СУДНО СНАБЖЕНИЯ ПОДВОДНОЙ НЕФТЕДОБЫВАЮЩЕЙ ПЛАТФОРМЫ
SHIP FOR UNDERWATER OIL PRODUCTION PLATFORM SUPPLY

Изобретение относится к судостроению, точнее к платформам для бурения скважин и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений на шельфе, и может использоваться в качестве судна снабжения, обеспечивающего длительную работоспособность подводной нефтедобывающей платформы.
Приповерхностная зона морей и океанов особо динамична и является весьма агрессивной средой: она временами свирепо атакует все, что попадает в эту зону. В последние десятилетия заметно увеличилась частота природных катаклизмов: землетрясений, цунами, ураганов, торнадо, пробуждения вулканов, таянья ледников и т.д. Как дальше будут развиваться эти процессы весьма трудно предсказать, однако климат планеты явно шатнулся от периода относительной стабильности.
В последние десятилетия началось активное освоение шельфовых недр и проявилась уязвимость надводных буровых нефти- и газодобывающих платформ при длительном пребывании в экстремальных условиях эксплуатации. Уже общеизвестны многие аварии таких платформ с человеческими потерями и глобальными экологическими последствиями. Но мировой спрос на энергоресурсы будет возрастать. При этом четкая альтернатива нефти и газа в глобальном потребляемом объеме пока не просматривается. Следовательно, количество надводных платформ вынужденно будет возрастать. С позиции теории вероятности, это приведет к увеличению количества аварий.
Для снижения количеств вероятных аварий на шельфе, на глубинах ниже 40 м целесообразно бурить скважины с надводных платформ в период благоприятных сезонных условий, а добычу сырья вести с подводных платформ (далее - ПП), залегающих на грунте, со стыковкой на готовую скважину. Добытое сырье накапливать в товарных отсеках ПП, а затем перекачивать его наверх, в отсеки танкера, подошедшего к месту залегания ПП в благоприятные периоды плаванья. При этом добывающие ПП должны обладать достаточной вместимостью накопленного сырья, чтобы не гонять танкер за малыми объемами. Примерная рентабельная вместимость добытого сырья ПП определена в 40 т и более. При такой технологии бурения и добычи существенно снижается количество необходимых надводных платформ.
Военное подводное кораблестроение достигло сегодняшнего совершенства потому, что с самого начала проектирования лодок работы велись в тесной связи специалистов различных военных наук. Зарождающееся гражданское подводное судостроение делает только первые шаги к такому спаррингу специалистов, в том числе в области экономики, логистики и специфического бизнеса. При этом на начальном этапе работ необходимо определить концепцию технологии эксплуатации ПП, сформировать обширное техническое задание (ТЗ) на проектирование, ставящее задачу решения многочисленных требований к фактически новому виду гидротехнических сооружений. Возможно, что некоторые из этих требований ранее не возникали, или были не актуальны, или не требовали совокупного решения в едином проекте. Притом, что без технологий подводного кораблестроения, наработанных за последние 100 лет, цель - освоение шельфа под водой, и задача - построение подводной платформы, с позиции экономической целесообразности не просматривается. Изложенные убеждения авторов данной заявки на изобретение можно воспринимать как часть концепции технологии эксплуатации ПП.
В известных патентах на изобретение, в основном, предлагают варианты решения отдельных вопросов построения подводной буровой и добывающей сырье платформы. Когда возникнет острая потребность в подводных платформах, возможно, некоторые из этих патентов будут востребованы при проектировании промышленного изделия. Таким образом, количество изобретений обеспечит переход в качество исполнения.
Судно снабжения, обеспечивающее работоспособность ПП, по технической и технологической сложности исполнения занимает весомую часть технического задания на проектирование совокупного комплекса ПП. Объем снабжения предусматривает исполнение ряда функций:
1. обеспечение электрической энергией всего комплекса механизмов ПП;
2. обеспечение экипажа ПП продовольствием, водой и свежим воздухом;
3. обеспечение процесса перекачки добытого сырья с подводной платформы в танкер;
4. обеспечение вахтовой замены экипажа ПП и спасение экипажа в экстремальных аварийных условиях с возможность его (экипажа) перевозки в безопасное место.
