МОРСКАЯ ГРАВИТАЦИОННО-СВАЙНАЯ ПЛАТФОРМА И СПОСОБ ПОСТАНОВКИ ЕЕ НА МОРСКОЕ ДНО
MARINE GRAVITY-PILED PLATFORM AND METHOD OF ITS INSTALLATION ON SEA BOTTOM

Изобретение относится к области гидротехнического строительства и может быть использовано при создании и эксплуатации морских гравитационных платформ для освоения углеводородных ресурсов континентального шельфа.
Известна платформа гравитационного типа, содержащая корпус с опорным фланцем в нижней части и с заглубляемой в дно юбочной частью (патент Франции №2335133).
Из этого же источника известен также способ создания и установки такой гравитационной платформы, включающий изготовление ее отдельных частей в доке, транспортировку платформы к месту установки и ее посадку на дно.
Недостаток данной платформы заключается в ее низкой устойчивости, особенно в условиях слабых грунтов морского дна, а также в ряде сложностей, возникающих при выводе платформы из дока и ее транспортировке, которые связаны с особенностями ее конструкции.
Практически тот же недостаток относится и к способу, поскольку основание платформы имеет увеличенный высотный размер фундамента из-за юбочной части, что приводит к увеличению стоимости дока и выводного канала в связи с необходимостью их углубления, а также усложняется проводка платформы от места сооружения к месту установки в условиях мелководного шельфа.
Отмеченные недостатки частично устранены в морской гравитационной платформе для исследования и освоения углеводородных ресурсов континентального шельфа (авт. свид. СССР №1318650).
Известная платформа содержит основание с верхним строением, гнезда в днище основания с установленными в них сваями с зазором, равным 0,01-0,02 диаметра сваи. Каждая свая представляет собой полый корпус, например, цилиндрической формы. Сваи устанавливаются в гнезда на глубину 1,0-1,5 своего диаметра. В верхней части корпуса сваи выполнена герметичная камера, обеспечивающая плавучесть сваи. В нижней открытой с торца части корпуса сваи имеются отверстия для выхода воды при задавливании сваи в грунт.
Данное решение является наиболее близким к заявленному в части устройства и принято в качестве прототипа.
Основным недостатком известной морской платформы является:
- недостаточная устойчивость платформы к воздействию факторов внешней среды (лед, волна, течение и т.д.). Это обусловлено наличием постоянного зазора между внутренней стенкой гнезда и наружным диаметром сваи, а также небольшой глубиной установки свай в гнездах основания платформы. Все это создает возможность для подвижки платформы относительно морского дна в период эксплуатации под действием внешних нагрузок. Платформа в процессе эксплуатации постоянно испытывает разнонаправленные и переменные по интенсивности воздействия факторов внешней среды, что приводит к ее перемещению по сложной траектории относительно точки установки. Кроме того, ситуация осложняется тем, что сваи установлены в гнездах с зазором и поэтому они не воспринимают растягивающие усилия, возникающие у передней грани основания под действием внешних нагрузок, что приводит к существенному снижению устойчивости платформы при действии опрокидывающего момента. Это создает угрозу возникновения аварийной ситуации. Отмеченная особенность поведения платформы также негативно сказывается на работе скважинного оборудования и трубопроводных нефтегазопромысловых систем, приводя к повышению их аварийности и сокращению срока службы.
В авт. св. СССР №1318650 также раскрыт способ постановки гравитационно-свайной платформы на морское дно.
Этот способ является наиболее близким к предлагаемому и предусматривает проведение следующих операций.
Перед установкой платформы на морское дно в воду сбрасываются сваи, которые благодаря наличию в верхней части сваи герметичной камеры, обладающей положительной плавучестью, а также боковых отверстий для выхода воздуха - в нижней части корпуса - займут в воде вертикальное положение.
Затем с помощью водолаза сваи заводятся под днище основания платформы и устанавливаются с зазором в гнезда. После заведения и установки всех свай в гнезда основания платформу погружают путем принятия балласта. При этом платформа своим весом вдавливает сваи в грунт до соприкосновения днища основания с грунтом.
Недостатками известного способа являются:
- сложность и большая трудоемкость заведения и установки свай в гнезда основания платформы. В известном решении это обеспечивается с помощью водолаза после доставки платформы на точку. Вероятность успешной реализации такой операции в реальной обстановке, особенно в сложных природных условиях шельфа северных морей (низкая температура воды и воздуха, большая мутность воды, течения и волны), крайне мала.
- наличие зазора между сваей и внутренней стенкой гнезда при вдавливании сваи в грунт может приводить к ее перекосу. В результате может происходить существенное увеличение сопротивления задавливанию сваи.
