МОРСКОЕ ПЛАВУЧЕЕ ОСНОВАНИЕ ДЛЯ ДОБЫЧИ, ХРАНЕНИЯ И ВЫГРУЗКИ, ИСПОЛЬЗУЕМОЕ В ПОКРЫТОЙ ЛЬДОМ И ЧИСТОЙ ВОДЕ (ВАРИАНТЫ)
MARINE PLATFORM FOR EXTRACTION, STORAGE AND DISCHARGE USED IN ICE AND OPEN WATER (VERSIONS)

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Приоритет данной заявки заявляется по заявке на патент США №12/006,486, поданной 2 января 2008 года.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение, в целом, относится к плавучим морским основаниям арктического класса и морским плавучим основаниям для чистой воды, используемым для поисково-разведочной работы и морской добычи нефти и газа. Более конкретно, данное изобретение относится к плавучему морскому основанию, предназначенному для добычи, хранения и выгрузки нефти и газа, имеющему монолитный многоугольный корпус отличной от корабля формы, окружающий центральную конусообразную буровую шахту, которая обеспечивает присоединенную массу, увеличивает период собственных колебаний при бортовой и вертикальной качке и снижает динамическое усиление и резонансные колебания, также указанное морское основание содержит отсеки, предназначенные для балласта и хранения нефти. На внешней стороне корпус имеет плоские поверхности и острые углы для разрезания ледяных покровов, противодействия ледовым нагрузкам и для разрушения льда, а также для отведения ледяных торосов от данной конструкции, а также содержит регулируемую систему водяного балласта, которая вызывает вертикальную, бортовую, килевую и продольно-горизонтальную качку основания с целью его позиционирования и маневрирования для выполнения операций по разрезанию, разрушению и перемещению льда.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Разработка месторождений нефти и газа в морях, покрытых льдом, например Пильтун-Астохское месторождение, находящееся на некотором расстоянии от острова Сахалин, в России, в Охотском море, представляет собой сложную задачу для проектировщиков полупогружных оснований и морских плавучих оснований для добычи, хранения и выгрузки (ПОДХВ). Охотское море отличается опасными штормовыми ветрами, сильным волнением, обледенением судов, интенсивными снегопадами и плохой видимостью. Поверхность моря покрыта ледяным покровом толщиной в диапазоне 1-2 м, который перемещается со скоростью 1-2 узла. Глыбы льда (за один год или несколько лет) могут нарастать до 25 м в глубину. Поверхность моря покрыта льдом обычно в пределах от 150 до 230 дней в году, при этом когда море свободно от льда (так называемое «поле чистой воды»), высота волн изменяется в пределах 1-3 м, но может достигать 19 м в высоту в условиях шторма, случающегося раз в сто лет. Указанные области также отличаются частой и сильной сейсмической активностью. Глубина воды в этих местах достигает 40-300 м.
Для работы в воде, в основном с глубиной около 12-50 м, было создано небольшое количество подвижных морских буровых установок. Сахалинская энергетическая инвестиционная компания модифицировала и обновила буровое основание арктического класса, известное как Molikpaq, представляющее собой один якорь-опору (заделанная в дно стальная обсадная труба) с конструкцией, выдерживающей сопротивление льда, которое первоначально было создано для разработки месторождения нефти в море Ботфорта, Канада. Это основание является подвижным, однако заделанная в дно стальная конструкция с полой центральной частью, заполненной песком, обеспечивает сопротивление нагрузкам окружающей среды. Основание Molikpaq не предназначено для хранения, поэтому оно было видоизменено путем добавления основания стального понтона и установлено нижней частью на фиксированной глубине 30 м в Пильтун-Астохской области в 16 км от северо-восточного побережья О.Сахалин в Охотском море. Независимая плавучая установка для хранения и выгрузки (ПУХВ) используется в соединении ее основания с фиксированной за счет силы тяжести нефтедобывающей платформой.
К другим типам платформ, которые используются в покрытых льдом водах, включая гравийные острова или острова изо льда, относятся закрепленные платформы и обычные плавучие платформы. Гравийные острова или острова изо льда ограничиваются глубиной воды до 10 м.
Платформы, закрепленные на опорных фермах, неспособны противодействовать значительным боковым усилиям, создаваемым обширными ледяными полями и скоплениями плавучих льдин. В общем, можно утверждать, что в арктической зоне глубина воды составляет свыше 60 м, поэтому плавучие основания являются неизбежными в данном проекте. Давление одного или нескольких торосов с возможной осадкой в 20-30 м является достаточно сильным, чтобы разрушить закрепленные арктические платформы.
Существует несколько патентов, непосредственно относящихся к арктическим платформам и основаниям.
В патенте США №3696624 (Bennett) приведено описание лопастных колес двухстороннего вращения, установленных на носу плавучих платформ или судна для разрезания ледовых полей, находящихся в очень холодной воде. Указанные лопастные колеса, в общем, вращаются в горизонтальной плоскости в паре в противоположных направлениях, так что на данную конструкцию или корабль не действует вращающий момент. Колеса с лопастями могут использоваться для разрезания толстой секции льда, и/или лопастные колеса могут быть наклонены или расположены так, чтобы совершать колебательное движение вверх и вниз для разрезания большой вертикальной секции. Указанное устройство обеспечивает распространенный и дорогостоящий механизированный способ обработки льда в течение большого периода времени года, когда вода покрыта льдом в арктической зоне.
В патенте США №3807179 (Stone) приведено описание устройства с гидравлическим приводом, обеспечивающего защиту колонн морских сооружений от динамических воздействий льда, в котором вокруг колонны поддерживается множество подвижных в вертикальном направлении поднимающих лед элементов и средств, обеспечивающих перемещение указанных элементов вверх по отношению ко льду для разрушения крупных блоков льда из пакового льда. Разрушающие лед элементы могут быть объединены с наклонными пластинами, обеспечивающими воздействие направленных вверх усилий на лед.
В патенте США №4103504 (Ehrlich) приведено описание полужесткой поверхности контакта между подвижным ледяным полем и неподвижной морской платформой с использованием множества тросов, проходящих от точек, расположенных по периферии платформы выше покрытой льдом воды, к соответствующим точкам на подводной части сооружения с образованием предохраняющего щита из равномерно разнесенных вокруг сооружения тросов. Указанные тросы затем могут быть приведены в колебательное движение с заданными частотами для уменьшения тем самым сил трения между льдом и сооружением с дополнительным включением частоты собственных колебаний окружающего ледяного поля, обеспечивающей его саморазрушение. Между тросами и данным сооружением для предотвращения нарастания льда за тросами используется сжимаемый баллон или заполнитель. Указанный способ противодействия льду является неэффективным и требует обеспечения технического обслуживания тросов. Кроме того, воздействия льда не везде являются равномерными, в основном они оказывают влияние в направлении перемещений льда, поэтому невозможен равномерный подъем корпуса сооружения вследствие приложения контактной нагрузки льда на корпус. Соответственно, натяжение от якорного крепления на тросах на разных якорных оттяжках является различным. Кроме того, для противодействия крупному льду требуется массивное сооружение.
В патенте США №4433941 (Gerwick, Jr. и др.) приведено описание конструкции плавучего корпуса, обладающего возможностями для разрушения льда, который заякорен с помощью гибких якорных оттяжек, проходящих вертикально от буровой шахты в корпусе к морскому дну непосредственно под корпусом. Натяжение якорных оттяжек обеспечивается средствами натяжения, расположенными внутри буровой шахты, с целью втягивания корпуса вниз к местоположению ниже его нормального плавучего положения с существенным устранением тем самым вертикальной качки корпуса. Когда ледовая масса входит в контакт с указанным корпусом, натяжение якорных оттяжек ослабевает, позволяя корпусу совершать колебания относительно льда с созданием усилий, необходимых для разрушения льда.