При этом авторы также убеждены в том, что применение атомных реакторов для энергообеспечения ПП экономически нецелесообразно. Прикидочные расчеты определяют энергетическую потребность ПП на уровне 4 МВт (±2 МВт). По кратким сведеньям из источника ««ВОЕННО-МОРСКОЙ ФЛОТ РОССИИ И СНГ 1992 г.» (справочник, г.Якутск, 1992 г.), нетрудно посчитать, что атомные реакторы для подводных лодок всех проектов обладают мощностью от 50 до 100 МВт. Излишняя мощность атомного энергетического обеспечения ПП вызовет повышение в разы:
1. стоимость изготовления комплекса ПП;
2. эксплуатационные затраты, включая на высококвалифицированных специалистов-атомщиков, которые будут представлять отдельную группу экипажа ПП, не участвующую в общем технологическом процессе добычи сырья;
3. затраты на технику безопасности;
4. затраты на охрану атомных объектов;
5. затраты на исполнение требований по экологии;
6. затраты на страховку;
7. затраты на перезарядку Тепло Выделяющих Элементов (ТВЭЛ) реактора через каждые 5-7 лет, что требует доставку платформы к специальным базам перезарядки и складирования отработанных ТВЭЛ.
Кроме того, атомное энергообеспечение ПП решает только одну из функций снабжения.
Известно изобретение (патент США №3.095.048, НКИ 175-6, 1959 г.) и подводное судно (Л. «Подводные аппараты», 1966 г., стр.78). Оба подводных устройства, обозначенные в этих источниках, предназначены для отбора проб грунта, в том числе методом неглубокого бурения. Но, как известно, шлюпка, увеличенная многократно не станет кораблем, так и относительно малые устройства не могут трансформироваться в промышленные крупногабаритные платформы. Поэтому оппонировать их построение излишне.
Известны подводные буровые платформы (патент РФ №2108264, МПК В63В 35/44, 1998 г. и патент РФ №2081289, МПК Е21В 7/12, 1997 г.). В этих изобретениях все очень грамотно с позиции горных специалистов, но онине удовлетворяет требованиям и условиям построения подводного судна, включая устройства, обеспечивающие работоспособность подводных платформ и их товарную вместимость.
Известно трехкорпусное подводное судно (А.С. №668187, МПК В63В 1/12). В этом изобретении представлена контурная архитектура трехкорпусного подводного судна, предназначенного для геологоразведочного бурения шельфа в тяжелых ледовых условиях. Принципиальная схема построения обосновала один из важнейших вопросов управляемости такого судна при залегании на дно без линейного хода. В этом изобретении также отсутствует ответ на вопрос по обеспечению работоспособности подводного судна и его вместимости добытым сырьем. Однако трехкорпусное подводное судно интересно для заявляемого изобретения тем, что в его построении существует достаточно простое конструкторское решение обеспечения превышения центра величин (центра плавучести) над центром масс (центра тяжести) в любом надводном или подводном положении. А именно, верхний прочный корпус оголить, а балластные отсеки увеличить в двух нижних корпусах. Такое решение гарантирует остойчивость трехкорпусного судна при всплытии и погружении. Это решение только способствует выбору направления в построении судна снабжения, но является недостаточным для принятия трехкорпусного судна в качестве ближайшего аналога.
Известна подводная лодка проекта 941 (АКУЛА), класс НАТО - ТАЙФУН. («ВОЕННО-МОРСКОЙ ФЛОТ РОССИИ И СНГ 1992 г.», справочник, г. Якутск, 1992 г., стр.8). Данная подводная лодка интересна для авторов заявки тем, что она имеет шахту работы компрессора под водой (РКП). Это означает, что существует устройство, выполняющее одну из функций, обеспечивающую длительную работоспособность лодки под водой, а именно - подачу в отсеки атмосферного воздуха и заполнение сжатым воздухом баллонов высокого давления. Однако логично утверждать, что применение воздухозаборной шахты весьма ограничено глубиной погружения лодки и скоростью ее хода, т.к. лодка в подводном положении не может застыть неподвижно, за исключением двух случаев - лечь на грунт и лечь на «жидкое дно» Под термином «жидкое дно» принято понимать определенный слой воды на определенной глубине океана, где резко меняется плотность воды за счет изменения температуры и солености, еще его называют «слой скачка» В океане он залегает на глубинах примерно 80-120 м. Однако выдвигать консольную воздухозаборную шахту с таких глубин, с учетом воздействия не нее подводных течений, представляется трудно выполнимой задачей. На ходу же, с повышением скорости лодки или глубины ее погружения, на водозаборную шахту возрастает сила сопротивления воды, создающая изгибающий момент на излом консоли шахты.
