CC BY
59
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. Строительные материалы и изделия
УДК 622.276.04
В.Н. Барышев, О.А. Сабодаш, Н.Я. Цимбельман
БАРЫШЕВ ВЛАДИСЛАВ НИКОЛАЕВИЧ - магистрант, e-mail: vladbaryshev93@gmail.com; САБОДАШ ОЛЬГА АЛЕКСЕЕВНА - кандидат технических наук, доцент, e-mail: olga_sab67@mail.ru; ЦИМБЕЛЬМАН НИКИТА ЯКОВЛЕВИЧ - кандидат технических наук, зав. кафедрой, e-mail: nikzimb@mail.ru
Кафедра гидротехники, теории зданий и сооружений Инженерной школы Дальневосточный федеральный университет Суханова ул. 8, Владивосток, 690950
Способ доставки платформы для разведочного бурения в мелководной зоне арктических морей
Аннотация: Приводится анализ природных условий Обской и Тазовской губ Карского моря, влияющих на разработку технологии транспортировки платформы разведочного бурения. Рассмотрена ранее разработанная концепция разведочной ледостойкой платформы, применимая в ледовых условиях мелководной зоны Арктического шельфа.
Представлена предварительно разработанная ледостойкая платформа, пригодная для проведения разведки углеводородов в северных районах, обладающая достаточной мобильностью и способная сопротивляться воздействию льда при установке на слабых грунтах основания. Рассмотрены проблемы, возникающие при разведке и разработке месторождений на Арктическом шельфе: небольшие окна навигации; малые глубины на мелководье; сложные ветроволновые условия; отсутствие береговой инфраструктуры.
Предпринята попытка разработки способа доставки морской платформы для разведочного бурения к месторождению в мелководной зоне Обской и Тазовской губ. Представлены геометрические и технические характеристики платформы и средств её доставки. С помощью программы «Диалог статика» произведен расчет остойчивости и плавучести платформы на подходе к месту дислокации. Дан анализ достоинств и недостатков разработанного способа доставки.
Ключевые слова: шельф, Арктика, лед, мелководье, бурение, мобильная платформа, концептуальное проектирование.
Введение
Обнаружение больших запасов углеводородов в зоне Арктического шельфа дало стимул к разработке новых проектов морских нефтегазовых сооружений (МНГС). Мировой опыт показывает, что существует потребность в создании новых технических решений для освоения труднодоступных перспективных акваторий. Мелководная зона Обской и Тазовской губ является высокоперспективным участком для разведки и последующей добычи углеводородов.
Разведка и добыча нефти и газа в данной акватории с использованием МНГС представляют значительную трудность в связи с тяжёлыми гидрометеорологическими условиями, с периодом навигации около двух месяцев, а также очень сложной ледовой обстановкой. Помимо этого в акваториях Обской и Тазовской губ преобладают грунты с малой несущей способностью, представ-
© Барышев В.Н., Сабодаш О.А., Цимбельман Н.Я., 2016
ленные илом и суглинками, что образует трудности при создании надёжных и устойчивых сооружений. Большую сложность для проектирования создают также малые глубины акваторий [1].
Использование нефтегазовых сооружений в мелководных зонах Арктики крайне ограничено. В связи с проблемой частой смены точек бурения разведочные платформы должны быть достаточно мобильны и универсальны для обеспечения:
- адаптивности к различному спектру глубин акватории;
- минимального времени установки на место бурения;
- возможности своевременной эвакуации с точки бурения.
Цель работы - разработка способа доставки нефтегазовой платформы для разведочного бурения в мелководной зоне акваторий континентального шельфа на малых глубинах.
Конструкция ледостойкой платформы
Модель платформы с опорным блоком представлена на рис. 1.
Рис. 1. Модель платформы в разрезе по верхнему строению и плите основания.
