ОПОРНАЯ СТРУКТУРА МОРСКОГО КОМПЛЕКСА, ОПОРА И СПОСОБ МОНТАЖА ОПОРНОЙ СТРУКТУРЫ
SUPPORT STRUCTURE OF MARINE COMPLEX, SUPPORT AND METHOD OF SUPPORT STRUCTURE ASSEMBLY

Группа изобретений относится к искусственным сооружениям, сооружаемым на мелководном шельфе, точнее к опорной засыпной структуре и опорам морского комплекса, размещенным на донном грунте.
Известны различные системы опорных структур для морских комплексов, сооружаемых на мелководье в замерзающих морях, которые могут быть выполнены на основе гравитационно-кессонных конструкций, или посредством сооружения засыпных сооружений, которые по сути являются искусственными островами. Такие сооружения должны позволять размещение необходимого бурового оборудования и выдерживать напор льдов.
В практике строительства буровых или производственных платформ на мелководье наибольшее развитие получили гравитационно-кессонные конструкции. Данное обстоятельство связано с тем, что такие конструкции, обладающие большой массой, позволяют выдержать большую ледовую нагрузку и при этом имеют необходимую полезную площадь, чтобы разместить необходимое оборудование
Гравитационно-кессонные конструкции, как правило, доставляются на место установки целиком, или крупными частями и монтируются на специально подготовленном основании. Такие конструкции могут заполняться балластом, например, бетоном. К таким конструкциям можно отнести решения по патентам GB 2136032, публикация 30. 03.1983, US 3117423, публикация 14.01.1964, US 5316413, публикация 31.05.1994.
Строительство гравитационно-кессонных конструкций достаточно трудоемко, требует большого объема металлических конструкций и значительного времени на монтаж. Сооружение таких конструкций на мелководье требует достаточно сложного оборудования для доставки конструкций и их монтажа.
Известны также примеры засыпных конструкций для морских комплексов.
В авторском свидетельстве SU 1752866, «Цилиндрическая ограждающая оболочка искусственного острова», публикация 7.08.1992, описана ограждающая оболочка для монтажа в замерзающих морях, состоящая из отдельных панелей, соединенных между собой подвижными соединениями. Цилиндрическая ограждающая оболочка транспортируется к месту установки в сложенном виде. В месте установки она переводится в вертикальное положение, разворачивается в виде цилиндра и устанавливается на грунт. Далее оболочка засыпается грунтом.
Известен «Способ монтажа искусственного острова», описанный в патенте RU 2107773, публикация 27.03.1998, включающий сборку оконтуривающей оболочки, образование грунтового ядра внутри ее путем намыва и уплотнения и установку верхнего строения платформы в виде блок модулей. После образования грунтового ядра внутри оболочки производят забивку свай, на которые монтируют несущую палубу. Данный способ позволяет уменьшить диаметр искусственного острова, по сравнению с конструкцией по SU 1752866.
Указанные конструкции по SU 1752866 и RU 2107773 достаточно сложны, как при изготовлении, так и при монтаже, прежде всего потому, что оболочка выполнена из отдельных панелей, соединенных шарнирами. Кроме того, в качестве заполнения оболочки используется намывной грунт, который обладает слабыми фрикционными свойствами. Поэтому диаметр оболочки, и размер острова приходится делать достаточно большим, чтобы он выдержал напор льдов в зимний период. Отсюда возрастает и объем работ, которые необходимо произвести.
Известна также конструкция морской засыпной опоры, описанная в заявке WO 02095139, публикация 28.11.2002. Опора включает замкнутую по периметру жесткую оболочку, установленную на морском дне и заполненную грунтом, или смесью грунта, щебня и камня. Оболочка может содержать продольные или поперечные ребра жесткости и выполняется преимущественно из стали. В заявке также описан пример выполнения опоры, которая устанавливается на более глубоких участках и состоит из двух оболочек, более широкой, устанавливаемой на грунте и верхней, более узкой, устанавливаемой сверху. При слабых грунтах предусматривается укрепление донного грунта под опорой с помощью свай, которые доходят до нижнего края оболочки, установленной на грунте. В некоторых случаях предусмотрено анкерное крепление оболочки к грунту.