Известна подводная лодка проекта 940 (ЛЕНОК), класс «ИНДИА» («ВМФ России и СНГ 1992 г.», справочник, стр.32). Фактически спасательные аппараты являются подводными обитаемыми малыми лодками, базирующими на более крупной лодке. Логично предположить, что лодка-носитель оборудована стапелями для посадки на нее спасательных аппаратов в подводном положении и гнездами герметичного соединения (далее - ГГС) аппарата с прочным корпусом лодки. При этом лодка-носитель и спасательный аппарат оборудованы люковыми герметичными замками (далее - ЛГЗ) с ручным или автоматизированным механизмом замыкания и открытия. ЛГЗ также служат для герметизации полости прочного корпуса лодки и полости аппарата при разгерметизации их соединения в ГГС, например, когда аппарат отправляют на спасательные работы. Также ЛГЗ обеспечивает возможность перехода людей из спасательных аппаратов в прочный корпус лодки-носителя и обратно при стыковке сопряженной пары ГГС.
В качестве ближайшего аналога заявляемого изобретения выбрана подводная лодка (далее - ПЛ) проекта 641 («ВОЕННО-МОРСКОЙ ФЛОТ РОССИИ И СНГ 1992 г.», справочник, г.Якутск, 1992 г.). Прототип содержит: прочный корпус, обшитый с зазором легким корпусом; легкий корпус затопляемой ходовой рубки для надводного плаванья; балластные цистерны в виде отсеков в зазоре между прочным и легким корпусами; баллоны высокого давления, установленные на палубе прочного корпуса; дизеля с генераторами электрической энергии; механизмы перекачки жидкостей и компрессоры сжатого воздуха высокого давления; гребные винты и руль горизонтального хода, а также ЛГЗ на верхнем контуре прочного корпуса и ГГС под спасательные капсулы. Допустимо предполагать, что на ПЛ содержатся лебедки кабельных тросов и вьюшки гибких шлангов.
Выявлять недостатки ближайшего аналога бессмысленно, так как это боевой корабль. Но необходимо отметить мореходную особенность ближайшего аналога и прочих военных ПЛ. В надводном положении ПЛ остойчива в пределах метацентрического радиуса и может опрокинуться при превышении крена выше «угла заката». Эта особенность обоснована тем, что центр величин ПЛ расположен ниже или около центра масс. Кроме того, при погружении плавучесть ПЛ приближается к нулевому или отрицательному значению. Это означает, что у судна снабжения центр величин должен располагаться выше центра масс, и при этом оно должно иметь положительную плавучесть и в подводном положении.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является максимальное использование устройств и технологий, наработанных в военном кораблестроении при создании ПЛ.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение работоспособности судна снабжения подводной нефтедобывающей платформы под водой и расширение функциональных возможностей за счет возможности перекачки и хранения добытого сырья, а также использования в качестве спасательного судна, всплывающего без опрокидывания.
Поставленная задача решается тем, что судно снабжения подводной нефтедобывающей платформы, содержащее прочный корпус, легкий корпус затопляемой ходовой рубки, балластные цистерны, баллоны высокого давления, устройства заполнения и осушения балластных цистерн, дизеля с генераторами электрической энергии, аккумуляторные батареи, механизмы перекачки жидкостей и компрессоры сжатого воздуха, гребные винты и руль горизонтального хода, шлюзовой канал, гнезда герметичного соединения, комплекты муфт герметичного соединения, группу люков герметичных замков, лебедки кабельных тросов и вьюшки гибких шлангов, отличается тем, что в его конструкцию внесены существенные изменения и дополнения, а именно:
- судно снабжения дополнено коммутирующей платформой, при этом корпус судна снабжения выполнен замкнутым по типу прочного корпуса ПЛ с группой люков герметичных замков на палубе, а балластные, топливные и прочие цистерны и баллоны высокого давления расположены в полости корпуса судна на его нижнем контуре, на этом же контуре в прочном корпусе судна снабжения установлен дополнительный люк герметичного замка, снабженный гнездом герметичного соединения судна снабжения с ответным гнездом на коммутирующей платформе;
- составной корпус коммутирующей платформы выполнен по типу составных корпусов ПЛ с балластными цистернами в виде отсеков в полости между прочным и легким корпусами, при этом прочный корпус коммутирующей платформы снабжен муфтами герметичного соединения с системой заполнения и продувки балластных отсеков, гибких шлангов и кабельных тросов;
- коммутирующая платформа снабжена шлюзовым каналом, который расположен вертикально и пропущен через палубу и днище легкого корпуса коммутирующей платформы, при этом патрубок шлюзового канала исполняет функцию прочного корпуса данной платформы, а над люками герметичных замков шлюзового канала установлены гнезда герметичного соединения с ответными гнездами на судне и на подводной нефтедобывающей платформе;
- на палубе коммутирующей платформы установлен стапель под днище судна снабжения, а на днище этой платформы в легком корпусе предусмотрены сквозные отверстия под прокладку гибких шлангов и кабельных тросов, соединенных с соответствующими муфтами на прочном корпусе, причем кабельные тросы и гибкие шланги связаны с подводной нефтедобывающей платформой;
- на днище коммутирующей платформы установлены скобы для крепления кабельных тросов, которые связаны с лебедками на подводной нефтедобывающей платформе, при этом гибкие шланги свободно свисают с коммутирующей платформы, а внизу связаны с механизированными вьюшками на подводной нефтедобывающей платформе;
- на легком корпусе подводной нефтедобывающей платформы установлены лебедки кабельных тросов и механизированные вьюшки гибких шлангов, снабженные муфтами герметичных соединений, а на прочном корпусе установлены муфты герметичного соединения кабельных тросов и гибких шлангов;
- на верхнем контуре прочного корпуса подводной нефтедобывающей платформы установлен дополнительный люк герметичного замка в комплекте с гнездом герметичного соединения под ответное гнездо на коммутирующей платформе, а на палубе подводной нефтедобывающей платформы предусмотрен стапель под днище коммутирующей платформы.