- в силу всегда имеющих место неровностей и неоднородностей морского дна, с помощью известного способа невозможно обеспечить плотный (сплошной) контакт всей поверхности днища основания платформы с поверхностью дна. Такой контакт может быть только локальным, в результате чего возникают неравномерные контактные напряжения, приводящие к деформации конструктивных элементов днища платформы.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является:
- в части устройства - повышение устойчивости и безопасности во время установки и эксплуатации платформы, а также надежности функционирования связанного с ней скважинного оборудования и трубопроводных нефтегазопромысловых систем в сложных условиях арктического шельфа, снижение эксплуатационных затрат;
- в части способа - упрощение, снижение трудоемкости и энергозатрат, а также расхода балласта (снижение установочного веса) при задавливание свай в грунт при одновременном повышении надежности установки платформы на дно.
Техническими результатами, которые обеспечиваются при реализации изобретения, являются следующие:
- повышение устойчивости платформы при одновременном упрощении ее изготовления, транспортировки, монтажа и обслуживания;
- снижение трудоемкости установки платформы на морское дно;
- снижение затрат на установку платформы за счет уменьшения сил сопротивления задавливанию свай в грунт морского дна;
- снижение расходов на эксплуатацию платформы за счет повышения надежности ее установки на дно;
- повышение надежности и безопасности эксплуатации всего комплекса морских инженерных сооружений и нефтегазопромыслового оборудования объекта за счет повышения устойчивости платформы;
- увеличение межремонтного периода скважинного оборудования и трубопроводных нефтегазопромысловых систем и связанное с этим снижение затрат на его обслуживание;
- снижение риска возникновения аварийных ситуаций, загрязнения окружающей среды по причине потери платформой устойчивости и нарушения в связи с этим условий нормальной эксплуатации скважинного оборудования и трубопроводных нефтегазопромысловых систем.
Поставленная задача решается тем, что в морской гравитационно-свайной платформе, которая имеет основание с верхним строением, полости в нижней части основания, сваи, корпус которых в верхней части выполнен в виде герметичной камеры, а в нижней - в виде открытого с торца патрубка с отверстиями (перфорацией), сваи имеют переменное сечение с наибольшим значением его площади для герметичной камеры, в процессе транспортировки платформы размещены в полостях, выполненных в виде контейнеров с отверстиями в донной части, площадь поперечного сечения которых больше площади поперечного сечения патрубка, но меньше площади поперечного сечения герметичной камеры, при этом контейнеры гидравлически связаны с источником давления рабочего наполнителя.
Кроме того, предлагается профили поперечного сечения контейнера и герметичной камеры выполнить одинаковыми и близкими по площади сечений. При таком варианте выполнения изобретения при заполнении контейнера обеспечивается снижение расхода рабочего наполнителя.
При этом профиль поперечного сечения контейнеров для размещения свай и герметичной камеры может иметь различную форму, том числе круга, квадрата либо прямоугольника. Возможны и другие варианты сечения контейнеров и герметичной камеры. Конкретный вариант определяется конструктивными особенностями платформы на этапе ее проектирования.
Профили поперечного сечения герметичной камеры и патрубка в нижней части сваи также могут быть одинаковыми. При выборе профиля патрубка необходимо учитывать свойства грунтов морского дна, определяющие усилие задавливания сваи.
Кроме того, контейнеры в донной части могут иметь крышки и размещаться преимущественно по периметру основания платформы. Крышки позволят исключить случайный выход свай из контейнеров, что обеспечит уменьшение высотного габарита платформы в ее нижней части при выходе из дока, а также исключит возможные осложнения и неэффективные энергозатраты при транспортировке платформы на точку.
Конструкция крышки может быть любой, например, съемной, сдвижной или другой. Однако такие конструкции для снятия крышки и открытия дна контейнера требуют проведения водолазных работ, что в сложных условиях шельфа северных морей увеличивает время и трудоемкость подготовки платформы к установке на дно.
Поэтому в качестве предпочтительного варианта предлагается выполнить крышку с ослабленным сечением. Профиль ослабленного сечения должен соответствовать профилю патрубка в нижней части сваи, а его площадь быть не меньше площади сечения этого патрубка, но меньше площади поперечного сечения герметичной камеры.
Степень ослабления сечения выбирается из условия, чтобы оно выдерживало вес «сухой» сваи, что обеспечит сечению дополнительный запас прочности после погружения платформы в воду. Разрушение ослабленного сечения и вывод сваи из контейнера могут быть осуществлены как балластированием герметичной камеры, так и нагнетанием в контейнер рабочего наполнителя.
Для повышения устойчивости платформы контейнеры для свай дополнительно могут быть размещены на «приливах» с внешней стороны основания платформы в области наибольших сжимающих напряжений в грунтовом основании. Такое размещение контейнеров обеспечивает повышение несущей способности сваи по грунту и, как следствие этого, приводит к повышению устойчивости платформы.