В патенте США №4457250 (Oshima и др.) приведено описание морского плавучего сооружения, имеющего главный корпус с нижним корпусом и множество стоек, поддерживающих платформу выше уровня моря, которые заякорены с помощью якорных оттяжек у местоположения в открытом море. Указанное сооружение приспособлено для использования как в условиях покрытого льдом, так и в свободном ото льда море путем регулирования объема балластной воды, содержащейся в балластной цистерне или цистернах, выполненных в нижнем корпусе и/или стойках. Оно также заставляет скопление плавучих льдин разрушаться под воздействием направленного вниз изгибного действия, вследствие напряжения при изгибе, возникающем при их перемещении в морской воде вдоль входящей в контакт со льдом поверхности стойки, которая расположена с наклоном, направленным внутрь и вниз. Ограниченная контактная площадь стоек обусловливает ограниченную эффективность разрушения льда. Кроме того, при такой конструкции невозможно обеспечить большое хранилище.
Имеется несколько патентов, относящихся к основаниям с конфигурацией корабля и заякоренным плавучим основаниям с формой вертикального цилиндра, которые используются для хранения нефти и сжиженного природного газа (СПГ) в море в чистой воде.
В патенте США №4606673 (Daniell) приведено описание стабилизированного буя, предназначенного для работ на больших глубинах моря, содержащего удлиненный подводный корпус, имеющий заданный объем и заданную площадь поверхности свободной воды, при этом нижние участки корпуса соединены с морским дном якорными оттяжками. Указанный корпус содержит камеры для хранения нефти и различные балластные камеры, обеспечивающие стабилизацию и поддержание постоянного центра тяжести указанного буя на заданном расстоянии ниже центра величины. Через сквозной проход в корпусе проходит система водоотделяющей колонны, при этом продольные колебания плавучей камеры водоотделяющей колонны имеют такую же амплитуду, с которой данный корпус поддерживает натяжение, действующее на систему водоотделяющей колонны, сводя к минимуму продольные колебания. Напряжения при изгибе в системе водоотделяющей колонны между дном моря и указанной плавучей камерой сводятся к минимуму за счет поддержания заданного постоянного расстояния между центром тяжести и центром величины при различных условиях нагрузки на буй. Камеры с переменным балластом в корпусе проходят выше камер для хранения нефти.
В патенте США №6945736 (Smedal и др.) приведено описание полупогружной платформы, предназначенной для бурения или добычи углеводородов в море, состоящей из корпуса, который поддерживает буровое и/или нефтегазодобывающее оборудование на верхней поверхности. Корпус платформы выполнен в виде вертикального плоскодонного цилиндра, снабженного по меньшей мере одним периферическим круговым вырезом, расположенным в нижней секции указанного цилиндра, поскольку центр величины полупогружной секции платформы расположен ниже центра тяжести платформы. Эта конструкция подобна конструкции буя, описанной в патенте США №4606673, за исключением отсутствия внутри нее подвижных частей, наличия диаметра, превышающего осадку, а также расположения центра тяжести ниже центра величины. Круговой вырез, который обеспечивает сведение к минимуму бортовой и килевой качки полупогружной секции является небольшим по сравнению с размером диаметра/величины крена основания, при этом кромки, расположенные выше и ниже указанного выреза, создают вихревые потоки в воде, проходящей через вырез. Соответственно, снижается эффективность демпфирования бортовой и килевой качки небольшим вырезом, а также эффективность регулирования массивного вертикального плавучего цилиндра.
В патенте США №6761508 (Haun) приведено описание плавучей отдельной платформы-спутника (ППС), предназначенной для разработки месторождений нефти и газа на больших глубинах моря, которая имеет кинематические характеристики с вертикальной осевой симметрией и развязку с гидродинамическими особенностями конструкции. Вокруг основания корпуса расположена демпфирующая движение юбка, которая конструктивно выполнена для облегчения установки различных шлангов и водоотделяющей колонны. Втягиваемый центральный узел используется в пониженном положении для регулирования центра тяжести и высоты метацентра для снижения воздействия ветровой нагрузки и моментов на сооружение, обеспечения боковых участков для демпфирования и объема для добавленной массы для противодействия бортовой качке. Центральный узел используется для настройки реакции системы в сочетании с демпфирующей юбкой корпуса и стабилизаторами. Центральный узел также содержит сепараторы, расположенные ниже палубы плавучей платформы, способные к подъему и опусканию по отдельности или в виде модуля, служащие для придания остойчивости плавучему сооружению путем смещения центра тяжести вниз.
Вышеуказанные основания с конфигурацией корабля и заякоренные плавучие основания цилиндрической формы, которые используются для хранения нефти и сжиженного природного газа (СПГ) в чистой морской воде, включая конструкции по типу буя, не имеют ни разрушающих или обрабатывающих лед систем в конструкции основания, ни наружной конструкции с любой выдерживающей воздействие льда формой. Таким образом, рассмотренные типы оснований и платформ не относятся к сооружениям арктического класса и не подходят для противодействия покрытым льдом водам вблизи арктической зоны.
Предлагаемое изобретение, в целом, отличается от известных устройств и указанных патентов, в частности, тем, что морское плавучее основание для добычи, хранения и выгрузки имеет монолитный отличный от конфигурации корабля корпус, по существу, цилиндрической или многоугольной конфигурации, окружающий центральную сдвоенную сужающуюся конусообразную буровую шахту и содержащий отсеки для водяной балластной системы и для хранения нефти и/или сжиженного газа. Внешние боковые стороны многоугольного корпуса имеют плоские поверхности и острые углы, обеспечивающие разрезание ледовых щитов, выдерживающие и разрушающие лед, и отводящие торосы от данного сооружения. Регулируемая система водяного балласта вызывает вертикальную, бортовую, килевую и продольно-горизонтальную качку основания для динамического позиционирования, а также маневрирования основания с целью выполнения операций по разрезанию, разрушению и перемещению льда. Конфигурация буровой шахты обеспечивает присоединенную массу, способную увеличивать период собственных колебаний при режимах бортовой и вертикальной качки, снижает динамическое усиление и резонансные колебания, обусловленные волнами и движением основания, а также облегчает маневрирование основания. Указанное основание может быть заякорено с возможностью отсоединения с помощью турельного буя, который размещен в опорной раме у нижней части буровой шахты и к которому присоединены гибкие скважинные водоотделяющие колонны и якорные оттяжки.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Таким образом, целью данного изобретения является создание морского плавучего основания для добычи, хранения и выгрузки, предназначенного для поисково-разведочной работы и добычи нефти и газа, которое эффективно противодействует, разрушает и обрабатывает плавучие и неподвижные ледовые щиты и торосы.
Другой целью данного изобретения является создание массивного морского плавучего основания для добычи, хранения и выгрузки, предназначенного для поисково-разведочной работы и добычи нефти и газа, которое обладает большой силой инерции, противодействующей ледовым покровам, и способно перемещать и обрабатывать торосы.
Еще одной целью данного изобретения является создание массивного морского плавучего основания для добычи, хранения и выгрузки, размер которого доведен до максимально реального размера и возможности изготовления, транспортировки, установки и технического обслуживания и которое закрепляется или системой якорной цепи, или за счет динамического позиционирования в покрытой льдом воде.
Еще одной целью данного изобретения является создание морского плавучего основания для добычи, хранения и выгрузки, в котором вес и эксплуатационная полезность корпуса увеличены за счет размещения хранилища для нефти и/или сжиженного газа, фиксированного и переменного балласта, бурового и добывающего оборудования, оборудования насосной системы для балласта и нефти и/или сжиженного газа и оборудования выгружающей системы.
