CC BY
126
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. Строительные материалы и изделия
УДК 622.276.04
В.Н. Барышев, О.А. Сабодаш
БАРЫШЕВ ВЛАДИСЛАВ НИКОЛАЕВИЧ - магистрант, e-mail: vladbaryshev93@gmail.com; САБОДАШ ОЛЬГА АЛЕКСЕЕВНА - кандидат технических наук, доцент, e-mail: olga_sab67@mail.ru,
Кафедра гидротехники, теории зданий и сооружений Инженерной школы Дальневосточный федеральный университет Суханова ул. 8, Владивосток, 690950
Проектирование ледостойкой платформы для разведочного бурения в мелководной зоне арктических морей на слабых грунтах
Аннотация: Автором предпринята попытка разработки модели ледостойкой платформы для разведочного бурения в мелководной зоне арктических морей на слабых грунтах основания. Для этого произведен выбор наиболее перспективного технического решения платформы, обладающей достаточной мобильностью и способной сопротивляться воздействиям льда на слабых грунтах основания. Также были учтены следующие проблемы, возникающие при разведке и освоении месторождений на арктическом шельфе: небольшие окна навигации; малые глубины на мелководье; сложные ветроволновые условия; интенсивные литодинамические процессы; отсутствие береговой инфраструктуры. Представлен анализ природных условий мелководной зоны Карского моря, влияющих на выбор технического решения платформы для разведочного бурения и технологий его транспортировки и установки; проведено исследование существующих технических решений нефтегазопромысловых сооружений на шельфе замерзающих морей с целью поиска наиболее оптимальных вариантов проектирования. Также предложен концептуальный вариант мобильной ледостойкой платформы для разведочного бурения, применимый в ледовых условиях мелководной зоны акваторий шельфа, и разработан способ ее доставки и закрепления к основанию. Дан анализ достоинств и недостатков разработанного варианта.
Ключевые слова: континентальный шельф, арктические моря, акватория, ледовые условия, мелководье, слабый грунт, разведочное бурение, мобильная ледостойкая платформа, концептуальное проектирование.
Введение
Открытие значительных запасов нефти и газа в зоне Арктики явилось стимулом к разработке большого числа новых проектов морских буровых установок, предназначенных для работы в суровых климатических условиях. Как показывает мировой опыт, несмотря на широкое развитие различных способов разведки арктических нефтегазовых месторождений, в том числе и мелководных, в настоящее время существует необходимость в разработке новых конструкций технических средств и технологий для освоения перспективных и вместе с тем труднодоступных с точки зрения климатических условий, акваторий [2]. В качестве наиболее перспективного участка разведки и освоения углеводородов в дальнейшем будут рассматриваться мелководная зона Обской и Тазовской губ Карского моря.
Большая часть Карского моря лежит на материковой отмели, преобладают глубины до 100 м. В прибрежной зоне преобладают отмели с глубинами от 5 до 15 м. Дно моря сложено из
© Барышев В.Н., Сабодаш О.А., 2016
мягких, рыхлых и полускальных грунтов, малопригодных в качестве основания шельфовых сооружений.
Большую часть года Карское море покрыто сплошным ледяным покровом. Безлёдный период в юго-западной части Карского моря составляет примерно 4 месяца, с июля по октябрь. За зиму лед достигает толщины 0,5-1,5 м. Имеют место стамухи и торосы, что необходимо учитывать при навигации по морю [2].
Варианты технических решений, такие как массивные гравитационные платформы, невозможно применить для разведочного бурения месторождений рассматриваемых нами мелководных акваторий. Это связано с тем, что эти сооружения имеют значительную осадку при транспортировке и установке на точку бурения в условиях акваторий с глубинами от 3 м. Кроме того, наличие слабого грунтового основания не позволяет обеспечить достаточную устойчивость массивного гравитационного сооружения.