В качестве варианта выполнения также предусмотрено, что контейнеры гидравлически связаны с источником давления рабочего наполнителя в своей верхней части. Это после нагнетания и затвердевания рабочего наполнителя обеспечит жесткую заделку сваи в контейнере, позволит эффективно омоноличивать оголовок сваи в основании платформы и, тем самым, исключит ее подвижность при действии на платформу в процессе эксплуатации комплекса факторов внешнего воздействия и вызванных этими факторами горизонтальных, вертикальных и моментных нагрузок. При таком варианте выполнения изобретения за счет фиксированного вертикального положения свай дополнительно существенно снижаются силы сопротивления их задавливанию в грунт морского дна.
Также возможен вариант, когда герметичные камеры, расположенные в верхней части сваи, имеют гидравлическую связь с источником давления балласта для изменения степени плавучести свай. За счет наполнения герметичной камеры балластом она постепенно теряет плавучесть и выходит из контейнера. Также предусмотрена возможность обратного повышения степени плавучести свай и возвращения их в контейнеры, что обеспечивается заменой балласта на вещество с меньшей плотностью, вплоть до воздуха.
При таком варианте реализации изобретения расширяются функциональные возможности платформы и повышается эффективность ее установки на дно, поскольку появляется возможность как контроля степени выхода свай из контейнеров, так и их возвращения обратно.
Тем самым обеспечивается возможность оперативного проведения необходимых мероприятий в случае заклинивания сваи в контейнере либо в случае принятия решения об отказе в установке платформы на дно.
В части способа установки морской гравитационно-свайной платформы, который предусматривает установку свай в контейнеры, расположенные в основании платформы, погружение платформы с выведенными в вертикальное положение под ее основание сваями путем принятия платформой балласта, задавливание свай в грунт и постановку основания платформы на дно, предлагается сваи устанавливать в контейнеры в стационарных условиях перед выходом из дока и транспортировкой платформы на точку, после прихода на точку выводить сваи под основание платформы и осуществлять жесткую заделку их оголовков в контейнерах путем нагнетания в контейнеры рабочего наполнителя до их заполнения, ожидать затвердевания наполнителя, после чего балластировать платформу и устанавливать ее основание на дно.
В качестве рабочего наполнителя могут быть использованы цементный раствор, жидкий бетон, водо-песчаная пульпа либо другой пригодный материал.
При этом нагнетание рабочего наполнителя предлагается проводить в верхнюю часть контейнеров.
В качестве одного из вариантов реализации способа предлагается вывод свай из контейнеров перед нагнетанием в них рабочего наполнителя осуществлять путем придания сваям отрицательной плавучести, например производить заполнение балластом герметичных камер, расположенных в верхней части свай.
Благодаря такой совокупности признаков, находящихся в функционально-конструктивном единстве, обеспечивается новый, ранее не достигавшийся ни в прототипе, ни в других известных решениях эффект, состоящий в одновременном повышении устойчивости платформы и упрощении и удешевлении ее транспортировки, установки на морское дно и обслуживания.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана платформа в транспортном положении, на фиг.2 - схема размещения сваи в контейнере, на фиг.3 - платформа со сваями после нагнетания в контейнеры рабочего наполнителя, на фиг.4 - платформа после установки на дно, а на фиг.5 - схема расположения свай в днище основания платформы.
Морская гравитационно-свайная платформа содержит (фиг.1) основание 1 с верхним строением 2, контейнеры 3 с установленными в них сваями 4. Каждая свая представляет собой (фиг.2) открытый снизу полый перфорированный по верхней части боковой поверхности (на чертеже не показано) корпус (патрубок), например, цилиндрической формы. Перфорация верхней части боковой поверхности патрубка необходима для выхода воздуха из патрубка, что обеспечивает вертикальное положение свай при транспортировке платформы. При балластировке платформы и задавливании свай в грунт морского дна перфорация обеспечивает организованный выход воды и освобождает место для заполнения патрубка грунтом морского дна.
В верхней части корпуса сваи расположена герметичная камера 5, обеспечивающая положительную плавучесть сваи. Герметичные камеры могут иметь гидравлическую связь с источником давления балласта для изменения степени плавучести свай. Гидравлическая связь обеспечивается системой стационарных (в корпусе платформы) и гибких 6 (в полости контейнеров) трубопроводов.
Сваи по длине имеют переменное сечение с наибольшим значением его площади для герметичной камеры. Сваи размещены в контейнерах 3. Контейнеры (фиг.2) в нижней части имеют отверстия 7 для выхода свай. Площадь поперечного сечения отверстий 7 больше площади поперечного сечения патрубка, но меньше площади поперечного сечения герметичной камеры. Это исключает выпадение свай из контейнеров даже при их отрицательной плавучести. Отверстия 7 могут быть снабжены крышками 8.
