СПОСОБ ПОСТАНОВКИ ГИДРОТЕХНИЧЕСКОГО СООРУЖЕНИЯ НА МОРСКОЕ ДНО
METHOD TO INSTALL HYDRAULIC ENGINEERING STRUCTURE ONTO SEA BOTTOM

Изобретение относится к области гидротехнического строительства и может быть использовано при сооружении и эксплуатации морских гидротехнических сооружений для освоения углеводородных ресурсов континентального шельфа.
Преимущественной областью применения изобретения является постановка на морское дно морских гидротехнических сооружений гравитационного типа с заглубляемыми элементами (например, морских гравитационно-свайных платформ) в районах мелководного шельфа замерзающих морей в условиях, когда при балластировке объекта сложно обеспечить необходимый установочный вес для задавливания заглубляемых элементов в грунт морского дна.
Из авт. свид. СССР №1318650 известно морское гидротехническое сооружение (морская гравитационная платформа) для исследования и освоения углеводородных ресурсов континентального шельфа. В этом же источнике раскрыт способ постановки сооружения на морское дно.
Известное гидротехническое сооружение содержит основание с верхним строением, гнезда в днище основания с установленными в них сваями с зазором, равным 0,01-0,02 диаметра сваи. Каждая свая представляет собой полый корпус, например, цилиндрической формы. Сваи устанавливаются в гнезда на глубину 1,0-1,5 своего диаметра. В верхней части корпуса сваи выполнена герметичная камера, обеспечивающая плавучесть сваи. В нижней открытой с торца части корпуса сваи имеются отверстия для выхода воды при задавливании сваи в грунт.
Перед установкой сооружения на морское дно в воду сбрасывают сваи, которые благодаря наличию в верхней части сваи герметичной камеры, обладающей положительной плавучестью, а также боковых отверстий для выхода воздуха в нижней части корпуса займут в воде вертикальное положение.
Затем с помощью водолаза сваи заводят под днище основания объекта и устанавливают с зазором в гнезда. После заведения и установки всех свай в гнезда основания сооружение погружают путем принятия балласта. При этом сооружение своим весом вдавливает сваи в грунт до соприкосновения днища основания с грунтом.
Недостатками известного решения в части способа являются
- сложность и большая трудоемкость заведения и установки свай в гнезда основания сооружения. В известном решении это обеспечивается с помощью водолаза после доставки сооружения на точку. Вероятность успешной реализации такой операции в реальной обстановке, особенно в сложных природных условиях шельфа северных морей (низкая температура воды и воздуха, большая мутность воды, течения и волны), крайне мала,
- наличие зазора между сваей и внутренней стенкой гнезда при задавливании сваи в грунт может приводить к ее перекосу. В результате это приведет к существенному возрастанию сопротивления задавливанию сваи и увеличению необходимого установочного веса,
- в силу всегда имеющих место неровностей и неоднородностей морского дна с помощью известного способа невозможно обеспечить плотный (сплошной) контакт всей поверхности днища основания сооружения с поверхностью дна. Такой контакт может быть только локальным, в результате чего могут возникать неравномерные контактные напряжения, приводящие к деформации конструктивных элементов днища сооружения.
Перечисленные недостатки частично устранены в техническом решении, которое описано в заявке на изобретение №2011136348/13 от 31.08.2011 г.
В известном из указанного источника решении для уменьшения сил сопротивления задавливанию свай в грунт морского дна после прихода на точку сваи выводят под основание сооружения и осуществляют жесткую заделку их оголовков в контейнерах путем нагнетания в контейнеры рабочего наполнителя (например, цементного раствора) до их заполнения и ожидают затвердевания наполнителя.
Задавливание свай в грунт и установку сооружения на морское дно проводят путем балластировки.
За счет фиксированного вертикального положения свай существенно снижаются силы сопротивления их задавливанию в грунт морского дна. В результате обеспечивается снижение необходимого установочного веса. Это дает возможность снизить расход балласта на установку сооружения.
