. 3 приведена схематическая диаграмма одного нагнетателя 102, дестабилизирующего водяной столб 300 под щитом 302 плавучего льда. Ссылочные позиции обозначают те же элементы, что и на фиг. 1 и 2. Как описано выше, нагнетатель 102 может забирать входную воду 304 через верх 204 и выбрасывать выходную воду 306 через низ 206. Этот поток может понизить давление в водяном столбе 300 под щитом 306 льда, что приведет к потере опоры щитом 302 льда. В щите 302 льда могут образоваться трещины 308 и, по мере движения поля льда над нестабильным водяным столбом 300, эти трещины могут распространяться по полю 302, разламывая его на меньшие фрагменты.
[0032] Вода, выбрасываемая из низа 206 нагнетателя 102, может течь через решетку или другую структуру, отклоняющую поток в сторону. Это полезно для предотвращения эрозии океанского дна под нагнетателем 102, которая может привести к потере надежности крепления свай 126.
[0033] Хотя нагнетатели 102 могут разламывать щиты 302 льда и плавучий лед 202, они также могут быть полезны для борьбы с более крупными ледяными структурами, такими как ледяные торосы. Например, поток от нагнетателей 102 можно использовать для изменения пут движения ледяного тороса, отводя его от судов. Это можно делать с помощью вихревого движения и вдавливания, которые создают на поверхности над нагнетателем 102, например, водоворот. Можно использовать систему управления для определения, каким образом использовать нагнетатели 102 для отклонения более крупных ледяных структур.
[0034] На фиг. 4 представлен чертеж одного нагнетателя 102, который можно использовать для разламывания надвигающегося плавучего льда. Ссылочные позиции обозначают те же элементы, что и на фиг. 1-3. Как было описано выше, нагнетатель 102 соединен с фалом 122, по которому также можно подавать питания и осуществлять управление. Входная вода 304 засасывается в открытый верх 204 винтом 402 нагнетателя, который приводится во вращение двигателем 404. Двигатель 404 может быть электродвигателем или гидравлическим двигателем, например, приводимым в действие потоком морской воды от насоса на судне. Выходная вода 306 выбрасывается через низ 206 нагнетателя 102. Как описано выше, для отклонения потока выходной воды 306 для предотвращения прямого удара в дно моря можно использовать решетку, что уменьшает эрозию вокруг крепежных свай или рельсов.
[0035] Нагнетатель 102 может иметь отсеки 408 плавучести, которые можно использовать для увеличения или уменьшения глубины нагнетателя 102. Отсеки 408 плавучести могут быть, например, полыми сосудами, которые можно частично или полностью заполнять воздухом от компрессора на судне. Отсеки 408 плавучести могут быть неэффективны при регулировке глубины, когда нагнетатель 102 находится в работе, поскольку генерируемая тяга может стремиться вытолкнуть нагнетатель 102 ближе к поверхности воды. Однако Отсеки 408 плавучести могут быть полезны для опускания нагнетателя 102, чтобы избежать удара с объектом, когда нагнетатель 102 включен. Такие объекты можно обнаруживать или идентифицировать разными средствами, такими как датчик 410, установленный на нагнетателе 102. Когда обнаруживается приближающийся объект, такой как судно или морское млекопитающее, помимо прочих, нагнетатель 102 можно выключить, опустить на большую глубину или сделать и то и другое вместе.
[0036] Нагнетатель 102 можно установить на фале 122 с помощью рамы 412, отходящей от фала 122 к внешнему кожуху 414. Помимо открытых верха 204 и низа 206, внешний кожух 414 может иметь другие отверстия 416, которые можно использовать для желания дифференциальной тяги, если это необходимо. Одно или более из боковых отверстий 416 может быть выполнено с возможностью перемещать нагнетатель 102 вбок, например, наклонять вбок. Величиной тяги, создаваемой этими отверстиями 416, можно управлять с помощью заслонок 418, которые можно открывать или закрывать управляющим сигналом, посылаемым оператором 420 с судна.