Еще одной целью данного изобретения является создание морского плавучего основания для добычи, хранения и выгрузки, которое содержит систему постановки на якорь и/или систему динамического позиционирования с регулируемой системой водяного балласта для сообщения основанию вертикальной, бортовой, килевой и продольно-горизонтальной качки и, соответственно, обеспечения динамического разламывания, изгибания и продвижения ледовых щитов путем изгибного разрушения льда.
Еще одной целью данного изобретения является создание морского плавучего основания для добычи, хранения и выгрузки, которое содержит систему постановки на якорь и/или систему динамического позиционирования с регулируемой системой водяного балласта для сообщения основанию вертикальной, бортовой, килевой и продольно-горизонтальной качки и тем самым обеспечения динамического толкания и поворота основания с целью удаления торосов в проходе данной конструкции.
Еще одной целью данного изобретения является создание морского плавучего основания для добычи, хранения и выгрузки, в котором наружная конструкция имеет многоугольную конфигурацию с плоскими поверхностями и острыми углами, обеспечивающую разрезание ледовых щитов, противодействие и разрушение льда и отведение торосов от данной конструкции.
Еще одной целью данного изобретения является создание морского плавучего основания для добычи, хранения и выгрузки, обладающего производственными возможностями для внутреннего хранения и добычи бурением, которые не подвергаются неблагоприятным воздействиям сейсмической активности.
Еще одной целью данного изобретения является создание морского плавучего основания для добычи, хранения и выгрузки, содержащего проем центральной буровой шахты, предназначенный для скважинного бурения, технического обслуживания и добычи и защищающий проходящие через него водоотделяющие колонны.
Еще одной целью данного изобретения является создание морского плавучего основания для добычи, хранения и выгрузки, содержащего проем центральной сдвоенной сужающейся конусообразной буровой шахты для обеспечения присоединенной массы, способной увеличивать период собственных колебаний при режимах бортовой и вертикальной качки и уменьшать вертикальную и бортовую качку.
Еще одной целью данного изобретения является создание морского плавучего основания для добычи, хранения и выгрузки, содержащего конфигурацию сдвоенной сужающейся конусообразной центральной буровой шахты, которое увеличивает период собственных колебаний при вертикальной качке путем уменьшения площади поверхности свободной воды без значительного воздействия на момент инерции.
Еще одной целью данного изобретения является создание морского плавучего основания для добычи, хранения и выгрузки, содержащего несколько устройств, обеспечивающих добавление гидродинамической присоединенной массы, способной увеличивать период собственных колебаний при режимах бортовой и вертикальной качки, снижать динамическое усиление и резонансные колебания, обусловленные волнами и движением основания, а также облегчать маневрирование основания.
Еще одной целью данного изобретения является создание морского плавучего основания для добычи, хранения и выгрузки, содержащего демпфирующие потоки устройства для динамической стабилизации основания.
Еще одной целью данного изобретения является создание морского плавучего основания для добычи, хранения и выгрузки, содержащего выполненную с возможностью отделения турельную систему якорного крепления, которая обеспечивает присоединение гибких водоотделяющих колонн и якорных оттяжек, а также обеспечивает двойные средства постановки на якорь для присоединения якорных оттяжек как к турели, так и к основанию.
Другой целью данного изобретения является создание морского плавучего основания для добычи, хранения и выгрузки, содержащего выдвижную килевую цистерну с балластом, которая обеспечивает возможность регулирования центра тяжести основания с обеспечением заданного расчетного значения.
Еще одной целью данного изобретения является создание морского плавучего основания для добычи, хранения и выгрузки, которое является конструктивно простым и легко транспортируется.
Другие цели данного изобретения будут очевидны по мере прочтения последующего описания и формулы изобретения.
Вышеуказанные цели и другие цели данного изобретения достигаются при помощи морского плавучего основания для добычи, хранения и выгрузки, имеющего монолитный отличный от формы корабля корпус, по существу, цилиндрической или многоугольной конфигурации, окружающий центральную сдвоенную сужающуюся конусообразную буровую шахту и содержащий отсеки для водяной балластной системы и для хранения нефти и/или сжиженного газа. Внешние боковые стороны многоугольного корпуса имеют плоские поверхности и острые углы, обеспечивающие разрезание ледовых покровов, противодействующие и разрушающие лед и отводящие торосы от данного сооружения. Регулируемая система водяного балласта вызывает вертикальную, бортовую, килевую и продольно-горизонтальную качку основания для динамического позиционирования, а также маневрирования основания с целью выполнения операций по разрезанию, разрушению и перемещению льда. Конфигурация буровой шахты обеспечивает присоединенную массу, способную увеличить период собственных колебаний при режимах бортовой и вертикальной качки, снижает динамическое усиление и резонансные колебания, обусловленные волнами и движением основания, а также облегчает маневрирование основания. Указанное основание может быть заякорено с возможностью отсоединения с помощью турельного буя, который выполнен с возможностью размещения в опорной раме у нижней части буровой шахты и к которому присоединены гибкие скважинные водоотделяющие колонны и якорные оттяжки.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 и 2 показывают соответственно вид в аксонометрии и вид сверху первого варианта выполнения морского плавучего основания в соответствии с данным изобретением, имеющего многоугольную внешнюю конфигурацию с плоскими боковыми поверхностями и острыми углами, показанное вместе с производственным оборудованием, расположенным на верхней палубе;
Фиг.3 и 4 схематически показывают виды основания сбоку, иллюстрирующие буровую шахту и турельный буй, выполненный с возможностью отсоединения, в отсоединенном и соединенном положении вместе с прикрепленными водоотделяющими колоннами и якорными оттяжками;
Фиг.5 показывает продольный разрез основания, иллюстрирующий буровую шахту, а также внутренние отсеки для хранения нефти и водяного балласта;
Фиг.6, 7 и 8 представляют собой поперечные разрезы основания по линиям 6-6, 7-7 и 8-8, показным на фиг.5, иллюстрирующие буровую шахту, а также внутренние отсеки для хранения нефти и водяного балласта;
Фиг.9 показывает схематически вид сверху основания, иллюстрирующий размеры от центра буровой шахты до внешних поверхностных углов корпуса, а также от центра буровой шахты до наружных углов буровой шахты в соответствии с таблицей 1;
Фиг.10 показывает поперечный разрез опорной рамы турели;
Фиг.11 представляет собой вид сбоку в разрезе турельного буя, выполненного с возможностью отсоединения, иллюстрирующий соединители якорных оттяжек и водоотделяющие колонны, прикрепленные к нижней части;
Фиг.12 схематически показывает вид сбоку варианта выполнения основания, содержащего туннели для поступления воды и якорных оттяжек, проходящих от буровой шахты к наружной части;
Фиг.13 и 14 схематически показывают вид сбоку другого варианта выполнения основания, содержащего туннели для поступления воды и якорных оттяжек, проходящих от буровой шахты к наружной части, а также выдвижную килевую цистерну, показанную соответственно во втянутом и выдвинутом положении;
Фиг.15 схематически показывает вид сбоку второго варианта выполнения основания, подходящего для использования в чистой воде;
Фиг.16А, 16В и 16С схематически показывают виды сбоку различных расположений якорных оттяжек для основания;
Фиг.17 и 18 схематически иллюстрируют взаимодействие соответственно ледовых щитов и торосов с основанием, показанным на фиг.1;
Фиг.19 схематически иллюстрирует поведение основания, показанного на фиг.1, в первом и втором положении при водяном балласте, смещенном для сообщения основанию вертикальной, бортовой, килевой качки и продольного рыскания с целью динамического разрезания, изгибания и отталкивания ледовых щитов в сторону.
ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЙ ВАРИАНТ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.1-8 схематически показан предпочтительный вариант выполнения плавучего морского основания 10 для добычи, хранения и выгрузки. Основание 10 имеет монолитный корпус 11 отличной от корабля многоугольной формы, выполненный из листовой стали, окружающий центральную конусообразную буровую шахту 13. Наружные боковые стенки 12 корпуса 11 имеют плоские поверхности и острые углы для разрезания ледяных покровов, противодействия ледовым нагрузкам и для разрушения льда, а также для отведения ледяных торосов от данной конструкции, как будет изложено в дальнейшем. Наружные стенки 12 могут иметь двухслойную конструкцию. В предпочтительном варианте выполнения многоугольная конструкция корпуса имеет нечетное количество боковых сторон, например, в виде девятистороннего многоугольника или девятиугольника. Центральная буровая шахта 13 также может иметь многоугольную конусообразную форму с нечетным количеством плоских боковых сторон и углов или конусообразную по существу цилиндрическую форму с цилиндрическими боковыми стенками. Указанная конструкция содержит нижнюю стенку 14, окружающую нижний конец буровой шахты 13, и верхнюю стенку, образующую верхнюю палубу D, окружающую верхний конец буровой шахты 13, для размещения надводного бурового и/или нефтегазодобывающего оборудования и жилых помещений. Центральная буровая шахта 13 выполнена с обеспечением доступа к скважине и водоотделяющей колонне и выполняет дополнительные функции, рассмотренные ниже.
На фиг.4, 5 и 9 схематически показан типовой предпочтительный вариант выполнения основания и расположение его буровой шахты, имеющей форму девятистороннего многоугольника или девятиугольника, также см. таблицу. Размеры, приведенные в столбце D1, обозначают расстояние от центра буровой шахты 13 до внешних наружных углов или вершин корпуса 11, а размеры, приведенные в столбце D2, обозначают расстояние от центра буровой шахты до ее наружных углов или вершин.
Высота, фут (м)
D1 - наружные вершины, фут (м)
D2 - внутренние вершины, фут (м)
Описание
0
171' (51,3)
32'-6" (9,7)
Киль
65 (19,5)
171' (51,3)
32'-6" (9,7)
Уровень киповой планки
90 (27)
118'-6" (35,5)
32'-6" (9,7)
111 (33,3)
118'-6" (35,5)
Сужение в наружном направлении
134 (40,2)
Сужение в наружном направлении
70' (21)
144 (43,2)
Сужение в наружном направлении
70' (21)
Уровень тихой воды
154 (46,2)
Сужение в наружном направлении
70' (21)
170 (51)
167 (50,1)
Сужение внутрь до 39' (11,7)
Нижняя часть основной палубы
185 (55,5)
167 (50,1)
Горизонталь до 10' (3)
Верхняя часть основной палубы
Внешний нижний конец данной конструкции содержит шестиугольный киль 15 с боковыми стенками, которые проходят вертикально вверх от нижнего конца до высоты около 65 футов (19,5 м) с горизонтальным размером от центра конструкции до внешних наружных углов около 171 фута (51,3 м), а затем проходят под углом внутрь и вверх, формируя меньшую секцию с горизонтальным размером около 118,5 фута (35,5 м) на высоте около 90 футов (27 м), далее указанная меньшая секция продолжается вертикально вверх до высоты около 111 футов (33,3 м). Внешние боковые стенки затем проходят под углом вверх и наружу от меньшей секции до достижения на высоте около 170 футов (51 м) горизонтального размера от центра данной конструкции до внешних наружных углов около 167 футов (50,1 м) и затем продолжаются вертикально вверх до высоты около 185 футов (55,5 м), заканчиваясь у верхней стенки и образуя основную палубу. Уровень тихой воды расположен на проходящей вверх и наружу секции на высоте около 144 футов (43,2 м). Меньшая вертикальная секция и верхняя и нижняя наклонные поверхности задерживают воду для обеспечения гидродинамической присоединенной массы с целью увеличения периода собственных колебаний при бортовой и вертикальной качке, уменьшения динамического усиления и резонансных колебаний, обусловленных волнами и движением основания, а также облегчения маневрирования основания, как изложено ниже.
Проем 13 многоугольной буровой шахты в центре конструкции имеет боковые стенки, которые проходят вертикально вверх от нижнего конца до высоты около 90 футов (27 м) и имеют горизонтальный размер от центра конструкции до наружных углов около 32,5 фута (9,7 м), а затем проходят под углом вверх наружу до достижения горизонтального размера около 70 футов (21 м) на высоте около 134 фута (40,2 м), а затем вертикально вверх до высоты около 154 футов (46,2 м). Боковые стенки буровой шахты затем проходят под углом вверх и внутрь от вертикальной секции до достижения горизонтального размера около 39 футов (11,7 м) и примыкают к горизонтальной стенке на высоте около 170 футов (51 м), что приблизительно на 15 футов (4,5 м) ниже высоты верхней стенки основной палубы (185 футов ((55,5 м)). Промежуток между внутренними стенками (буровая шахта) и наружными стенками 12 образует большой объем, окружающий буровую шахту, который разделен на множество отдельных балластных отсеков 16 и отсеков 17 для хранения нефти и/или сжиженного газа. Следует отметить, что максимальный горизонтальный размер (или ширина) верхней вертикальной части буровой шахты (около 70 футов (21 м) от центра на высоте около 134-154 футов (40,2-46,2 м) расположен приблизительно на той же высоте (около 144 футов (43,2 м)), что и уровень тихой воды на проходящих вверх наружу внешних боковых стенках. Таким образом, конструкция буровой шахты 13 выполнена с обеспечением больших площадей для балласта и хранения и максимальной площади у верхнего конца для обеспечения гидродинамической присоединенной массы, как изложено ниже.
Внутренняя часть шахты 13 снабжена множеством обращенных внутрь разнесенных по вертикали дефлекторов 18 или другими демпфирующими средствами для снижения резонансных колебаний, обусловленных волнами или движением основания. Указанное основание имеет эксплуатационную осадку 140 футов (42 м), при этом во время транспортировки осадка составляет 32 фута (9,6 м).
К внешним боковым стенкам нижней части данной конструкции прикреплены горизонтальные верхние демпфирующие пластины 19А, а горизонтальные нижние демпфирующие пластины 19 В прикреплены на некотором расстоянии под верхними демпфирующими пластинами и ниже днища корпуса с помощью вертикальных опорных элементов 20, приваренных к днищу конструкции. Нижние и верхние горизонтальные пластины 19А и 19В задерживают воду для обеспечения гидродинамической присоединенной массы с целью увеличения периода собственных колебаний при бортовой и вертикальной качке, снижения динамического усиления и резонансных колебаний, обусловленных волнами и движением основания, а также облегчения маневрирования основания, как изложено ниже.
В нижнем конце буровой шахты 13 расположена опорная рама 21 турели, образованная из ряда разнесенных по периферии пластин 21А, при этом от опорной рамы вертикально вверх проходит центральный кожух 22 через горизонтальную стенку у верхней части буровой шахты с прикреплением к верхней палубе D для обеспечения водонепроницаемого уплотнения у верхней части буровой шахты. В этом варианте выполнения разнесенные по периферии пластины опорной рамы 21 допускают поступление воды во внутреннюю часть буровой шахты 13 из нижнего конца в кольцевой канал, образованный между наружным диаметром корпуса 22 и внутренней частью буровой шахты. Через горизонтальную стенку у верхней части шахты 13 к верхней палубе D проходят воздуховоды 23, присоединенные к клапанам 24 регулировки давления.