Недостатком данного технического решения является существенные ограничения при постановке гидротехнического сооружения на морское дно в условиях мелководного шельфа, особенно в случае плотных грунтов.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является снижение трудоемкости и энергозатрат, а также расхода балласта при задавливания свай в грунт при одновременном повышении надежности установки гидротехнического сооружения на морское дно в условиях мелководного шельфа, где при балластировке сооружения сложно обеспечить необходимый установочный вес.
Техническими результатами, которые обеспечиваются при реализации изобретения, являются следующие:
- снижение трудоемкости установки гидротехнического сооружения на морское дно;
- снижение затрат на установку гидротехнического сооружения за счет уменьшения сил сопротивления задавливанию свай в грунт морского дна;
- расширение диапазона глубин (в сторону их уменьшения) и комплекса гидрогеологических условий, в которых возможно эффективное задавливание заглубляемых элементов, повышающих устойчивость гидротехнического сооружения;
- повышение надежности и безопасности эксплуатации всего комплекса морских инженерных объектов и нефтегазопромыслового оборудования за счет повышения устойчивости гидротехнического сооружения;
- снижение риска возникновения аварийных ситуаций, загрязнения окружающей среды по причине потери гидротехническим сооружением устойчивости и нарушения в связи с этим условий нормальной эксплуатации скважинного оборудования и трубопроводных нефтегазопромысловых систем.
Поставленная задача решается тем, что в способе постановки гидротехнического сооружения на морское дно, предусматривающем погружение сооружения с расположенными под его основанием заглубляемыми элементами путем принятия сооружением балласта, задавливание заглубляемых элементов в грунт морского дна и постановку основания сооружения на морское дно, согласно изобретению, в грунте морского дна вне зоны постановки сооружения размещают электроды, которые соединяют с положительным полюсом источника постоянного тока, погружают сооружение до обеспечения контакта заглубляемых элементов с морским дном и поддерживают его в этом положении, после чего элемент конструкции сооружения (корпус и/или заглубляемые элементы) подключают к отрицательному полюсу источника постоянного тока и пропускают электрический ток, обеспечивающий осмотическое движение поровой воды в грунте в направлении к основанию сооружения и формирование в зоне постановки сооружения области повышенной водонасыщенности грунта, затем окончательно балластируют сооружение и устанавливают его на морском дне, после чего электрический ток отключают.
При этом окончательную балластировку сооружения и установку его на морском дне осуществляют после формирования в зоне постановки сооружения области повышенного водонасыщения грунта.
О завершения формирования области повышенного водонасыщения, согласно изобретению, судят по показаниям датчиков порового давления.
Предлагаемый способ основан на использовании электроосмоса. Сущность его заключается в следующем.
При обычном способе погружения заглубляемых (анкерующих) элементов (например, свай) на преодоление сил сопротивления задавливанию при их погружении затрачивается значительное количество потребляемой энергии, что требует существенного объема балласта.
Согласно изобретению, чтобы уменьшить прочность грунта под лобовой (торцевой) поверхностью и силы трения по боковой поверхности заглубляемых элементов, предлагается обеспечить повышенное водонасыщение грунта у поверхности заглубляемых элементов, применив электроосмос.
Для этого в грунт морского дна забивают (или на морском дне размещают) электроды-аноды, соединенные с положительным полюсом источника постоянного тока (генератора), а корпус сооружения и/или заглубляемые элементы, которые являются катодом, соединяют с отрицательным полюсом того же генератора.
В результате физико-химических процессов, происходящих под действием постоянного электрического тока, вокруг анодов образуется зона пониженной водонасыщенности, а у поверхности катода под корпусом сооружения увеличивается влажность и создается зона повышенного водонасыщения грунта, при этом пластичные глины настолько увлажняются, что могут даже разжижаться. В результате в 2…2,5 раза уменьшается прочность грунта, что обеспечивает погружение заглубляемых элементов и установку сооружения на морское дно при существенно меньшем количестве балласта.