Платформа состоит из плиты основания (1) с балластными емкостями (2); опорной оболочки (3), внутри которой могут быть размещены райзеры; оголовка опорной оболочки (5), внутри которого может находиться буровой модуль; гибких связей (4) и верхнего строения (6), представляющего собой многопалубное сооружение. Верхнее строение способно перемещаться по оси опорной оболочки при помощи гибких связей, закрепленных на системе полиспаст оголовка опорной оболочки и верхнего строения, на котором может находиться комплекс лебедок, передающих усилие полиспастам верхнего строения.
Плита основания закреплена сваями-оболочками по периметру, данное решение обеспечивает дополнительную устойчивость платформы на сдвиг при действии горизонтальных нагрузок, в частности от льда.
Анализ проблем при разработке месторождения
Для анализа проблем обратимся к основным морфологическим и метеорологическим характеристикам акватории (табл. 1).
Таблица 1
Основные характеристики
Характеристика Обская губа Тазовскаи губа
Площадь акватории, км2 40000 7760
Протяженность, км 890 310
Максимальная ширина, км 90 50
Максимальная глубина, м 32 12
Максимальная продолжительность навигационного периода, мес. 4,5 4
Температура воздуха в период ледохода, °С +4...-5 +4...-5
Максимальная толщина ровного льда, м 2,4 2,45
Скорость дрейфа льда, м/с 0,3 - 0,4 0,4-0,5
В акватории действует непродолжительный безледный период, следовательно, платформа должна обладать достаточной мобильностью для ее доставки и установки в кратчайшие сроки. С учетом осадки платформы во время транспортировки 7 м минимальная глубина акватории, в которой может быть применена платформа, равна 9 м. Максимальная глубина акватории, где может быть произведено бурение, исходя из конструкции платформы, равна 18 м.
Описание способа доставки
Доставка платформы осуществляется с помощью двух несамоходных барж-площадок проекта 81300 класса «0 лед» (далее на рис. 3 и других - плавсредства (7). На сегодняшний день существует 2 судна данного проекта, прототип изображен на рис. 2.
Баржа Буксир
Рис. 2. Фотография несамоходной проекта баржи 81300 в процессе буксировки.
Функционально платформа работает в трех последовательных режимах: транспортный режим, переходный и стационарный.
Транспортный режим представляет собой состояние платформы, когда она скреплена с плавстредствами. В этом режиме плавсредства (7) жестко (но разъемно) закреплены между плитой основания (1) и верхним строением (6) (рис. 3).
Рис. 3. Транспортный режим платформы.
Опорная плита основания 1 находится ниже уровня воды, обеспечивая плавучесть опорной оболочки 2. Коническая вставка, выполняющая роль элемента сопряжения между плитой основания и верхним строением, не выходит за проекцию высоты борта плавсредств (7) и не соприкасается с ними. Плавсредства (7) обеспечивают плавучесть верхнего строения (6) и остойчивость платформы в целом (рис. 4).
Рис. 4. Транспортный режим платформы. Вид сбоку.
Переходный режим включает в себя действия по перемещению платформы с плавсредств (7) на место дислокации и обратно. Перемещение платформы с плавсредств осуществляют по прибытии на место дислокации и начинают с процесса разъединения жесткого соединения между плитой основания и верхним строением, что позволяет плите основания 1 погрузиться до уровня дна, при том что верхнее строение удерживается на плавсредствах (рис. 5).
Рис. 5. Переходный режим платформы. Вид сбоку.
Погружение и всплытие опорной плиты обеспечено наличием балластных емкостей 2, при этом в них закачивают воду и стравливают гибкие связи с барабанов соответствующих лебедок по мере погружения плиты основания, в результате чего опорная оболочка перемещается сквозь шахту верхнего строения (рис. 6).
Рис. 6. Выгрузка платформы на точку бурения. Вид сбоку.
В результате проведенных операций, опорная плита 1 опирается непосредственно на грунт основания. При необходимости перед началом процесса позиционирования производится подготовка основания на место установки платформы с помощью известных средств.
После окончания процесса размещения плиты основания на дне, выполняют работы по отсоединению плавсредств путем поднятия верхнего строения за счет работы гибких связей до безопасного расстояния над палубами плавсредств (рис. 7).