В последние годы в мире широко используются мобильные буровые установки, осуществляющие бурение или его сопровождение на точке эксплуатации в течение некоторого времени (обычно 1^2 года) с последующим подъемом и эвакуацией на новое местоположение. Тем не менее опыт использования сооружений такого типа в суровых климатических условиях при наличии слабых грунтов основания на мелководных акваториях крайне ограничен. В связи со сменой нескольких точек эксплуатации за жизненный срок опорные блоки мобильных буровых установок в таких условиях должны быть достаточно универсальными, чтобы обеспечить [2]:
• надежность и безопасность круглогодичной эксплуатации (устойчивость и эксплуатационную пригодность при воздействии максимальных внешних нагрузок);
• мобильность (возможность буксировки и установки на дно при различных глубинах моря в заданном диапазоне);
• адаптивность к различным геотехническим, гидрометеорологическим и другим условиям мест эксплуатации (возможность модификации/комплектации в зависимости от конкретных условий);
• минимальное время установки ввода в эксплуатацию (с учетом непродолжительного безледного периода);
• возможность эвакуации с места эксплуатации.
Целью работы является разработка концептуального технического решения ледостойкой нефтегазовой платформы для разведочного бурения в мелководной зоне акваторий континентального шельфа в ледовых условиях на слабых грунтах основания.
Существующие решения платформ в ледовых условиях
В настоящее время разработано свыше 100 различных проектов морских ледостойких платформ (МЛП) и искусственных островов для различных регионов. Конструктивные формы ле-достойких сооружений существенно зависят от глубины и конкретных природно-климатических условий акваторий. Для успешной разведки углеводородных ресурсов шельфа следует рассмотреть проекты оснований платформ с характерными отличительными признаками, предназначенные специально для работы в Арктике. Эти проекты классифицированы по способу сопротивления давлению льда и делятся на три основных класса [1, табл. 4]:
- основания, устанавливаемые на морское дно и снабженные фундаментом, на который воздействует ледовая нагрузка;
- плавучие основания, давление льда в которых воспринимает корпус и якорная система;
- основания островного типа, устойчивость которых достигается насыпным грунтом (песком или гравием).
Ниже анализируются существующие технические решения нефтегазопромысловых сооружений на шельфе замерзающих морей с целью поиска наиболее оптимальных вариантов концептуального проектирования для мелководных участков шельфа в ледовых условиях на слабых грунтах.
Во-первых, учитывая, что на платформу в мелководной зоне будет действовать горизонтальная ледовая нагрузка, решения, основанные на плавучих основаниях с якорной системой, являются в этих условиях неприменимыми.
Во-вторых, необходимо учитывать малую продолжительность безледного сезона и небольшие окна погоды при установке платформы, вследствие чего платформа должна обладать мобильными качествами. В этих условиях конструкцию желательно доставить как можно быстрее в готовом виде для скорейшего начала процесса разведки углеводородов. Поэтому технические решения островного типа тоже рассматриваться не будут, т.к. возведение искусственного острова материа-лозатратно и значительно превышает временные рамки навигационного периода, а использование насыпных гравийных, песчаных островов не представляется целесообразным, поскольку необходимо учитывать, что гравийная насыпь будет занимать значительную площадь, которая создаст определённые трудности для свободного прохода вблизи судов. Кроме того, использование больших площадей акватории и нарушение целостности дна неоправданно с точки зрения экологии [2].
В-третьих, минимальная глубина моря рассматриваемых участков предполагается 8 м, следовательно, рассматриваемые в дальнейшем конструкции при транспортировке должны иметь небольшую осадку.
В-четвертых, необходимо принять во внимание слабые грунты основания, влияющие на выбор конструктивного решения.
Учитывая вышеперечисленные факторы можно прийти к выводу, что оптимальным решением для платформы является свайно-гравитационный фундамент. Необходимость свай объясняется плохими грунтовыми условиями на месте закрепления платформы, где имеется вероятность перемещения основания по призме слабого грунта при действии ледовой нагрузки, что недопустимо для конструкции.
Также в пользу данного решения говорит то, что существующие гравитационные платформы не приспособлены для работы на заданном диапазоне глубин из-за относительно большой массы и, следовательно, недопустимой осадки как самих платформ при самостоятельной передислокации, так и судов, предназначенных для их доставки.