Благодаря такой совокупности признаков, находящихся в функциональном единстве, обеспечивается новый, ранее не достигавшийся ни в прототипе, ни в других известных решениях эффект, состоящий в снижении трудоемкости и энергозатрат, а также расхода балласта при задавливании заглубляемых элементов в грунт при одновременном повышении надежности установки гидротехнического сооружения на морское дно в условиях мелководного шельфа, где при балластировке сооружения сложно обеспечить необходимый установочный вес.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показаны основные узлы гидротехнического сооружения и элементы, обеспечивающие реализацию предлагаемого способа. Изображенная на фиг.1 ситуация соответствует моменту прихода гидротехнического сооружения на точку перед началом его постановки на морское дно.
На фиг.2 приведена схема размещения электродов для проведения электроосмоса; на фиг.3 показаны основные узлы гидротехнического сооружения и схема организации электроосмоса перед началом задавливания заглубляемых элементов в грунт морского дна; на фиг.4 приведена схема формирования зоны повышенного водонасыщения под основанием гидротехнического сооружения с помощью электроосмоса.
Гидротехническое сооружение содержит (фиг.1) корпус 1, который выполнен (полностью или частично) из электропроводящего материала. В нижней части корпуса размещены заглубляемые элементы 2, которые могут быть разного типа, например свайными либо ребристыми. Заглубляемые элементы, как и корпус сооружения, также выполняются полностью или частично из электропроводящего материала. Корпус 1, а также заглубляемые элементы 2 являются катодом. На верхнем строении гидротехнического сооружения размещают источник постоянного тока (генератор) 3. На морском дне размещают электроды-аноды. Аноды могут быть гравитационными 4 либо свайными 5. Тип анода выбирается в зависимости от комплекса гидрогеологических условий в зоне постановки сооружения на морское дно. Аноды размещают (фиг.2) равномерно вокруг гидротехнического сооружения за пределами зоны его постановки. Расстояние между анодами определяется в зависимости от выбранных условий процесса электроосмоса с учетом комплекса гидрогеологических условий в зоне постановки сооружения на морское дно. Аноды между собой соединены (фиг.3) электрокабелем 6, который, свою очередь, соединен с положительным полюсом источника постоянного тока 3. С отрицательным полюсом источника постоянного тока 3 с помощью электрокабеля 7 соединяют корпус 1 сооружения и/или заглубляемые элементы 2, которые являются катодом.
Изобретение реализуется следующим образом.
В стационарных заводских условиях (например, сухом доке) осуществляют подготовку гидротехнического сооружения к транспортировке на точку постановки.
Для этого в стационарных условиях на верхнем строении гидротехнического сооружения размещают источник постоянного тока (генератор) и выполняют монтаж электрокабеля для установления электрической связи отрицательного полюса источника постоянного тока с элементами конструкции сооружения (корпусом и/или заглубляемыми в грунт морского дна элементами). Также готовят и размещают в соответствии с установленными требованиями комплект анодов и дополнительный запас электрокабеля для их соединения между собой, а также с источником постоянного тока.
После прихода платформы на точку проводят подготовку для ее установки на морское дно.
Для этого за пределами зоны постановки сооружения на морском дне размещают комплект анодов. В зависимости от типа анодов и комплекса гидрогеологических условий в зоне постановки сооружения на морское дно они устанавливаются с помощью сваебойного оборудования (свайные аноды) либо непосредственно опускаются на морское дно (гравитационные аноды).
Расстояние между анодами определяют в зависимости от выбранных условий процесса электроосмоса с учетом комплекса гидрогеологических условий в зоне постановки сооружения на морское дно.
Аноды между собой соединяют с помощью электрокабеля, который подключают к положительному полюсу источника постоянного тока.
После этого с помощью балласта постепенно погружают сооружение до установления контакта заглубляемых элементов с морским дном и поддерживают сооружение в этом положении.
Об установлении контакта судят, например, с помощью специальных контактных датчиков давления, установленных в нижней части заглубляемых элементов. Целесообразно в этот момент провести работы по выравниванию положения сооружения с целью обеспечения более плотного и равномерного контакта заглубляемых элементов с морским дном. Плотный контакт заглубляемых элементов с морским дном обеспечивает более эффективное протекание электроосмоса.