Данное основание может быть заякорено или с помощью якорно-цепной системы, или за счет динамического позиционирования на покрытой льдом воде с помощью отсоединяемого состоящего из двух частей плавучего вертлюга или турельного буя 25, размещаемого в опорной раме 21 для турели у нижней части шахты 13. Вертлюг или поворотный буй 25 имеет конусообразную верхнюю часть 25А и нижнюю фланцевую часть 25 В, которые вращаются или поворачиваются относительно друг друга. Нижняя фланцевая часть 25 В содержит соединительные средства 25С для присоединения гибкой скважинной водоотделяющей колонны R и соединительные средства 25D для присоединения якорных оттяжек ML. Соединительные средства для водоотделяющей колонны проходят вверх через центральный кожух 22 в буровой шахте к верхней палубе. Центральный кожух 22 выполнен с обеспечением доступа к турельному бую и способствует общей жесткости конструкции платформы. Центральный кожух 22 также снижает резонансное колебание воды внутри буровой шахты, как изложено ниже.
Турельный буй 25 может свободно вращаться или может быть закреплен в требуемом положении. Например, в арктических условиях в покрытых льдом водах каждый зимний сезон можно периодически выводить на поверхность и проверять каждую сторону основания и тем самым продлевать усталостную долговечность ломающих лед боковых стенок. Турельный буй 25, выполненный с возможностью отсоединения, может быть отсоединен от основания во время критических условий, таких как сильный летний/зимний шторм. Как вариант, турельный буй может быть постоянно присоединен к основанию.
Фиг.12 показывает вариант выполнения морского плавучего основания 10А, в котором опорная рама 21 турели выполнена с возможностью водонепроницаемого взаимодействия с верхней частью 25А буя 25 для предотвращения поступления воды в нижний конец буровой шахты вокруг указанного буя, а от внутренней части шахты 13 к наружной части корпуса 11 проходят под углом вниз наружу каналы или туннели 26, допускающие поступление воды в шахту снаружи. Кроме того, в этом варианте якорные оттяжки ML проходят от расположенных на палубе D лебедок 27, сквозь палубу D во внутреннюю часть шахты 13 и наружу через каналы или туннели 26, с поддержанием отводящими шкивами 28 у каждого конца каналов или туннелей. Рассмотренным выше компонентам присвоены те же номера позиций, однако они не будут подробно описаны, чтобы избежать повторения.
На фиг.13 и 14 показан еще один вариант выполнения морского плавучего основания 10 В, содержащего опорную раму 21 турели, выполненную с возможностью водонепроницаемого взаимодействия с верхней частью 25А турельного буя 25 для предотвращения поступления воды в нижний конец буровой шахты, а также каналы или туннели 26, проходящие под углом вниз наружу от внутренней части буровой шахты к наружной части корпуса, как изложено выше, причем якорные оттяжки проходят от расположенных на палубе лебедок 27, сквозь палубу во внутреннюю часть шахты и наружу через каналы или туннели 26, с поддержанием отводящими шкивами 28 у каждого конца каналов или туннелей. Рассмотренным выше компонентам присвоены те же номера позиций, однако они не будут подробно описаны, чтобы избежать повторения.
Этот вариант выполнения содержит вертикально регулируемую выдвижную килевую цистерну 29 с фиксированным балластом, расположенную в нижней части конструкции, показанную, соответственно, во втянутом и выдвинутом положении. Цистерна 29 присоединена к корпусу 11 с помощью центральной полой колонны 30 и расположенных по окружности вертикальных направляющих труб 31, которые отнесены от колонны наружу и с возможностью скольжения установлены в нижнем конце корпуса. Килевая цистерна 29 выдвигается и втягивается с помощью гидравлических цилиндров 32, установленных в корпусе или на нем. Центральная полая колонна 30 образует водонепроницаемое удлинение нижней части шахты 13. В этом варианте опорная рама 21 турели расположена в центре килевой цистерны 29 и выполнена с возможностью водонепроницаемого взаимодействия с верхней частью 25А буя 25. Опорная рама 21 и окружающая центральная полая колонна 30 препятствуют поступлению воды в нижний конец шахты 13 вокруг буя 25.
При выдвинутом положении килевой цистерны 29 вода в промежутке между нижней стенкой 14 корпуса 11 и верхней частью килевой цистерны служит в качестве гидродинамической присоединенной массы для увеличения периода собственных колебаний при бортовой и вертикальной качке, уменьшения динамического усиления и резонансных колебаний, обусловленных волнами и движением основания, а также облегчения маневрирования основания, как изложено ниже.
Фиг.15 показывает другой вариант выполнения морского плавучего основания 10С, предназначенного для поддержания работ по бурению/добыче/хранению/выгрузке в чистой воде и/или больших глубинах без наличия вокруг льда. Основание 10С содержит конусообразную буровую шахту, как изложено выше, опорную раму 21 турели, выполненную с возможностью взаимодействия с верхней частью 25А буя 25 с обеспечением поступления воды через нижнюю часть буровой шахты, и верхнюю и нижнюю демпфирующие пластины 19а и 19В, причем якорные оттяжки ML и водоотделяющие колонны R проходят от нижней части турельного буя 25, как изложено выше. Рассмотренным выше компонентам присвоены те же номера позиций, однако они не будут подробно описаны, чтобы избежать повторения. В этом варианте выполнения внешний нижний конец данной конструкции содержит более длинную нижнюю килевую секцию 15А с боковыми стенками 12А, которые проходят вертикально вверх от нижнего конца, затем идут под углом внутрь вверх, заканчиваясь у нижней стенки основной палубы D. Уровень тихой воды расположен на проходящей вверх и внутрь секции на высоте около 144 футов (43,2 м), при этом максимальная ширина шахты 13 расположена приблизительно на высоте уровня тихой воды для обеспечения гидродинамической присоединенной массы с целью увеличения периода собственных колебаний при бортовой и вертикальной качке, уменьшения динамического усиления и резонансных колебаний, обусловленных волнами и движением основания, а также облегчения маневрирования основания. Наружные боковые стенки 12А и шахта 13 основания 10С могут иметь форму многоугольника, или данное основание может иметь, по существу, цилиндрическую внешнюю форму.
При наличии описания основных компонентов предпочтительных вариантов выполнения морского плавучего основания для добычи, хранения и выгрузки последующее описание будет касаться более подробного объяснения взаимодействия данных компонентов при выполнении работы основания.
Принципы обеспечения остойчивости и перемещения.
Принципы обеспечения остойчивости и перемещения предлагаемого плавучего основания, главным образом, основаны на критериях остойчивости и движения, принятых в кораблестроении. Килевая, бортовая и вертикальная качка подвергается циклическим ускорениям, что особенно влияет на конструкцию морского основания с точки зрения кораблестроения. Если периоды вертикальной/килевой/бортовой качки основания приближаются к энергетическому спектру возмущения волн/ветра/льда, то данная система подвергается непосредственному воздействию энергии волны/ветра/льда при резонансных колебаниях, что приводит к сильным перемещениям и проблемам, связанным с усталостными нагрузками. Таким образом, при проектировании основания должны учитываться как критерии остойчивости, так и критерии движения. Конструктивными параметрами, влияющими на критерии остойчивости и движения плавучего основания, являются центр тяжести «cg», центр величины «cb», метацентр М, метацентрическая высота «GM», площадь поверхности воды «AW», масса колеблющегося тела «m» с его присоединенной массой.
Остойчивость плавучего основания определяется как его способностью к возврату в исходное положение после внесения возмущения в состояние спокойного плавания ветром, волной и течением, а также горизонтальными нагрузками, обусловленными ледовой обстановкой. Если плавучее основание возвращается к его исходному положению равновесия после внесения возмущения внешними воздействиями, тогда данное основание находится в остойчивом состоянии. В концепции морских плавучих оснований имеется два типа остойчивых конструкций, в одном из которых центр тяжести «cg» основания удерживается ниже центра величины «cb». Во втором случае «cg» основания удерживается выше «cb», а метацентр регулируется с помощью площади поверхности воды и момента инерции площади поверхности воды.