Проектирование нефтегазовой ледостойкой платформы
для разведочного бурения
Учитывая специфические условия мелководных участков шельфа арктических морей, по нашему мнению, наилучшим техническим решением ледостойкой платформы для разведочного
бурения будет конструкция свайно-гравитационного типа [3]. Платформа является несамоходной, ее транспортировка будет осуществлена с помощью буксиров.
В фундаменте будут задействованы металлические сваи-оболочки большого диаметра. Это объясняется их относительно большой несущей способностью и возможностью сопротивляться работе на срез при действии ледовой нагрузки.
Наиболее выгодным и экономически оправданным решением является использование железобетона в конструкциях платформ [1]. Авторская модель платформы с опорным блоком Рис. 1. Модель платформы в стационарном положении. представлена на рис. 1.
Здесь и далее - модели и рисунки В.Н. Барышева.
Опорный блок представляет собой железобетонное основание круглого в плане очертания, в состав которого входит железобетонная плита и понтон (рис. 3), опирающийся по контуру на плиту и имеющий выступ для увеличения объема понтона и улучшения мореходных качеств платформы. Железобетонное основание сопряжено с цилиндрической колонной для размещения в ней райзеров (рис. 2).
Рис. 2. Модель платформы в полуразрезе по плите основания.
Рис. 3. Схема расположения опорного блока и райзеров платформы (цифровые обозначения, мм).
Верхнее строение разбито на палубы, количество которых зависит от функциональных особенностей оборудования платформы, и представляет собой единый блок с технологическим оборудованием и защитными оболочками, рассчитанными на глубину акватории. Исходя из грунтовых условий участка бурения, предпочтительным способом погружения оболочек на слабых грунтах основания является вибропогружение. При закреплении платформы на грунте основания при помощи кранового оборудования верхнего строения оболочки заходят в монтажные отверстия плиты основания и закрепляются в ней. В опорной плите предусмотрены монтажные отверстия для размещения защитных оболочек для вибропогружного оборудования.
Данный вариант рассчитан на применение платформы в диапазоне глубин 8-12 м. Транспортировка платформы может быть осуществлена в сборе с верхним строением. Буровая вышка платформы во время транспортировки может быть предварительно демонтирована, а по прибытии на место дислокации собрана на верхнем строении. Плавучесть платформы при транспортировке обеспечена понтонной конструкцией плиты основания (рис. 2).
При движении ледового покрова (рис. 4) монтаж или демонтаж свайного основания производится в зоне отсутствия льда за опорным блоком платформы.
На рис. 5 показана схема погружения и спуска сваи и откачки воды из защитного кожуха. Демонтаж свайного основания проводится аналогичным порядком, до сопряжения защитного кожуха с плитой основания.
Рис. 4. Моделирование процесса спуска защитной оболочки в конце ледового сезона, при малой толщине ледового покрова.
Рис. 5. Модель платформы в разрезе по плите основания и защитному цилиндру в процессе монтажа.
Достоинства и недостатки варианта
Для принятия оптимального технического решения платформы для данных условий эксплуатации необходимо проанализировать достоинства и недостатки рассмотренного нами выше варианта.
Достоинства:
1) возможность быстрой передислокации на новую точку бурения;
2) разделение функции работы монтажного оборудования верхнего строения и опорной колонны;
3) возможность начать работу в максимально быстрые сроки после установки;
4) лучшая сопротивляемость ледовым нагрузкам за счет конической формы опорного блока;
5) относительно оптимальная остойчивость, обусловленная наличием развитого основания кессонного типа.
Недостатки:
1) ограниченный диапазон глубин применения в акватории;
2) ограниченный период транспортировки и эксплуатации в связи уменьшением срока навигации.
Заключение
Конкретные природно-климатические и инженерно-геологические условия размещения месторождений на арктическом шельфе требуют уникальных решений платформ для разведочного бурения. На наш взгляд, оптимальным для мелководных участков шельфа является применение железобетонных оснований свайно-гравитационного типа.