Такая засыпная опора позволяет достаточно быстро сооружать засыпной искусственный остров, для возведения не требует большого объема металлоконструкций и сложного оборудования для монтажа. При этом данная опора предназначена для сооружения достаточно небольших морских сооружений. Таких как ветряные электростанции. Сооружение бурового или производственного комплекса на такой опоре представляется затруднительным ввиду его небольшой площади. Кроме того, данная конструкция засыпной опоры имеет недостаточное сопротивление сдвигу при воздействии ледовых полей.
Поэтому существует потребность в эффективных конструкциях засыпных сооружений для сооружения морских комплексов, в том числе буровых комплексов, мелководного шельфа замерзающих морей.
Заявляемая группа изобретений, объединенная общим изобретательским замыслом, включает опорную структуру морского комплекса, устройство опоры опорной конструкции и способ монтажа опорной структуры.
Опорная структура морского комплекса, предназначенного для установки на мелководье, включает, по меньшей мере, две опоры, установленные на мелководье, каждая из опор выполнена, по меньшей мере, из одной замкнутой по периметру жесткой оболочки, заполненной внутри каменным материалом. Нижняя оболочка опоры установлена на морском дне, а каждая из установленных выше оболочек в нижней части выполнена меньшего размера по периметру, чем периметр верхней части более нижней оболочки, при этом, по меньшей мере, часть верхней оболочки выполнена конусообразной формы. Каждая из опор выполнена с возможностью установки технологических объектов и оборудования морского комплекса и размещения между опорами элементов, объединяющих отдельные технологические объекты в единый морской комплекс.
Опорная структура морского комплекса включает несколько опор, расположенных на мелководном шельфе в такой конфигурации, чтобы обеспечить эффективную работу морского комплекса, при этом противостоять течениям и ледовым нагрузкам, характерным для данного района. На отдельных опорах могут размещаться части комплекса, выполняющих отдельные функции, например, собственно буровая установка, производственные модули, оборудование для сбора и хранения нефти и сжиженного газа, вертолетная площадка, энергетические, жилые и хозяйственные блоки.
Технический результат достигаемый применением конструкции опорной структуры следующий:
- может быть смонтирована на акватории быстро, за один летний сезон;
- требует небольших затрат при строительстве, за счет использования простых и легких оболочек и доступного каменного материала;
- из однотипных опор может быть создан большой, разветвленный комплекс, где для каждой части можно определить различные технологические функции комплекса;
- расположение опор разветвленного комплекса на акватории может учитывать ледовую обстановку в данном районе, например, опоры могут быть установлены одна за другой, в направлении дрейфа льда;
- опора может эффективно противостоять ледовым и волновым нагрузкам за счет небольшого диаметра и возможности противостоять значительным сдвиговым усилиям;
- опорная структура может быть демонтирована как целиком, так и по частям, за счет демонтажа отдельных опор, а материалы, в том числе оболочки и каменное заполнение могут быть использованы повторно.
Оболочка опоры опорной структуры для простоты изготовления и монтажа может быть выполнена симметричной относительно вертикальной оси и, по меньшей мере, верхняя оболочка может быть внутри снабжена поперечными и/или продольными ребрами жесткости.
Для эффективного противостояния напору льда при его подвижках часть верхней оболочки имеет прямую или обратную конусность.
Верхняя оболочка в зависимости от назначения может иметь диаметр в диапазоне от 30 до 60 метров, а соотношение диаметра D к высоте Н у каждой из оболочек лежит в диапазоне от 1/3 до 1/10.
Подол оболочки снабжен по периметру кольцевой подошвой для установки на грунт или на каменный материал с целью усиления и обеспечения ровного оседания.
В качестве каменного материала опоры могут быть введены каменные строительные материалы фракцией 20 мм - 140 мм, в частности использован камень, булыжный гравий, щебень.
Опора опорной структуры может быть усилена, меньшей мере, одной сваей, закрепленной в прочном донном грунте, при этом свая пропущена через каменный материал опоры и доведена до верха верхней оболочки.
Для эффективного использования достаточно небольшого пространства отдельной опоры, по меньшей мере, одна из свай может быть выполнена с возможностью использования в качестве складского помещения или размещения технологического оборудования.
При необходимости формирования большей площади под оборудование опорная структура может содержать несколько опор, которые установлены вплотную друг к другу. При этом сооружение этих опор ведется из однотипных элементов по технологии, применяемой для сооружения отдельной опоры.
Следующим изобретением является конструкция опоры.