Точка М метацентра плавучего основания определяется пересечением двух линий действия выталкивающей силы при двух углах наклона плавучего основания в стороны. Расстояние от центра тяжести cg до точки М называют GM. По существу, чем больше положительное значение GM, тем надежнее остойчивость корпуса.
С другой стороны, угловая частота поворотных движений (килевая, бортовая качка) определяется уравнением
где «KG» - расстояние центра тяжести cg от киля основания, а «g» - ускорение силы тяжести, которое является постоянной величиной.
Вышеприведенное уравнение показывает, что, несмотря на то, что большее значение GM обеспечивает дополнительную остойчивость плавучему основанию, оно также увеличивает частоту поворотного движения основания.
Частота собственных колебаний вертикальной качки основания определяется следующим уравнением
где ρ - удельный вес воды, в которой плавает основание.
Конструкция буровой шахты
Во втором вышеприведенном уравнении для плавучего основания с заданной массой m частота собственных колебаний вертикальной качки уменьшается, так как уменьшается площадь поверхности воды «AW».
В данном изобретении допускается прохождение воды через буровую шахту 13 либо через нижнюю часть основания, либо через боковые туннели 26, в зависимости от описанных вариантов выполнения. При использовании конусообразной буровой шахты 13 можно получить меньшую площадь поверхности воды с большей площадью момента площади поверхности воды. Конусообразная форма шахты основания 10 имеет наиболее широкую часть, расположенную около поверхности тихой воды, и более узкую нижнюю часть, расположенную у киля основания. Большая и более широкая открытая площадь в верхней части шахты 13 около поверхности тихой воды эффективно увеличивает период собственных колебаний основания, а меньшая и более узкая открытая площадь в нижней части около киля основания увеличивает вместимость отсеков для хранения нефти с обеспечением экономичности основания при использовании для добычи нефти и газа. Таким образом, вместимость хранилища представленного основания ПОДХВ с формой, отличной от формы корабля, сравнима с вместимостью обычных ОДХВ с формой корабля.
Поскольку площадь поверхности воды удерживается на максимальном расстоянии от центральной вертикальной оси основания, то в этой конструкции оптимально использован максимальный момент инерции. Смещение площади поверхности воды в середине около центральной вертикальной оси не будет оказывать значительного влияния на полный момент инерции основания, обеспечиваемый моментом инерции всей площади поверхности воды, приложенный к основанию, если открытый нижний киль закрыт.С другой стороны, уменьшение площади поверхности воды при ее смещении около центра на уровне тихой воды увеличивает период собственных колебаний основания. Таким образом, в предлагаемом плавучем основании обеспечивается регулирование периодов вертикальной качки в диапазоне 18-25 с. Подобные увеличенные периоды собственных колебаний вертикальной качки являются весьма желательными в конструкции ПОДХВ. Следует отметить, что периоды собственных колебаний обычных ПОДХВ с конфигурацией корабля при вертикальной качке составляют 8-12 с, что соответствует энергии обычных волн в океане.
Таким образом, одно из утилитарных свойств данного изобретения заключается в том, что период собственных колебаний вертикальной качки может быть увеличен до значений, превышающих периоды энергетического спектра волн, обычно присутствующих в океане. Ранее это было возможно только для морских плавучих оснований TLP (основания с натяжным креплением) и SPAR-оснований без хранения нефти. В конусообразной буровой шахте с открытой нижней частью и/или открытыми боковыми туннелями обеспечивается соответствующий поток воды, что не создает опасности для остойчивости основания. Таким образом, для предлагаемого ПОДХВ можно получить такие же или лучшие характеристики вертикального движения по сравнению с основаниями типа TLP и SPAR. Более того, предлагаемое ПОДХВ может содержать хранилище, рассчитанное на более чем один миллион баррелей нефти и/или сжиженного газа, что является экономичным при эксплуатации в глубинных водах и на удаленных разработках месторождений нефти и газа, для которых невозможна транспортировка по трубопроводам.
Конструкция отсоединяемой турельной якорной системы
Возможность отсоединения системы турели является весьма ценным свойством ПОДХВ, в частности, при жестких условиях эксплуатации. Турели, выполненные с возможностью отсоединения, используются для поддержания водоотделяющих колонн R для добычи нефти, а также для поддержания якорных оттяжек ML. Турельный буй 25 выполнен с возможностью плавания в погруженном состоянии вместе с прикрепленными к нему водоотделяющими колоннами R и якорными оттяжками ML. При наихудшем варианте развития шторма колонны и оттяжки могут быть отсоединены от основания с помощью отсоединяемой турели. Турель может быть отсоединена от основания, при этом основание может свободно плавать во время сильного шторма без опасности повредить систему колонн и оттяжек. После окончания шторма основание может быть отбуксировано обратно к его местоположению и снова присоединено к колоннам и оттяжкам для возобновления добычи.
В предлагаемой конструкции плавучего основания величина GM (метацентрическая высота) поддерживается выше значения, обычно требуемого для плавучего основания. Большая высота GM устанавливается для придания дополнительной остойчивости, при этом легче обеспечивается якорное крепление турели. GM основания увеличивают с помощью фиксированного балласта, расположенного у нижней части киля основания. Кроме того, если по проекту требуется повысить GM основания за счет понижения cg (центра тяжести), то килевую цистерну 29 с фиксированным балластом выдвигают вниз.
Установленная внизу турельная якорная система конструктивно выполнена так, чтобы регулировать GM основания и затем возбуждать бортовую/килевую качку основания в области резонанса с целью разрушения ледяных покровов и торосов в зимнее время при морских работах в арктической зоне. В этом случае GM устанавливают меньше так, что основание становится чувствительным к раскачиванию, обусловленному воздействием льда, и, таким образом, снижается вероятность поломки основания. Нижняя опора якорной оттяжки и воздействие льда сверху создают большое плечо рычага, достаточное чтобы создать килевую и бортовую качку, обеспечивающую разрушение льда наклонными боковыми поверхностями основания в условиях зимней обстановки в арктической зоне. Чем больше сломано ледовых покровов, тем меньше нагрузка льда на данную конструкцию. Кроме того, водоотделяющие колонны и якорные оттяжки расположены у киля основания, поэтому они не подвергаются воздействию поверхностного льда. Это свойство особенно полезно в условиях арктической разработки месторождения нефти и газа.
Дополнительная присоединенная масса
В данном изобретении дополнительная присоединенная масса имеет большое значение для управления поведением основания при воздействии высокочастотных волн. В чистой воде при ветровом волнении с периодами 0-15 с вертикальная качка ПОДХВ с формой, отличной от формы корабля, является весьма незначительной, поэтому оно работает спокойно при указанном состоянии моря. Для вертикального движения при колебаниях основания в вертикальном направлении в основании предусмотрено несколько устройств с присоединенной массой. Сдвоенная суженная конусообразная буровая шахта 13 обеспечивает присоединенную массу в вертикальном направлении. Заданная часть массы воды, захваченная в конусообразную форму, поднимается вверх вместе с движением основания. Подобным образом, масса воды между наружными противоположными наклонными сторонами в верхней части основания, благодаря противоположным наклонным поверхностям, обеспечивает присоединенную массу. В-третьих, масса воды, захваченная между верхними и нижними демпфирующими пластинами 19А и 19В, выполненными на всех боковых сторонах, также увеличивает присоединенную массу основания. Половина поверхности нижних пластин 19В проходит внутрь под наружными сторонами киля, а их вторая половина проходит снаружи боковых сторон киля. Соответственно, между нижней стенкой 14 киля основания и нижними демпфирующими пластинами также задерживается присоединенная масса воды. Все указанные присоединенные массы дополняют массу основания при вертикальном колебании и увеличивают период собственных вертикальных колебаний основания. Указанные присоединенные массы также играют важную роль при низкочастотных волнах, уменьшая движение по вертикали.