На фиг.1 показана принципиальная схема построения судна снабжения. Авторы пока не нашли в открытых источниках обоснованную архитектуру построения подводной нефтедобывающей платформы, отвечающую на существенно важный вопрос о вместимости накопленного сырья. Поэтому, для пояснения принципа построения и примера использования судна снабжения, вынуждены привязаться к гипотетической платформе с прочным лодочным корпусом и значительно увеличенным легким корпусом прямоугольной формы.
На чертеже показаны судно снабжения 1, шлюзовой канал 2, патрубок которого исполняет функцию прочного корпуса коммутирующей платформы 3, гнезда 4 герметичного соединения коммутирующей платформы 3 с судном снабжения 1 и гнезда 5 герметичного соединения подводной нефтедобывающей платформы 6 с коммутирующей платформой 3, муфты 7 и 8 герметичного соединения кабельных тросов 9, лебедки 10 кабельных тросов 9, стапель 11 на коммутирующей платформе 3 под днищем судна снабжения 1, скобы 12 крепления кабельных тросов 9, стапель 13 на палубе подводной нефтедобывающей платформы 6 под днищем коммутирующей платформы 3, прочный корпус 14 подводной нефтедобывающей платформы 6.
С целью упрощения принципиальной схемы построения заявленного судна снабжения на чертеже не показаны свободно свисающие гибкие шланги, системы заполнения и продувки балласта, механизированные вьюшки гибких шлангов, элементы коммутации концов кабельных тросов и гибких шлангов с соответствующими им муфтами герметичных соединений и люковые герметичные замки.
Работу судна снабжения необходимо пояснить при исполнении шести операций:
- при буксировке подводной нефтедобывающей платформы к месту постановки;
- при погружении подводной нефтедобывающей платформы на скважину;
- при исполнении функций снабжения;
- при вахтовой смене экипажа подводной нефтедобывающей платформы и пополнении запасов продуктов питания и питьевой воды;
- при аварийной спасательной операции с последующей перевозкой экипажа подводной нефтедобывающей платформы в безопасное место;
- при активизации агрессивности в приповерхностной зоне океана. Операция буксировки. Возможны два варианта исполнения:
буксировка в сборе и буксировка раздельно. Вариант в сборе предусматривает предварительную установку на стапеле 13 подводной нефтедобывающей платформы 6 коммутирующей платформы 3, а на стапеле 11 коммутирующей платформы 3 - судна снабжения 1. При этом подводная нефтедобывающая платформа 6 и коммутирующая платформа 3 и судно снабжения 1 герметично соединены в гнездах 4 и 5. В таком виде подводную нефтедобывающую платформу 6 буксируют к месту добычи нефти и погружают на превентор скважины. После постановки подводной нефтедобывающей платформы 6 на дно замыкают люковые герметичные замки, примыкающие к гнездам 5, и размыкают эти гнезда. Затем включают лебедки 10 и вьюшки на «подъем». При этом тяговую нагрузку от положительной плавучести судна снабжения 1 воспринимают только лебедки 10 с кабельными тросами 9, а приводы вьюшек работают на сброс гибких шлангов с умеренным натяжением. После всплытия судна снабжения 1 на нем приступают к обеспечению подводной нефтедобывающей платформы 6 электроэнергией и сжатым атмосферным воздухом. При буксировке раздельно на подводной нефтедобывающей платформе 6 предварительно устанавливают только коммутирующую платформу 3, а судно снабжения 1 идет на собственных двигателях и садится (или швартуется днищем) на коммутирующую платформу 3, которая, после продувки ее балластных цистерн, всплывает с подводной нефтедобывающей платформы 6 на глубину регулируемой осадки судна снабжения 1.
