ПОДВОДНЫЙ ЯКОРЬ
UNDERWATER ANCHOR

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к подводному анкерному устройству для прикрепления подводного оборудования ко дну.
Уровень техники
Для прикрепления плавающих установок или подводного оборудования к морскому дну известно введение в морское дно цилиндрических труб. Некоторые из них известны как засасывающиеся анкерные устройства, которые предназначены для их введения в морское дно путем обеспечения более низкого давления внутри трубы по сравнению с давлением снаружи нее. Другие вводятся в морское дно лишь под действием гравитации. Эти анкерные устройства рассчитаны на силы трения между цилиндрической трубой и морским дном.
Документ US 6910831 описывает анкерное устройство, которое предназначено для его введения в морское дно путем обеспечения отрицательного (более низкого, чем в окружающей среде) давления внутри него.
Для обеспечения такого отрицательного давления цилиндрическое анкерное устройство должно быть закрыто в его верхней части. Таким образом, анкерное устройство имеет цилиндрическую боковую стенку и верхнюю пластину. Кроме того, известно наличие крышки в верхней пластине. Путем открытия этой крышки анкерное устройство может быть введено на некоторое расстояние в морское дно под действием гравитации. Кроме того, при опускании анкерного устройства с поверхности выгодно открывать крышку для уменьшения сопротивления воды и дополнительного веса, причем последний возникает, когда скорость анкерного устройства в воде изменяется. Например, если анкерное устройство опускают с плавающей установки с помощью подъемного крана, натяжение в тросе этого подъемного крана может изменяться, когда высокие волны изменяют вертикальную позицию или ориентацию плавающей установки. Это особенно важно во время прохождения анкерного устройства через морскую поверхность. В частности, необходимо избегать провисания троса, которое может оказать отрицательное влияние на конструкцию подъемного крана.
Как было сказано, известно открытие крышки для уменьшения дополнительного веса анкерного устройства. При открытой крышке вода может течь через цилиндрическое тело анкерного устройства, равно как и воздух во время прохождения анкерного устройства через морскую поверхность. Однако такие крышки малы и лишь в малой степени способствуют уменьшению дополнительного веса анкерного устройства. Некоторые технические решения уровня техники пытаются решить эту проблему путем использования большего количества крышек. В результате верхние пластины некоторых анкерных устройств имеют две или три открытые крышки при опускании анкерного устройства к морскому дну.
При увеличении количества крышек уменьшается дополнительный вес анкерного устройства. Однако даже наличие двух или трех крышек в круглой верхней пластине открывает лишь малую долю площади этой верхней пластины анкерного устройства. В результате этого значительный дополнительный вес, обусловленный верхней пластиной, сохраняется. Задачей настоящего изобретения является решение этой проблемы.
Раскрытие изобретения
Настоящим изобретением предлагается подводное анкерное устройство, имеющее полое цилиндрическое тело, проходящее вниз от верхней части. Верхняя часть имеет верхнее отверстие и крышку для закрытия и открытия верхнего отверстия. Цилиндрическое тело выполнено с возможностью введения в морское дно. Согласно изобретению, площадь указанного верхнего отверстия составляет по меньшей мере 30% площади поперечного сечения полости цилиндрического тела.
При наличии такого верхнего отверстия и крышки, находящейся в открытой позиции, силы сопротивления воды при опускании или подъеме анкерного устройства в воде уменьшены более чем в два раза по сравнению со случаями, когда крышка закрыта, или когда анкерное устройство не имеет крышки. Более важно то, что дополнительный вес, вызванный ускорением масс воды при ускорении анкерного устройства, уменьшен приблизительно на 10% по сравнению со случаем, когда крышка закрыта. Это обусловлено тем, что вода, находящаяся внутри цилиндрического тела, может почти свободно течь через открытое верхнее отверстие указанного размера. Это особенно выгодно при опускании анкерного устройства в зоне с волнами на тросе подъемного крана, установленного на плавающей установке, поскольку дополнительный вес анкерного устройства увеличивает риск провисания троса.
В одном предпочтительном варианте осуществления площадь верхнего отверстия составляет по меньшей мере 50% соответствующей площади поперечного сечения полости цилиндрического тела. Такой процент обеспечен, например, когда анкерное устройство имеет цилиндрическое тело с диаметром приблизительно 8 метров, а верхнее отверстие имеет диаметр приблизительно 6 метров или даже меньше. Когда площадь верхнего отверстия составляет приблизительно 50%, дополнительный вес уменьшается приблизительно до нуля.