Демпфирующие устройства основания
Предлагаемое плавучее основание выполнено с несколькими устройствами демпфирования потока. Верхние и нижние демпфирующие пластины 19А и 19В могут быть установлены или предварительно, или на месте эксплуатации, при этом они используются для регулирования бортовой/килевой и вертикальной качки основания. При бортовой/килевой и вертикальной качке поток водной среды разделяется с рассеиванием энергии в неограниченной водной среде океана, при этом указанные пластины используются совместно и по отдельности для демпфирования разделенного потока. Кроме того, на боковой стенке конусообразной буровой шахты 13 около киля выполнены демпфирующие устройства 18. Указанные устройства 18 разделяют поток и обеспечивают сопротивление потоку внутри буровой шахты. Таким образом, предлагаемая конструкция существенно снижает или устраняет резонансные колебания воды в буровой шахте. Свободная водная поверхность в буровой шахте захватывает воздух под нижней стенкой палубы внутри шахты. Указанный сжатый воздух сжимается и регулируется с помощью регуляторов давления и, соответственно, гасит резонансные колебания воды в буровой шахте. Верхние и нижние демпфирующие пластины 19А и 19В эффективно демпфируют бортовую/килевую и вертикальную качки основания, поскольку они расположены у нижней части основания и создают большое плечо рычага для регулирования бортовой/килевой качки, возбуждаемой горизонтальными внешними силами (лед/волна) на свободной водной поверхности основания. Указанные свойства демпфирования также обеспечивают основанию внешнюю остойчивость и, соответственно, создают возвращающие силы, действующие от киля основания. Таким образом, указанные демпфирующие пластины значительно стабилизируют движение.
Центральный кожух основания
Вертикальный центральный кожух 22, расположенный у центральной оси основания, является водонепроницаемым вдоль кольцеобразного канала, окружающего буровую шахту, и обладает конструкционной прочностью. Указанный центральный кожух обеспечивает площадь поверхности воды в середине основания без оказания значительного влияния на момент инерции площади поверхности воды. Соответственно, она не обеспечивает регулирование остойчивости основания. Центральный кожух конструктивно поддерживает с возможностью отсоединения турель 25, а также обеспечивает водонепроницаемый доступ к ней в вертикальном направлении сверху вниз, когда она присоединена к корпусу вместе с якорными оттяжками/гибкими водоотделяющими колоннами. Кроме того, центральный кожух уменьшает резонансное колебание воды внутри буровой шахты. Другая особенность заключается в том, что центральный кожух поддерживается в радиальном направлении вертикальными упрочненными пластинами на уровне киля и допускает прохождение воды в буровую шахту. Центральный кожух, поддерживаемый в верхней части на уровне палубы и в нижней части на уровне киля, также обеспечивает общую конструкционную прочность плавучего основания.
Поступление воды в буровую шахту
В одном варианте выполнения опорная рама 21 турели открыта у нижней части киля и обеспечивает поступление воды в буровую шахту вокруг боковых сторон центрального кожуха. В другом варианте выполнения опорная рама турели закрыта, при этом вода поступает в шахту через открытые боковые туннели 26. Преимущество открытых боковых туннелей 26 заключается в устранении резонансных колебаний буровой шахты, при этом открытые туннели с киповыми планками, расположенными на боковых сторонах значительно ниже поверхности свободной воды, могут использоваться для якорных оттяжек. При таком конструктивном решении обеспечивается защита якорных оттяжек от воздействий ледовых покровов/торосов. Боковые туннели 26 допускают соответствующее поступление воды в буровую шахту и обеспечивают остойчивость основания. В этом случае очень большая присоединенная масса значительно увеличивает период собственных колебаний при вертикальной качке. Как открытая нижняя часть киля, так и открытые боковые туннели обеспечивают поступление соответствующего регулируемого потока воды в буровую шахту и придают остойчивость основанию.
Регулирующие давление клапаны для буровой шахты
Внутри буровой шахты под нижней поверхностью палубы обеспечивается захват воздуха. При вертикальных колебаниях основания указанный воздух сжимается и гасит резонансные колебания поверхности свободной воды в шахте. Когда давление превышает предельное значение, открываются клапаны 24 и сбрасывают давление, исключая любое повреждение палубы.
Выдвижная килевая цистерна
Выдвижная килевая цистерна 29 обеспечивает фиксированный балласт, который можно перемещать относительно корпуса во время работы. Полая колонна 30, окружающая шахту 13 и турель, обеспечивает удлинение шахты за счет выдвижения и перемещается вместе с килевой цистерной. Небольшое вертикальное перемещение вниз значительно смещает cg (центр тяжести) и, соответственно, существенно увеличивает GM (метацентрическую высоту) основания, что обеспечивает большую остойчивость основания. В этом варианте выполнения поток воды от боковых сторон основания через боковые туннели к шахте поддерживает остойчивость основания, при этом нижняя часть основания является водонепроницаемой, так что через открытую нижнюю часть к буровой шахте вода не поступает. При транспортировке основания к месту эксплуатации килевая цистерна удерживается во втянутом положении для ограничения габаритной высоты. После перемещения к месту эксплуатации килевая цистерна заполняется фиксированным балластом и автоматически опускается под его воздействием. Затем к основанию присоединяют турель 25, как это требуется при эксплуатации основания для добычи нефтепродуктов, при этом турель не отсоединяют, если основание используется для буровых работ. Вокруг центрального кожуха расположены гидравлические цилиндры 32, обеспечивающие при необходимости втягивание килевой цистерны.
Захваченная между нижней частью киля основания и верхней частью выдвинутой килевой цистерны 29 вода обеспечивает присоединенную массу для увеличения периода собственных вертикальных колебаний основания. Разделенный поток, образованный по краям цистерны 29, также создает соответствующий разделенный поток, обеспечивающий демпфирование основания. Таким образом, в варианте выполнения с выдвижной килевой цистерной не требуются верхние и нижние демпфирующие пластины. Демпфирование, обеспечиваемое за счет пространства между поверхностью киля основания и верхней частью цистерны, позволяет регулировать бортовую и килевую качку основания, придавая основанию соответствующую остойчивостью при работе.
Отсоединяемая турельная система
Полагают, что в предлагаемом основании, среди ПОДХВ с отличной от корабельной формой, впервые используется турельная система. Турель 25 может находиться в отсоединенном или постоянно присоединенном состоянии, а также может быть выполнена с возможностью поворота или закреплена в конкретном положении. В случае основания арктического класса каждый зимний сезон можно периодически выводить на поверхность и проверять каждую сторону основания и тем самым продлевать усталостную долговечность ломающих лед боковых стенок. Как изложено выше, турель может поддерживать якорные оттяжки и гибкие водоотделяющие колонны, как это требуется для основания, при этом отсоединяемая турель обладает плавучестью и может быть отсоединена от основания во время критической ситуации, например во время сильного шторма.