Рис. 7. Завершение переходного состояния платформы.
Разведка ведётся в стационарном режиме. По окончании эксплуатации платформы на месте дислокации осуществляют перемещение платформы на плавсредства. Данный процесс начинается со спуска верхнего строения на подведенные плавсредства с последующим опиранием на них верхнего строения. При этом обеспечивается максимально возможная площадь контакта между плавсредствами и верхним строением, позволяющая исключить риск разрушения конструкции и обеспечить остойчивость сооружения в целом. Далее производится откачка воды из балластных емкостей для обеспечения плавучести плиты основания и её последующее поднятие до сопряжения с днищем плавсредств и закрепление. При этом обеспечена выборка гибких связей для беспрепятственного всплытия плиты основания. Скорость всплытия регулируется для исключения ударных воздействий на плавсредства.
На данном этапе исследований выравнивание участка морского дна, отсыпка каменной постели не предусмотрены, так как платформа будет установлена на естественные илистые грунты основания.
Геометрические характеристики платформы и средств её и доставки
Основные геометрические характеристики платформы и средств ее доставки показаны на рисунках 8, 9 и в табл. 2.
Таблица 2
Характеристики несамоходных барж проекта 81300
Размерения судна габаритные, м:
длина 112,86
ширина 16,50
высота борта 4,0
Грузоподъемность, т 5000
Водоизмещение, т:
в грузу 6137
порожнем 1137
Осадка средняя, м:
в грузу 3,20
порожнем 0,68
I
I
Рис. 8. Геометрические характеристики платформы в транспортном состоянии.
ВЕСТНИК ИНЖЕНЕРНОЙ ШКОЛЫ ДВФУ. 2016. № 4(29)
Рис. 9. Геометрические характеристики платформы на акватории.
Расчет плавучести и остойчивости платформы в программе Диалог-статик
Помимо математической модели для расчета в программе необходимо знать аппликату центра тяжести платформы, которая рассчитана в табл. 3.
Таблица 3
Аппликата центра тяжести конструкции
Элемент конструкции Р1, Т 7^ м
Опорная плита основания 11000 2
Опорная оболочка 11600 22
Верхнее строение 2000 18
Плавсредства 2600 6
Аппликата центра тяжести 10.57
Далее формируется математическая модель конструкции в программе «Диалог статика», которая показана на рис. 10.
■
| | """""'«У"""""!
Рис. 10. Иллюстрация численной модели конструкции.
Результат расчета показан на рисунках 11, 12.
Рис. 11. График, показывающий изменения остойчивости от крена конструкции.
Нормы ¡Регистр 2003 V]
Величина Значение Норматив
Осадка на миделе, м 5,60
Осадка носом, м 5,60
Осадка кормой, м 5,60
Поперечная МЦВ с учетом поправок, м 66,357
Поправка к поперечной МЦВ, м 0,000
Число тонн на 1 см осадки 40,73
Момент, кренящий на 1 градус, тм 35401,04
Момент, дифферентующий на 1 см, тм 304,60
Угол максимума 1, град. 14,37
Угол максимума 2, град.
Угол заката град. 60,00 18,80
Максимальное плечо, м 8,516
Угол крена, град. 0,00
Угол заливания, град. 50,00
Площадь диаграммы до угла макс, м*рад. 1,255 0,080
Площадь парусности, кв.м 3060,02
Возвышение центра парусности над ВЛ, м 10,43
Кренящее плечо, м 0,057
Угол крена от действия ветра, град. 0,05 30,00
Рис. 12. Результаты расчета согласно Регистру морского судоходства.
Результаты показали, что расчетные значения расстояний до осей приложения статических плеч и углов крена находятся в пределах допустимых величин, согласно Регистру морского судоходства [3].