В еще одном варианте анкерное устройство содержит опорную раму, которая расположена на верхней пластине. Опорная рама имеет центральную открытую область, ограниченную рамой. Центральная открытая область обеспечивает пространство для перемещения крышки между открытым и закрытым положениями через опорную раму.
В одном варианте осуществления опорная рама представляет собой опорную плиту для куста скважин с множеством окон под скважины.
Опорная рама может содержать два юстировочных винта и шаровой шарнир, предназначенные для юстировки опорной рамы, т.е. изменения ее ориентации относительно частей анкерного устройства, входящих в морское дно. Кроме того, опорная рама может содержать два регулируемых опорных винта, которые могут входить в контакт с верхней пластиной от опорной рамы, или наоборот. Опорные винты, таким образом, используются не для юстировки, а для обеспечения дополнительных опорных точек между опорной рамой и верхней пластиной анкерного устройства.
Предпочтительно, цилиндрическое тело имеет, по существу, круглое поперечное сечение и внешний диаметр от 3 до 12 метров. Более предпочтительно, диаметр находится в диапазоне от 6 до 10 метров.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения подводное анкерное устройство снабжено опорной рамой, представляющей собой опорную плиту для куста скважин с множеством окон под скважины. Этот вариант осуществления особенно хорошо подходит для использования на больших глубинах, таких как 1000 метров и более. Преимущества этого варианта осуществления станут понятны из приведенного ниже подробного описания.
Краткое описание графических материалов
Выше было приведено общее описание изобретения, а ниже - описание неограничивающих вариантов со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых
фигура 1 - перспективный вид анкерного устройства согласно изобретению с крышкой в открытой позиции,
фигура 2 - перспективный вид анкерного устройства, показанного на фигуре 1, с крышкой в закрытой позиции,
фигура 3 - вид сверху анкерного устройства с крышкой в закрытой позиции,
фигура 4 - вид сбоку в разрезе верхней части анкерного устройства,
фигура 5 показывает одну область вида, показанного на фигуре 4, где видны крышка и уплотнительная прокладка,
фигура 6 - вид в поперечном сечении уплотнительной прокладки, расположенной между крышкой и верхней пластиной,
фигура 7 - перспективный вид альтернативного варианта, содержащего анкерное устройство согласно изобретению и опорную плиту для куста скважин.
Осуществление изобретения
Фигура 1 показывает анкерное устройство 1 согласно изобретению. Анкерное устройство 1 имеет цилиндрическое тело 3, которое имеет цилиндрическую стенку с толщиной, которая мала по сравнению с внутренним диаметром. Обычно толщина стенки находится в диапазоне от 1 до 4 см. Внутренний диаметр цилиндрического тела 3 может составлять, например, 8 метров, но в некоторых случаях может быть меньше (например, 3 или 6 метров) или больше (например, 10 или 12 метров).
Поверх цилиндрического тела 3 расположена опорная рама 5, выполненная с возможностью приема подводного оборудования, такого как нагнетательный трубопровод (не показан), когда анкерное устройство установлено в морском дне. Опорная рама 5 имеет четыре опорные поверхности 7, на которые устанавливается подводное оборудование.
Сопряжение между опорной рамой 5 и цилиндрическим телом 3 содержит два котировочных винта 9 и шаровой шарнир 11. После введения анкерного устройства в морское дно опорную раму 5 юстируют указанными двумя котировочными винтами 9, которые приводятся в действие дистанционно управляемым подводным аппаратом. Во время этого процесса опорная рама поворачивается вокруг шарового шарнира 11.
Опорная рама 5 имеет, по существу, прямоугольную или квадратную форму и изготовлена главным образом из двутавровых балок, соединенных сваркой. Кроме того, опорная рама 5 имеет выступающую часть 5b, которая немного выступает наружу из прямоугольной формы, и в которой расположен шаровой шарнир 11. Необходимо отметить, что опорная рама 5 имеет большую центральную область без каких-либо элементов. Котировочные винты 9 и шаровой шарнир 11, предпочтительно, расположены непосредственно над стенкой цилиндрического тела 3 для передачи усилий в вертикальном направлении непосредственно цилиндрическому телу 3.