[0037] На фиг. 5 приведена схематическая диаграмма точки 500 бурения, на которой показано расположение датчиков 502 и нагнетателей 102, которые можно использовать для защиты судна 104. Ссылочные позиции обозначают те же элементы, что и на фиг. 1. В этом примере судно 104 защищают два набора нагнетателей 102. Первый набор установлен на рельсе 504, что позволяет перемещать нагнетатели 102 по мере необходимости. Второй набор нагнетателей 102 расположен внутри рельса 504, например, в направлении дрейфующего льда относительно судна 10. Рельс 504 также позволяют уменьшить общее количество необходимых нагнетателей 102, позволяя перемещать нагнетатели вперед и назад поперек фронта надвигающегося льда.
[0038] В том примере ледовый щит 510 движется в направлении 512 дрифта к судну 104. Далее, в ледовый щит 510 могут быть впаяны ледяные торосы 514. Вокруг судна 104 можно определить три зоны для реагирования на надвигающийся лед. Во внешней зоне, определенной первым кругом 516, обнаруживают надвигающийся лед, такой как ледовый щит 510 и торосы 514 и отслеживают их для определения мер, которые следует принять. Внешняя зона может иметь радиус прибл. от 10 до 40 км или больше.
[0039] Средняя зона может определяться кругом 518, например, с радиусом от 2 до 10 км. Датчики 502, например, сонары, можно установить вдоль второй линии 518 для определения подхода льда. Надвигающийся лед можно обнаруживать и другими средствами, например, по спутниковым изображениям, оптическими средствами или непосредственным наблюдением. Среднюю зону можно использовать как зону управления для борьбы со льдом. Например, нагнетатели 102, установленные на рельсе 504, можно переместить по окружности в положение для разламывания ледового щита 510 на фрагменты 520, по мере того как этот щит пересекает линию нагнетателей 102. Второй набор нагнетателей 102, установленных внутри рельса 504, можно использовать для дальнейшего раскалывания ледового щита 510 или для отклонения по меньшей мере части ледяных торосов 514. Второй набор нагнетателей 102 также можно установить на рельсе, чтобы их работа была более эффективной. Для отклонения торосов 514, которые слишком велики, чтобы отклоняться нагнетателями 102, можно использовать ледокол 522. Применение нагнетателей 102 для разламывания большей части ледового щита 510 может позволить ледоколу 522 работать более эффективно, использовать меньшее количество ледоколов или даже единственный ледокол 522 для защиты судна 104 от надвигающегося льда.
[0040] Внутреннюю зону можно определить третьим кругом 524. Третий круг 524 может находиться в 1-2 км от судна 104 и может быть определен на таком расстоянии, которое дает судну 104 достаточно времени, чтобы обезопасить и отсоединить бурильную водоотделяющую колонну от скважины или другие подводные соединения, чтобы отойти от надвигающегося льда.
[0041] На фиг. 6 показана диаграмма последовательности этапов способа 600 добычи углеводородов, используя нагнетатели для разламывания льда до того, как он достигнет рабочего местоположения, например, точки бурения. Способ 600 начинается с этапа 602, на котором позиционируют судно в положении на поверхности моря. На этапе 604 на дне моря устанавливают нагнетатель, прикрепленный к основанию. На этапе 606, во время добычи углеводородов с помощью судна, обнаруживают надвигающийся лед. На этапе 608 активируют нагнетатель для дестабилизации водяного столба подо льдом.
[0042] На фиг. 7 показана диаграмма последовательности этапов способа 700 использования нагнетателей для разламывания льда до того, как лед достигнет положения на поверхности. Способ 700 начинается с этапа 702, на котором обнаруживают лед, приближающийся к положению на поверхности. На этапе 704 активируют нагнетатель, закрепленный на морском дне для дестабилизации водяного столба подо льдом.
[0043] Хотя в предлагаемые технологии можно внести различные изменения и придать им альтернативные формы, описанные выше варианты были приведены только для примера. Однако следует понимать, что эти технологии не ограничиваются конкретными вариантами. Предлагаемые технологии включают все альтернативы, модификации и эквиваленты, охватываемые изобретательской идеей и объемом приложенной формулы изобретения.