Для передачи добытой нефти танкеру открывают верхний люк герметичного замка на судне снабжения 1 и передают на танкер судовой гибкий шланг, который пропущен в полость шлюзового канала 2 коммутирующей платформы 3 и через муфты 7 и 8 связан с устройством перекачки нефти на подводной нефтедобывающей платформе 6.
Для пополнения запасов продуктов питания, питьевой воды и вахтовой смены части экипажа прочного корпуса 14 подводной нефтедобывающей платформы 6 замыкают («задраивают») все люки на судне снабжения 1 и соединенной с ним коммутирующей платформе 3, после чего лебедками 10 затягивают их на стапель 13 с герметизацией гнезда 5. Затем открывают люки из полости корпуса судна снабжения 1 в полость шлюзового канала 2 коммутирующей платформы 3, а из нее - в полость прочного корпуса 14 подводной нефтедобывающей платформы 6. По образованному сквозному вертикальному туннелю передают продукты питания, перекачивают питьевую воду и переходят люди. Затем, обозначенными уже действиями осуществляют подъем судна снабжения 1 до всплытия. Переход вахтовой группы из судна снабжения 1 и пополнение запасов продуктов и питьевой воды на судне снабжения 1 выполняют в период перекачки нефти из подводной нефтедобывающей платформы 6 в танкер. В этот период и с танкера переходит на судно снабжения 1 сменная группа экипажа из полости прочного корпуса 14 подводной нефтедобывающей платформы 6. После завершения перекачки нефти операция погружения судна снабжения 1 с коммутирующей платформой 3 и переход смены группы экипажа из судна снабжения 1 в полость прочного корпуса 14 подводной нефтедобывающей платформы 6 повторяется. Затем судно снабжения 1 всплывает для исполнения функций энергообеспечения и снабжения свежим воздухом.
При активизации агрессивности в приповерхностной зоне океана судно снабжения 1 с коммутирующей платформой 3 лебедками 10 затягивают на безопасную глубину. При этом в полости прочного корпуса 14 подводной нефтедобывающей платформы 6 и на судне снабжения 1 переходят на энергоснабжение от заряженных аккумуляторов. После снижения агрессивности судно снабжения 1 опять всплывает. Операцию аварийной эвакуации экипажа из полости прочного корпуса 14 подводной нефтедобывающей платформы 6 выполняют, как и при вахтовой смене экипажа, но после всплытия судна снабжения 1 оно снимается с коммутирующей платформы 3 и уходит в безопасное место.
2
На чертеже показан вариант расположения лебедок 10 и механизированных вьюшек на прочном корпусе 14 подводной нефтедобывающей платформы 6, что не исключает их расположение на коммутирующей платформе 3 и не нарушает условие «кабельные тросы и гибкие шланги связаны с подводной нефтедобывающей платформой». Целесообразность их расположения будет определена при проектировании реального изделия. При этом большое значение будет иметь способ намотки нефтяного шланга на вьюшку, учитывая то, что такой шланг должен иметь в сечении площадь канала не менее 120-150 см. Представим для примера два варианта: намотка сплющенного шланга и намотка заполненного шланга. При избрании первого варианта габариты вьюшки представляются достаточно приемлемыми, но возникает необходимость в дополнительных устройствах сплющивания. При избрании второго варианта габариты вьюшки значительно возрастают. Возможно, что кто-то предложит другие варианты укладки нефтяного шланга. С воздушным шлангом вопросы не возникают, так как большие объемы воздуха в сжатом виде можно с большой скоростью перекачивать с судна снабжения на подводную нефтедобывающую платформу по шлангу малого диаметра. Однако решение этих вопросов не касается сущности заявленного изобретения.
Реализация представленной схемы построения судна снабжения со всеми сопутствующими элементами не вызывает особых проблем по технологии и технике их изготовления, так как они применяются при строительстве подводных лодок и надводных судов.
Для представления о примерных параметрах и мощности судна снабжения: диаметр корпуса 4-4,5 м, длина корпуса 35-45 м, минимальная положительная плавучесть 80 тонн, мощность дизель-генераторов 4,5 МВат. Примерные параметры коммутирующей платформы: длина 30 м, ширина 3 м, высота 2 м, положительная плавучесть при осушенных балластных цистернах 100 тонн, отрицательная плавучесть при заполненных балластных цистернах 60 тонн.