В верхней части цилиндрического тела 3 расположена верхняя пластина 13, которая имеет верхнее отверстие 15. Верхнее отверстие 15 может быть открыто и закрыто крышкой 17, которая прикреплена к верхней пластине 13 с помощью шарниров 18. Кроме того, на крышке 17 расположены запирающие крышку средства 19, которые могут приводиться в действие дистанционно управляемым подводным аппаратом, когда крышка 17 находится в закрытой позиции, показанной на фигуре 2.
Когда крышка 17 находится в закрытой позиции, показанной на фигуре 2, анкерное устройство открыто лишь снизу, поскольку цилиндрическое тело 3 является открытым снизу. Крышка 17 может быть заперта в этой позиции дистанционно управляемым подводным аппаратом путем вращения средства 21 сопряжения с дистанционно управляемым подводным аппаратом, которое (средство) расположено на верхней стороне крышки 17. В данном случае средство 21 сопряжения с дистанционно управляемым подводным аппаратом представляет собой стержень, предназначенный для его вращения дистанционно управляемым подводным аппаратом. При вращении средства 21 сопряжения с дистанционно управляемым подводным аппаратом запирающие элементы 19a проталкиваются внутрь запирающих петель 19b. Запирающие петли 19b расположены на верхней пластине 13 вдоль периметра верхнего отверстия 15. Предпочтительно, запирающие элементы 19a имеют наклонную верхнюю поверхность, в результате чего направленная вниз сила действует на крышку 17, когда эти наклонные верхние поверхности запирающих элементов 19a перемещаются в контакте с запирающими петлями 19b.
Фигура 3 показывает сверху анкерное устройство 1 с крышкой 17 в закрытой позиции. На этом виде центральная область опорной рамы 5, не имеющая каких-либо элементов, видна особенно хорошо. Эта центральная область больше, чем размер крышки 17, благодаря чему обеспечено пространство для открытия и закрытия крышки 17 через эту центральную часть.
Фигура 4 показывает вид сбоку в разрезе плоскостью А-А, показанной на фигуре 3. Этот чертеж показывает крышку 17 в закрытой позиции и запирающие элементы 19а, введенные внутрь запирающих петель 19b, т.е. в позиции запирания.
Более подробный вид в разрезе показан на фигуре 5. Уплотнительная прокладка 23 расположена на крышке 17 для уплотнения по верхней пластине 13 анкерного устройства 1. Уплотнительная прокладка 23 проходит вдоль всего периметра крышки 17 для обеспечения полного уплотнения по верхней пластине 13 анкерного устройства 1. Благодаря этому оператор имеет возможность обеспечивать положительное (более высокое, чем в окружающей среде) или отрицательное (более низкое, чем в окружающей среде) давление внутри анкерного устройства 1, когда нижняя часть последнего введена в морское дно достаточно для обеспечения замкнутого пространства внутри этого анкерного устройства. В анкерном устройстве 1 имеется отверстие (не показано) для жидкости, с помощью которого внутри анкерного устройства 1 может быть обеспечено желаемое давление.
Уплотнительная прокладка 23 более подробно изображена на фигуре 6, показывающей уплотнительную прокладку в поперечном сечении. Уплотнительная прокладка 23 ее верхней частью присоединена к крышке 17. Уплотнительная прокладка 23 имеет внутренний выступ 23a и наружный выступ 23b, которые могут свободно перемещаться при их прижатии к обращенной к ним уплотнительной поверхности верхней пластины 13. Кроме того, внутренний и наружный выступы 23a, 23b, проходящие противоположно в радиальном направлении, гарантируют уплотнение при любом направлении градиента давления. Иными словами, уплотнительная прокладка 23 выполняет уплотнительную функцию как при положительном, так и при отрицательном давлении внутри анкерного устройства. Например, при положительном давлении внутри анкерного устройства 1 внутренний выступ 23a прижат этим давлением к обращенной к нему уплотнительной поверхности.
При опускании анкерного устройства 1 к морскому дну с плавающей установки крышка 17 может быть закреплена в открытой позиции, показанной на фигуре 1, например, тросом, который разрезают после того, как анкерное устройство 1 достигло дна. После освобождения крышки 17 из этой позиции она просто падает в закрытую позицию под действием гравитации. Ввиду большого сопротивления воды это падение является достаточно плавным для предотвращения повреждения уплотнительной прокладки 23.