Опора опорной структуры выполнена, по меньшей мере, из одной замкнутой по периметру жесткой оболочки, заполненной внутри каменным материалом. Нижняя оболочка опоры установлена на морском дне, а каждая из установленных выше оболочек в нижней части выполнена меньшего размера по периметру, чем периметр верхней части более нижней оболочки. По меньшей мере, часть верхней оболочки выполнена конусообразной формы. Через каменный материал опоры пропущены по меньшей мере, одна свая, закрепленная в прочном донном грунте. Каждая из свай доведена до верха верхней оболочки и, по меньшей мере, одна свая выполнена с возможностью использования в качестве складского помещения или размещения технологического оборудования.
Конструкция опоры предусматривает малую площадь опоры, для упрощения ее монтажа, что также снижает суммарную ледовую нагрузку на опору в зимний период, при этом сама конструкция опоры обеспечивает эффективное сопротивление сдвиговым нагрузкам, возникающим при воздействии движущихся ледовых полей. Каждая из свай, проходящая через каменный материал, эффективно передает срезывающие усилия на твердое дно. Сочетание жесткой оболочки, которая передает усилия сдвига на каменный материал, который в силу взаимодействия отдельных фракций каменного материала, устойчив к сдвигу, и свай, пропущенных через этот материал, которые передают усилие на грунт, в сочетании весьма эффективны к сдвиговым нагрузкам. При этом часть свай выполняет двойную функцию, участвует в обеспечении устойчивости опоры и внутренний объем сваи является складским помещением или в нем размещается работающее технологическое оборудование морского комплекса. Все это позволяет не только успешно противостоять сдвигу, но и эффективно использовать объем опоры. Сваи могут быть выполнены диаметром от 2 метров до 5 метров.
Оболочка может быть выполнена симметричной относительно вертикальной оси и по меньшей мере, верхняя оболочка внутри снабжена поперечными и/или продольными ребрами жесткости для придания ей жесткости, необходимой при транспортировке и установке оболочки, а также для более эффективного взаимодействия оболочки с каменным материалом при эксплуатации опоры.
Для снижения ледовой нагрузки на конструкцию опоры часть верхней оболочки имеет прямую или обратную конусность.
Верхняя оболочка, в зависимости от назначения, может иметь диаметр в диапазоне от 30 до 60 метров, а соотношение диаметра D к высоте Н у каждой из оболочек лежит в диапазоне от 1/3 до 1/10. Такие размеры оболочек позволяют обеспечить устойчивость опоры, в то же время обеспечить их транспортировку простыми средствами. Верхняя оболочка по верхнему периметру может быть снабжена дефлектором.
Для усиления оболочки и ее ровного оседания на грунт или каменный материал подол оболочки снабжен по периметру кольцевой подошвой.
Способ монтажа опорной структуры морского комплекса на мелководном шельфе характеризующийся тем, что в период, когда акватория свободна от льда монтируют, по меньшей мере, две опоры, для чего перед монтажом каждой опоры в грунт заглубляют сваи, при этом, по меньшей мере одна из свай выполнена с возможностью использования в качестве складского помещения или размещения технологического оборудования. Устанавливают нижнюю оболочку и заполняют нижнюю оболочку каменным материалом. Затем последовательно устанавливают следующие оболочки и последовательно заполняют их каменным материалом. На опорах устанавливают технологические объекты и оборудование морского комплекса, а между опорами размещают элементы, объединяющие отдельные технологические объекты и оборудование в единый морской комплекс.
В частности, оболочку устанавливают таким образом, чтобы сваи размещались внутри оболочки, а сваи заглубляют в прочный донный грунт. Подъем и спуск оболочки может быть осуществлен с баржи. После заполнения части оболочки, или всей оболочки каменным материалом, его уплотняют.
Изобретение поясняется чертежами.
На Фиг.1 приведен разрез опоры опорной структуры.
На Фиг.2 показан разрез оболочки опоры, а на Фиг.3 оболочка опоры в виде сверху.
На Фиг 4. приведен один вариант расположения на шельфе трех опор опорной структуры, а на Фиг.5 другой вариант расположения четырех опор.
На Фиг.6 приведен вариант расположения опор в линию, в направлении преимущественного дрейфа льда.
На Фиг.7 показан вариант расположения опор в линию при демонтированной крайней опоре.
На Фиг.8 показана опора опорного комплекса на виде сверху, в случае, когда она образована из нескольких опор, расположенных рядом.