Контейнеры, например, в своей верхней части, через патрубок 9 давления рабочего наполнителя и трубопроводы 10 рабочего наполнителя (фиг.3) гидравлически связаны с источником давления наполнителя 11.
Контейнеры выполнены в днище основания 1 платформы, преимущественно по его периметру (фиг.5). Дополнительно контейнеры могут быть размещены на приливах 12 с внешней стороны основания платформы.
Изобретение реализуется следующим образом.
В стационарных заводских условиях (например, сухом доке) осуществляют подготовку платформы к транспортировке на точку установки.
Для этого в контейнеры, выполненные в днище основания платформы, а также (при неблагоприятных свойствах грунтов морского дна и комплексе негативных факторов внешней среды на точке установки платформы с целью повышения ее устойчивости) в дополнительные контейнеры, размещенные на приливах с внешней стороны основания платформы, помещают сваи.
Для снижения высотного габарита платформы в ее нижней части при ее выходе из дока и исключения возможных осложнений и неэффективных энергозатрат при транспортировке дно контейнеров закрывают крышками.
Также в стационарных условиях выполняют обвязку системой стационарных и гибких трубопроводов для установления гидравлической связи, соответственно, полости контейнеров - с источником давления наполнителя, а герметичных камер (при некоторых вариантах выполнения изобретения) - с источником давления балласта для изменения степени плавучести свай.
После прихода платформы на точку проводят подготовку для ее установки на морское дно.
Для этого готовят рабочий наполнитель, в качестве которого может быть использован цементный раствор, жидкий бетон, водо-песчаная пульпа или другой известный и пригодный для этих целей материал. Для снижения затрат в качестве наполнителя целесообразно использовать водо-песчаную пульпу, которую легко приготовить непосредственно в месте установки платформы.
Приготовленный наполнитель с помощью агрегата нагнетают в полость контейнеров.
Предпочтительным представляется нагнетание наполнителя в верхнюю часть контейнеров, что позволит в полном объеме использовать конструктивные особенности свай, выполненных с переменным сечением и наибольшим значением его площади для герметичной камеры в верхней части сваи и сделать минимальными энергозатраты на разрушение ослабленного сечения крышки и вывод свай из контейнера.
Разрушение ослабленного сечения и вывод свай (или некоторых из них в соответствии с принятой схемой гидравлической обвязки) из контейнеров могут быть осуществлены также и заполнением балластом герметичных камер этих свай.
О разрушении ослабленного сечения судят по снижению давления рабочего наполнителя (или балласта при заполнении герметичных камер) по сравнению с наблюдавшимся до этого пиковым значением этого параметра.
Нагнетание наполнителя производят до полного выхода свай из контейнеров, посадки нижней части герметичных камер на дно контейнеров и полного заполнения полости контейнеров наполнителем, о чем судят по второму пику возрастания давления рабочего наполнителя.
После фиксации указанного факта нагнетание рабочего наполнителя прекращают и ожидают его затвердевания (омоноличивания, консолидации или потери подвижности - в зависимости от выбранного наполнителя). О времени окончания процесса затвердевания можно, например, судить по результатам предварительно проведенных экспериментов в аналогичных условиях с добавлением дополнительного интервала времени в количестве не менее 10-15% от экспериментально установленной величины.
Проведение указанных операций обеспечит жесткую заделку сваи в контейнере, что позволит эффективно зафиксировать (омонолитить) оголовок сваи в основании платформы. Тем самым полностью исключается подвижность сваи при действии на платформу комплекса факторов внешнего воздействия и вызванных этими факторами горизонтальных, вертикальных и моментных нагрузок как при задавливании сваи в грунт, так и при последующей эксплуатации платформы.
Задавливание свай в грунт и установку платформы на морское дно проводят путем ее балластировки.
За счет фиксированного вертикального положения свай дополнительно существенно снижаются силы сопротивления их задавливанию в грунт морского дна. В результате обеспечивается снижение необходимого установочного веса. Это дает возможность снизить расход балласта на установку платформы либо при неизменном расходе балласта уменьшить вес и, соответственно, материалоемкость корпуса самой платформы.
Указанный выше новый технический результат (снижение сил сопротивления задавливанию свай в грунт) позволяет также эффективно использовать изобретение при постановке платформ на мелководном шельфе в условиях, когда при балластировке платформы сложно обеспечить необходимый установочный вес.
Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенных в формуле изобретения, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию «новизна».
Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию «изобретательский уровень» проведен дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного технического решения. Установлено, что заявленное техническое решение не следует явным образом из известного уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».
Описанные выше новые, промышленно применимые технические решения составляют единый изобретательский замысел, отвечают, на наш взгляд, критерию изобретательского уровня, в связи с чем предлагаются к правовой охране патентом на изобретение.