Фигура 7 показывает еще один вариант осуществления подводного анкерного устройства 1' согласно настоящему изобретению. В этом варианте осуществления цилиндрическое тело 3 имеет внешний диаметр 10 метров, в то время как верхнее отверстие 15, закрываемое крышкой 17, имеет диаметр 7,5 метров.
Опорная рама 5' этого варианта осуществления представляет собой опорную плиту для куста скважин с четырьмя окнами 25 под скважины. Помимо двух котировочных винтов 9' и шарового шарнира 11 (не показан), о которых говорилось выше, опорная рама 5' также содержит два выполненных с возможностью регулировки опорных винта 9a, из которых на фигуре 7 виден лишь один. После установки цилиндрического тела 3 на морское дно опорную раму 5' юстируют, как описано выше, котировочными винтами 9', при этом опорная рама 5' поворачивается вокруг шарового шарнира 11'. После юстировки опорной рамы 5' указанные два опорных винта вывинчивают вниз в контакт с верхней пластиной 13 анкерного устройства 1'. Таким образом, в варианте осуществления, показанном на фигуре 7, опорная рама 5' имеет пять точек (из которых на фигуре 7 видны лишь три), которыми она опирается на верхнюю часть анкерного устройства 1'. Опорные винты 9а применены в дополнение к котировочным винтам 9' и шаровому шарниру 11' в связи с большой массой, которая может быть приложена к окнам 25 под скважины при установке направляющих обсадных колонн, масса которых может составлять несколько десятков тонн.
В уровне техники является общепринятой практикой располагать опорную плиту для куста скважин на нескольких (обычно четырех) трубчатых анкерных устройств. При этом опорную плиту для куста скважин юстируют путем регулировки глубины введения каждого трубчатого анкерного устройства в морское дно. При использовании засасывающихся анкерных устройств, имеющих выполненную с возможностью герметизации верхнюю часть, стенка цилиндрического тела должна быть толстой, чтобы выдерживать возможное давление, необходимое для регулировки глубины введения в морское дно во время юстировки. Этого желательно избежать.
При большей глубине моря свойства морского дна ухудшаются: поверхностные слои донного грунта являются рыхлыми, а более твердые слои расположены намного ниже. Кроме того, прогнозировать свойства донного грунта сложно.
Таким образом, чем больше глубина моря, тем больше должен быть вертикальный размер всех используемых анкерных устройств, полагающихся на трение между их наружной поверхностью и морским дном. При установке опорной плиты для куста скважин на большой морской глубине, например 1000 метров и более, данное техническое решение уровня техники становится трудоемким и нецелесообразным.
Установка опорной плиты для куста скважин лишь на одно подводное анкерное устройство 1', как в варианте осуществления из фигуры 7, таким образом, является целесообразным техническим решением. Поскольку вся опорная плита для куста скважин покоится лишь на одном анкерном устройстве 1', глубину введения этого анкерного устройства 1' в морское дно не нужно регулировать относительно соседних анкерных устройств. После введения анкерного устройства 1' в морское дно опорная плита для куста скважин может быть отъюстирована котировочными винтами 9', приводимыми в действие с помощью дистанционно управляемого подводного аппарата; кроме того, операцию опускания на морское дно необходимо выполнять лишь для одного анкерного устройства.
Вариант осуществления, описанный со ссылкой на фигуру 7, таким образом, особенно хорошо подходит для больших глубин моря, таких как 1000 метров и более.
Кроме четырех окон 25 под скважины, показанных на фигуре 7, опорная рама 5' имеет четыре выступающие части 27, которые отходят от опорной рамы 5', имеющей в целом прямоугольную форму. Назначением этих выступающих частей 27 является присоединение щита (не показан), который может быть установлен для закрытия и защиты сверху опорной плиты для куста скважин. Такие щиты описаны в документе WO 2010103002.
Нагнетательный трубопровод (не показан) может быть расположен между двумя парами окон 25 под скважины.
Опорная рама 5' варианта осуществления, показанного на фигуре 7, кроме того, отличается от опорной рамы, описанной со ссылкой на фигуру 1, тем, что она содержит балки прямоугольного полого поперечного сечения. Балки прямоугольного полого поперечного сечения выдерживают значительно большие изгибающие моменты, чем двутавровые балки, используемые в варианте осуществления из фигуры 1. Выступающая часть 5b, показанная на фигуре 1, может отсутствовать в варианте осуществления, показанном на фигуре 7.