На основе анализа существующих технический решений платформ, применяющихся для разведки углеводородов месторождений замерзающих акваторий, в качестве основного был принят свайно-гравитационный фундамент.
Нами предложена концептуальная модель мобильной ледостойкой платформы для разведочного бурения на мелководных участках шельфа арктических морей в ледовых условиях на слабых грунтах основания. Платформа представляет собой свайно-гравитационную конструкцию с опорным блоком конического очертания и рассчитана на применение в диапазоне глубин 8-12 м. Ее транспортировка может быть осуществлена в сборе с верхним строением.
Итак, для существующего технического решения была предложена новая концепция платформы, способной работать в обозначенных нами районах освоения акваторий.
В перспективе данная концепция платформы может стать основой для качественно нового технического средства, такого как универсальная буровая платформа, способная круглогодично и автономно осваивать мелководные месторождения арктического шельфа.
Один из вариантов моделей платформы, разработанных автором на основе данной концепции, вошел в заявку на патент (Морская ледостойкая платформа / Барышев В.Н., Сабодаш О.А., Беккер А.Т.; заяв. 2016130949 от 28.07.2016).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Беккер А.Т. Вероятностные характеристики ледовых нагрузок на сооружения континентального шельфа: монография. Владивосток: Дальнаука, 2004. 401 с.
2. Мусабиров А.А. Разработка и исследование применимости новой конструкции ледостойких платформ на мелководном арктическом шельфе: дис. ... канд. техн. наук. М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2013.119 с.
3. Правила классификации, постройки и оборудования плавучих буровых установок и морских стационарных платформ // Российский морской регистр судоходства. СПб., 2014. 483 с.
THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE
Building materials and products
Baryshev V., Sabodash O.
VLADISLAV BARYSHEV, Master Student, e-mail: vladbaryshev93@gmail.com OLGA SABODASH, PhD (in Engineering Sciences), Associate Professor, e-mail: olga_sab67@mail.ru
Offshore and Structural Mechanics Department, School of Engineering. Far Eastern Federal University 8 Sukhanova St., Vladivostok, Russia, 690950
The design of the ice-resistant platforms for exploration drilling on soft grounds in shallow waters of the arctic seas
Abstract: The paper deals with the engineering solutions for exploration drilling platforms for year-round performance on the soft grounds of the shallow waters of the Russian Arctic. The objective of the investigations is to develop engineering solutions for the mobile ice-resistant exploration platform to carry out year-round prospecting works in shallow waters (8-20 m) of the Arctic offshore. The paper presents general concepts of the exploration platform in a shallow water zone.
Key words: offshore, arctic seas, water area, ice conditions, shallow water, soft ground, exploration drilling, ice-resistant platform, design concept.
REFERENCES
1. Bekker A.T. Probabilistic Characteristics of Ice loads on Offshore Structures, monograph. Vladivostok, Dalny-ka, 2004, 401 p. (in Russ.). [Bekker A.T. Verojatnostnye harakteristiki ledovyh nagruzok na sooruzhenija kontinen-tal'nogo shel'fa: monografija. Vladivostok: Dal'nauka, 2004. 401 s.].
2. Musabirov A.A. Development and investigation of application of new structure of ice-resistant platforms on arctic shallow water. Dissertation on obtaining of scientific degree of candidate of technical science: RGU oil and gas of I.M. Gubkin, 2013, 119 p. (in Russ.). [Musabirov A.A. Razrabotka i issledovanie primenimosti novoj kon-strukcii ledostojkih platform na melkovodnom arkticheskom shel'fe: diss. ... kand. tehn. nauk. M.: RGU nefti i gaza im. I.M. Gubkina, 2013. 119 s.].
3. Rules for the Classification, Construction and Equipment of Mobile Offshore Drilling Units (MODU) and Fixed Offshore Platforms (FOP), 2014, Saint-Petersburg, Publishing House of the Marine Register, 483 p. (in Russ.). [Pravila klassifikacii, postrojki i oborudovanija plavuchih burovyh ustanovok i morskih stacionarnyh platform // Rossijskij morskoj registr sudohodstva. SPb., 2014. 483 s.].