Двойная система якорного крепления
Как показано на фиг.16А, 16В и 16С, предлагаемое основание содержит двойную систему якорного крепления, которая, как предполагается, является уникальной. Фиг.16А показывает основание 10В с якорными оттяжками ML, присоединенными к турели с обеспечением 100% заякорения через турель, а фиг.16В показывает основание 10В с якорными оттяжками ML, присоединенными к основанию с обеспечением 100% заякорения через корпус. Фиг.16С показывает двойную систему постановки на якорь, предназначенную для работы в чистой воде, в которой якорные оттяжки ML присоединены как к турели, так и к корпусу основания с обеспечением 50% заякорения через турель и 50% заякорения через корпус. Традиционные якорные оттяжки проходят от палубы, а оттяжки турели прикреплены для поддержки турели и гибких водоотделяющих колонн. При заякорении через турель требуется более высокая GM (метацентрическая высота), при этом, соответственно, бортовая/килевая качка является значительной. В этом случае чрезмерную бортовую/килевую качку, вызванную оттяжками турели, можно регулировать дополнительными обычными оттяжками. Движение, вызванное горизонтальными внешними нагрузками около поверхности свободной воды и нижней опорой оттяжек турели, будет создавать значительную бортовую/килевую качку, регулируемую увеличением метацентрической высоты GM, как изложено выше. Кроме того, подобные движения являются желательными в случае покрытой льдом воды в арктической зоне в зимний период, однако они являются нежелательным для условий чистой воды во время сильного шторма. Поэтому для эффективного регулирования килевой и бортовой качки к заякорению через турель добавляют традиционное заякорение. Традиционные якорные оттяжки, проходящие от верхней части основания, обеспечивают противодействие и компенсацию опрокидывающих сил, создаваемых оттяжками турели и внешними горизонтальными силами, действующими на основание около поверхности свободной воды.
Указанная ситуация является удовлетворительной только для состояния чистой воды во время летнего шторма. В случае сильных волн и штормов основание поддерживается обычными якорными оттяжками в режиме удержания в заданной точке, при этом турель с присоединенными гибкими водоотделяющими колоннами отсоединена от основания.
Способность основания разрушать лед
В соответствии с фиг.17, 18 и 19 основание может быть заякорено с использованием угла, обращенного к преобладающему направлению дрейфа ледяных полей. Многоугольная форма с нечетным количеством боковых сторон корпуса обеспечивает разрушение льда за счет деформации изгиба. Указанное разрушение также создается килевой качкой основания, которую можно получить путем изменения уровней воды в балластных цистернах. При этом разломанные куски льда скользят по наклонной части основания и в конце концов освобождают пространство вокруг нее. Смещением балласта можно обеспечить вертикальную, бортовую, килевую и продольно-горизонтальную качку, при этом боковые наклонные стенки и углы внешней части корпуса будут оказывать противодействие и динамически разрезать ледяные покровы, разрушать плавучие льдины и удалять торосы от данной конструкции. Сдвоенная суженная конусообразная конфигурация буровой шахты значительно снижает динамическое усиление, обусловленное волнами, и способствует маневрированию основания во время вертикальной, бортовой, килевой и продольно-горизонтальной качки.
Данное основание выполнено так, что оно является автономным и выдерживает сильнейшие зимние штормы в арктических условиях. Корпус основания выполнен с обеспечением уменьшения воздействий льда, а также обеспечивает больше механизмов разрушения льда по сравнению с конструкциями обычных оснований. Чем больше разрушенного льда, тем меньше нагрузки от окружающего льда на основание. Указанные цели достигаются путем увеличения инертности основания за счет большой массы, увеличения размера и плеча рычага разрушающих лед боковых сторон от центра основания, оптимизации наклона разрушающих лед боковых сторон относительно ледовых покровов, и создания непрерывной килевой и бортовой качки основания.
Максимальная инертность основания достигается обеспечением максимального количества хранимых воды, нефти и/или сжиженного газа во время эксплуатации. Данное основание во время эксплуатации обеспечивает хранение свыше одного миллиона баррелей нефти и/или сжиженного газа. Указанные увеличенные объем и масса основания используются для обеспечения эффективности разрушения льда. Боковые стенки основания выполнены с наклоном, например, под 45° вверх/вниз, для эффективного разрушения льда. Наклонные стенки более эффективно разрушают лед, по сравнению с вертикальными стенками. Наклонные разрушающие лед стенки выполнены в виде сдвоенных стенок с сотовой структурой для обеспечения больше чем достаточной разрушающей возможности, требуемой, при необходимости, для разрушения ледовых щитов толщиной 1,5-4 м или более. Они также предназначены для разрушения торосов глубиной около 25 м, при этом наклонные боковые стенки уменьшают нагромождения льда.
Указанные боковые стороны состоят из девяти плоских граней, а каждая подвергающаяся воздействию грань обеспечивает соответствующее противодействие создаваемой льдом нагрузке. Килевая и бортовая качка основания приближена к периоду собственных колебаний, равному 1 мин или более. Поскольку данное основание в нижней части поддерживается якорным оттяжками турели, то ему легко сообщается бортовая и килевая качка с разрушением ледового щита наклонными боковыми сторонами.
Более важно, что бортовая/килевая качка основания создается извне смещением водяного балласта относительно имеющейся хранящейся массы для обеспечения непрерывной бортовой и килевой качки с целью разрушения льда. Таким образом, бортовая и килевая качка основания может быть обеспечена с периодом его собственных колебаний в резонансном режиме. При бортовой/килевой качке с резонансной частотой основание легко приводится в движение внешними силами и, при необходимости, преодолевает демпфирование, обусловленное разрушением льда и его противодействием. Подобные изменения местоположения основания достигаются периодическим перекачиванием массы воды из балластных цистерн с одной боковой стороны основания к другой боковой стороне, назад и вперед с целью обеспечения как бортовой, так и килевой качки. Изменение местоположения, вызываемое подобным воздействием извне, разрушает лед вокруг основания около поверхности свободной воды. Прикрепленная в нижней части турель поворачивается и способствует указанной непрерывной бортовой и килевой качке основания.
Большое плечо рычага, обеспечиваемое основанием от центра основания к наклонным боковым стенкам, около которых происходит разрушение ледовых щитов, обеспечивает при колебании величину наклона у центра, составляющую менее градуса. Поэтому небольшой наклон центра основания обеспечивает большое смещение, более двух футов, его боковых стенок и позволяет таким образом легко разрушить ледовые покровы, в том числе толстые. Также ледовые покровы разрушаются благодаря наклону боковых стенок. Большая масса основания по сравнению с массой льда позволяет основанию легко и эффективно разрушать лед. Нижняя часть боковых стенок основания удерживается значительно ниже 25 м, чтобы избежать опрокидывания основания вверх килем и оседания торосов на нижних боковых стенках основания. В предпочтительном варианте выполнения нижние наклонные поверхности и киль расположены на достаточном расстоянии от свободной водной поверхности, чтобы предотвратить повреждение наружной нижней части корпуса грядой торосов вековой давности.
Другие области применения и другие окружающие условия
Несмотря на то, что предлагаемое основание предназначено для работы на больших глубинах в покрытой льдом воде в арктической зоне зимой, а также в условиях чистой воды во время летних штормов, указанное основание также предназначено для обеспечения работ по бурению/добыче/ хранению/выгрузке на больших глубинах в качестве плавучего основания. Кроме того, оно может использоваться в глубоководных районах с чистой водой при отсутствии вокруг него льда.
Предлагаемое основание, при необходимости, также может использоваться в погруженном состоянии на мелководье в покрытой льдом воде или в чистой воде в неарктических условиях эксплуатации. В этом случае основание, отбуксированное к месту эксплуатации, устанавливают с опорой на морское дно и обеспечивают регулирование балласта для придания основанию остойчивости и возможности выдерживать нагрузку придонным грунтом. Поскольку нижняя часть основания имеет весьма большие размеры, то она обеспечивает достаточную площадь поверхности для выдерживания нагрузки придонным грунтом.
Хотя было приведено описание основания с многоугольной формой, предназначенного для разрушения ледовых щитов, следует понимать, что указанное плавучее основание также может быть выполнено со ступенчатой цилиндрической формой внешней части, а не с многоугольной формой.
Несмотря на то, что в описании данного изобретения особое внимание было уделено предпочтительным вариантам выполнения, следует понимать, что в пределах правовой охраны прилагаемой формулы изобретения данное изобретение может быть реализовано на практике иным образом, отличным от способа, изложенного в данном документе.