Поддержание сооружения в требуемом положении необходимо из-за действия подводных течений, которые стремятся сместить сооружение с точки постановки. Такое поддержание можно обеспечить любым известным способом, например с помощью установленных на днище корпуса сооружения, выступающих ниже заглубляемых элементов и погружаемых в грунт морского дна нескольких штырей-фиксаторов.
После установления контакта заглубляемых элементов с морским дном включают источник постоянного тока и начинают процесс электроосмоса.
При этом возможны две схемы организации такого процесса.
В первом случае к отрицательному полюсу источника тока может быть подключен корпус сооружения. Данная схема является наиболее простой, поскольку для ее реализации можно использовать штатную систему электрохимической защиты (ЭХЗ) сооружения от коррозии, которой оборудуется каждое морское гидротехническое сооружение. Однако при такой схеме эффективность электроосмоса будет невысокой из-за больших утечек тока на пути от корпуса к заглубляемому элементу, который непосредственно контактирует с грунтом морского дна и инициирует процесс электроосмоса.
Поэтому для повышения эффективности электроосмоса, сокращения времени и энергозатрат на формирование под основанием сооружения зоны повышенной водонасыщенности грунта целесообразно в качестве катода использовать заглубляемые элементы и соединять с ними отрицательный полюс источника тока.
В результате пропускания между электродами электрического тока происходит направленное движение воды в грунте морского дна как свободной, так и связанной от анода к катоду с формированием в зоне катода области повышенного водонасыщения (повышенного порового давления).
Известно, что общие силы сопротивления задавливанию заглубляемых элементов в грунт складываются из сил сопротивления задавливанию по лобовой (торцевой) и боковой поверхностям этих элементов.
Повышенное в результате увеличения водонасыщенности поровое давление снижает (в 2-2,5 раза) прочность грунта. Снижение прочности грунта приводит к снижению сил сопротивления задавливанию в грунт по лобовой поверхности заглубляемых элементов, т.к. грунт с повышенным водонасыщением под лобовой поверхностью заглубляемых элементов разрушается при меньших напряжениях.
Кроме этого, вокруг заглубляемых элементов, которые являются катодом, образуется тонкая пленка (оболочка) воды. Эта тонкая пленка воды и повышенная водонасыщенность грунта (повышенное поровое давление) приводят к снижению коэффициента трения по боковой поверхности заглубляемых элементов. Так как силы сопротивления по боковой поверхности прямо пропорциональны коэффициенту трения, то его снижение существенно уменьшает силы сопротивления задавливанию.
Таким образом, при пропускании постоянного электрического тока между электродами значительно снижаются общие силы сопротивления задавливанию заглубляемых элементов сооружения в грунт морского дна.
Для получения максимального эффекта от снижения сил сопротивления задавливанию заглубляемых элементов окончательную балластировку сооружения и установку его на морское дно целесообразно проводить после завершения формирования под основанием сооружения области повышенного водонасыщения. Об этом можно судить, например, с помощью датчиков порового давления (по возрастанию и последующей стабилизации их показаний).
Снижение сил сопротивления задавливанию во время постановки сооружения на морское дно позволяет отказаться от дополнительной балластировки опорного блока, в результате чего снижаются объемы балластных цистерн и размеры опорного блока.
Кроме этого, снижение описанным способом сил сопротивления позволяет задавить заглубляемые элементы на необходимую глубину и обеспечить надежную постановку сооружения на малых глубинах (до 30 м) при неблагоприятных характеристиках грунта. Это, в отличие от известных решений, позволяет обеспечить проектную устойчивость морского сооружения к воздействию комплекса факторов внешней среды в районах мелководного шельфа замерзающих морей.
Таким образом, применение предлагаемого способа позволяет расширить диапазон глубин (в сторону значительного уменьшения их значения), на которых возможно эффективное задавливание заглубляемых элементов, повышающих устойчивость сооружения.
Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенных в формуле изобретения, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию «новизна».
Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию «изобретательский уровень» проведен дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного технического решения. Установлено, что заявленное техническое решение не следует явным образом из известного уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».
Описанное выше новое промышленно применимое техническое решение представляет собой единый изобретательский замысел, отвечает, на наш взгляд, критерию изобретательского уровня, в связи с чем предлагается к правовой охране патентом на изобретение.