На Фиг.9 приведено схематическое изображение морского комплекса, расположенного на трех опорах.
На Фиг.10 приведен пример расположения опоры опорного комплекса на слабом донном грунте.
На Фиг.11 приведен разрез опоры с прямой конусностью, а на Фиг.12 с обратной конусностью.
Опорная структура морского комплекса для установки на мелководье (Фиг.4, - Фиг.7, включает несколько опор 1, которые устанавливаются на морском дне в той конфигурации, которая диктуется потребностями в структуре разведочного или стационарного морского комплекса. Она может содержать две, три (фиг.4) опоры 1, четыре опоры 1 (Фиг.5) и более. Опоры 1 морского комплекса соединяются между собой элементами, которые объединяют морской комплекс в единое целое. Это могут быть перемычки 2, по которым укладываются коммуникации и в которых также может монтироваться необходимое оборудование. На Фиг.6 показана опорная структура, содержащая опоры 1, расположенные в одну линию и соединенные перемычками 2. Такое расположение опор диктуется преимущественным направлением 3 движения ледовых полей, например, в проливах с течением. В этом случае первая опора 1 противостоит основному напору, последующие опоры 1, располагаются в зонах более благоприятных, и их сооружение может потребовать меньших мер по укреплению опор 1, например, меньшего числа свай.
Если морской комплекс является буровым разведочным комплексом, то конструкция опорной структуры позволяет демонтировать часть, как показано на Фиг.7, или все опоры по окончании разведочных работ. При этом материалы, используемые при монтаже опоры, можно использовать повторно.
Каждая опора 1 может служить для размещения части морского комплекса и эффективно противостоять напору льда. На Фиг.1 показан разрез опоры 101, в том случае, когда она содержит несколько замкнутых по периметру жестких оболочек 104а, 104b, 104с, выполненных из стали. Оболочки 104 расположены последовательно по высоте. Нижняя оболочка 104с выполнена большего размера по периметру оболочки, средняя 104b меньше, а верхняя 104а меньше, чем средняя оболочка 104b. Оболочки 104, могут быть выполнены из стали, содержат поперечные ребра 105 жесткости и могут содержать и продольные ребра 106 жесткости, как показано у оболочки 104а (Фиг.1, Фиг.2, Фиг.3). Ребра 105, 106 жесткости повышают устойчивость конструкции оболочки, что важно при ее транспортировке и повышает устойчивость опоры к размыванию и нагрузкам при эксплуатации опоры 1. Верхняя оболочка 104а, в зависимости от назначения, может иметь диаметр в диапазоне от 30 до 60 метров. Соотношение диаметра D к высоте Н у каждой из оболочек лежит в диапазоне от 1/3 до 1/10, что позволяет выполнить их транспортируемыми и устойчивыми при применении в качестве оболочек опор.
Оболочки 104 заполнены каменным материалом 107. В качестве каменного материала используется материал фракцией 20 мм - 140 мм, например камень, булыжный гравий, щебень. Может также использоваться шлак мартеновского производства. Применение каменного материала в таком диапазоне фракций повышает фрикционные характеристики заполнения и в целом повышает устойчивость опоры к сдвигу. Также важно, что данный материал 107 может быть извлечен из опоры 101 путем экскавации при ее демонтаже и использован повторно.
Подол 108 оболочки 104 может быть снабжен по периметру кольцевой подошвой 109 для установки на грунт 110 или на каменный материал 107, как показано на Фиг.2 и Фиг.1.
Через каменный материал 107 опоры 101 пропущены сваи 111, закрепленные в прочном донном грунте 110, при этом каждая из свай 111 доведена до верха верхней оболочки 104а. Сваи, в основном, предназначены для восприятия горизонтальных нагрузок, действующих на опору 101, то есть работают на срез. При этом нагрузка передается на прочный грунт 110. также сваи могут воспринимать и вертикальную нагрузку, например, опоры 1, в случае необходимости, могут оснащаться палубой 115, которые опираются на верхний край оболочки 104 и на часть свай 111. Сваи 111 могут иметь диаметр от 2 метров до 5 метров.