Анализ аналогичного патентного решения
Известна мобильная ледостойкая платформа, содержащая плиту основания, выполненная с возможностью регулирования ее плавучести, соосно сопряженная с опорной оболочкой, на которой установлено верхнее строение с возможностью вертикального перемещения вдоль нее (рис. 13) [4]. Такая конструкция платформы не обеспечивает устойчивость слабого грунта основания на местный размыв при воздействии волн и течений на небольших глубинах, что может привести к потере общей устойчивости платформы, в предложенном решении такая проблема отсутствует, так как предусмотрено свайное основание. Также не описан способ доставки данной конструкции, что ставит под сомнение ее мобильные качества.
Рис. 13. Конструкция мобильной ледостойкой платформы согласно патенту РФ № 2090699.
Заключение
Сложные климатические условия акваторий Обской и Тазовской губ Карского моря требуют уникальных решений не только конструкций платформ, но и способов их доставки, так как отсутствие инфраструктуры и малые глубины создают проблемы при использовании существующих решений, опыт использования которых крайне ограничен.
Предложенная концепция разведочной ледостойкой платформы является гибридом монопода и самоподъемной буровой платформы с сохранением достоинств последней в отношении её доставки и установки.
Особенностью данного решения является то, что оно позволяет доставить платформу к месту дислокации целиком, т.е. верхнее строение вместе с основанием будет дислоцировано в сборе. При этом средства доставки вместе с платформой будут объединены в единую конструкцию, что положительно скажется на остойчивости конструкции.
В дальнейшем предложенный способ доставки может стать основой для качественно нового решения, позволяющего быстро дислоцировать нефтегазовые платформы в условиях мелководья Арктического шельфа.
Предложенное решение может стать основой для качественно нового технического средства, представленного универсальной буровой платформой, способной круглогодично и автономно вести работы на мелководных месторождениях Арктического шельфа.
Способ доставки и сама платформа, разработанная Барышевым В.Н. на основе данной концепции, вошли в заявку на патент (Морская ледостойкая платформа / Барышев В.Н., Сабо-даш О.А., Беккер А.Т.; заяв. 2016130949 от 28.07.2016). Направлением дальнейших исследований является проведение физического моделирования для подтверждения возможности реализации предлагаемого способа.
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.
4. Патент РФ № 2477351 / Алисейчик А.А., Лившиц Б.Р. Заяв. 2011-07-20. Опубл. 2013-10-03.
THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE
Building materials and products
Baryshev V., Sabodash O., Tsimbelman N.
VLADISLAV BARYSHEV, Undergraduate Student, e-mail: vladbaryshev93@gmail.com OLGA SABODASH, PhD (in Engineering Sciences), Associate Professor, e-mail: olga_sab67@mail.ru
NIKITA TSIMBELMAN, PhD (in Engineering Sciences), Head of Department, e-mail: nikzimb@mail.ru
Offshore and Structural Mechanics Department, School of Engineering Far Eastern Federal University 8 Sukhanova St., Vladivostok, Russia, 690950
The method to deliver exploration drilling platforms to shallow water areas of Arctic
Abstract: The paper presents the survey of the natural conditions of the shallow waters of the Kara Sea. It deals with the development of a new delivery method and new engineering solutions for mobile ice-resistant exploration platform designed to works in the shallow waters of the Arctic offshore (9-18 m). The general concept of the exploration platforms in shallow water areas has been presented in it. Key words: offshore, arctic seas, water area, ice conditions, shallow water, delivery method, 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 konti-nental'nogo shel'fa: monografija. Vladivostok: Dal'nauka, 2004. 401 s.].
2. MusabirovA.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, 423 p. (in Russ.). [Pravila klassifikacii, postrojki i oborudovanija plavuchih burovyh ustanovok i morskih stacionarnyh platform // Rossijskij morskoj registr sudohodstva. SPb., 2014. 483 s.].
4. RF Patent number 2477351. Aliseichik A.A., Livshits B.R. Publ. 2011-07-20. (in Russ.). [Patent RF № 2477351 / Alisejchik A.A., Livshic B.R. ot 2011-07-20].