Морской шельф, в том числе шельф замерзающих морей часто характеризуется наличием на морском дне слабого грунта. В этом случае конструкция опоры 201 опорной конструкции (Фиг.10) выглядит следующим образом. Сваи 211 введены в твердый донный грунт 210, проходя слабый грунт 212. Оболочки 204а, 204b снабжены кольцевой подошвой 209 для установки на грунт 212 или на каменный материал 207. Подол 108 нижней части верхних оболочек 204 расположен ниже верхнего среза каждой более нижней оболочки 204. Опоры, в случае необходимости могут оснащаться палубой 215.
Часть свай 111, или 211 (Фиг.1, Фиг.10) выполнена с возможностью использования в качестве обсадных труб буровой установки, складских помещений или размещения технологического оборудования (на фигурах оборудование не показано).
Для уменьшения воздействия давления льда часть верхней оболочки 104а (Фиг.1, Фиг.2) на уровне поверхности воды 116 выполнена конусной 113, в том числе полигональной (многоугольной) формы, а также снабжена дефлектором 114. На Фиг.11 показана опора 301, установленная на небольшой глубине и выполненная с использованием одной оболочки 304, заполненная каменным материалом 307, со сваями 311 и имеющая участок 313 с прямой конусностью. На Фиг.12 также показана одна опора 401 с оболочкой 404, заполненная каменным материалом 407, со сваями 411 и имеющая участок 413 с обратной конусностью.
У опоры 201 (Фиг.10) оболочка 204 также содержит конусный участок 213 и дефлектор 214.
На Фиг.8 показан пример опорной структуры, содержащей несколько опор, которые установлены вплотную друг к другу. Центральная опора 501 выполнена из оболочки 504, заполнена каменным материалом 507. Сквозь каменный материал 507 проходят сваи 511, в которых располагаются обсадные трубы, складские помещения и технологическое оборудование. Центральная опора 501 окружена опорами 601, выполненных из оболочек 604 меньшего диаметра и также заполненных каменным материалом 607. Сквозь каменный материал 607 проходят сваи 611. На опорную структуру может быть установлена общая палуба.
Опоры рассмотренной конструкции благодаря оболочке распределяют нагрузку по большой площади.
Монтаж опорной структуры морского комплекса на мелководном шельфе на примере монтажа опорной структуры с опорами, приведенными на фиг.1, осуществляется следующим образом. Когда акватория свободна от льда, доставляют оболочки 104 и сваи 111 целиком выполненные на берегу. Стальные оболочки 104 являются достаточно тонкостенными, легкими и их можно доставлять на место монтажа на баржах и с этих же барж осуществлять их монтаж
На грунте монтируют опоры 1. Перед монтажом каждой опоры 1 в прочный донный грунт заглубляют сваи 111. Если грунт слабый, то сваи 211 заглубляют в прочный грунт, как показано на Фиг.10. Некоторые сваи выполняют с возможностью использования в качестве складских помещений или размещения технологического оборудования, в частности обсадных труб буровой установки. Если опора 1 выполнена с использованием нескольких оболочек 104, сначала устанавливают нижнюю оболочку 104с и заполняют ее каменным материалом 107. Затем последовательно устанавливают следующие оболочки 104b и 104а и также последовательно заполняют их каменным материалом 107. Заполнение опор каменным материалом, в наиболее простом варианте, осуществляется с баржи, подводимой на плаву над оболочкой, без необходимости осуществления каких либо спуско-подъемных операций. При заполнении части оболочки или оболочки целиком может потребоваться уплотнение каменного материала известными способами. Далее на опорах 1 устанавливают палубы 115 и на них необходимые технологические объекты и оборудование морского комплекса. В сваях монтируют технологическое оборудование, или обустраивают складские помещения. При необходимости между опорами размещают перемычки, на которые монтируют элементы, объединяющие отдельные технологические объекты и оборудование, размещенное на опорах, в единый морской комплекс. Монтаж комплекса можно произвести в течение одного летнего периода, что для других конструкций практически не достижимо. На фиг.9 показан пример оборудования морского комплекса с буровой установкой 4, оборудованием для сбора и хранения нефти или сжиженного газа 5 и жилым блоком с вертолетной площадкой 6, размещенных на трех опорах 1, соединенных перемычками 2.
Важным преимуществом данной конструкции является возможность ее демонтажа и повторного использования материалов, каменного материала и оболочек. Демонтаж производится в следующей последовательности. Сначала экскавацией удаляется и складируется на баржах каменный материал, а затем снимаются оболочки. Данное свойство опорной структуры особенно важно при монтаже и демонтаже разведочных буровых комплексов.