УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВРЕМЕННОГО УДЕРЖАНИЯ МОРСКОЙ БУРОВОЙ УСТАНОВКИ НА АРКТИЧЕСКОМ ШЕЛЬФЕ Российский патент 1997 года по МПК E02B17/02 E02D23/16 

Изобретение относится к гидротехническим сооружениям (искусственным островам), преимущественно к разведочным и эксплуатационным морским буровым установкам (МБУ). С наибольшим эффектом оно может быть применено в арктических акваториях, где регулярно действуют тяжелые ледяные поля.

В мировой практике уже многие годы ведутся поиски таких конструкций МБУ, которые могли бы противостоять подвижкам ледовых полей без прекращения эксплуатационного режима. Созданы, например, железобетонные опорные основания МБУ в виде усеченного конуса с тем, чтобы при надвигании ледяного поля его кромка разрушалась. Типичным представителем таких конструкций является, например, морская конструкция по патенту PCT N 86/06771 кл. E 02 В 17/02, от 1986 г. или по патенту США N 3952527, кл. E 02 В 17/00, 1977.

Недостатком подобных сооружений является, главным образом, их высокая стоимость в изготовлении, так как строительство этих колоссальных сооружений в условиях Арктики весьма затруднено.

Также давно разрабатывается идея более простых по конструкции опорных оснований, которые имели бы относительно невысокую собственную массу, но тем не менее могли бы противостоять сдвигающимся усилиям перемещающегося ледового поля. Для этой цели нижняя часть такого опорного основания снабжается забиваемыми в грунт дна сваями. К примеру можно сослаться на такие конструкции морских платформ как по патенту США N 3811289, кл. E 02 В 17/00 от 1974 или N 4784526, кл. E 02 В 17/00, от 1988, заявка Японии N 58-19806, кл. E 02 В 17/00, 1983 г. и др. В большинстве случаев забиваемые в грунт сваи (нередко еще и бетонируемые) практически становятся жертвенными, так как при переходе МБУ на другую точку акватории упомянутые сваи практически извлечь из донного грунта либо не представляется возможным, либо для этого необходимы сложные (дорогостоящие) приспособления. Кроме того, на извлечение таких свай из грунта уходит много времени.

В последние годы для постановки МБУ на точку бурения предложена идея применения криогенной технологии. Т.е. удержание МБУ осуществлять путем создания ледяной подушки.

В США разработано техническое решение (патент США N 4187039, кл. E 02 В 17/00 от 1980 г.) для создания искусственного ледового острова. Для этого с помощью подводных кессонов образуют кольцевой объем, воду внутри которого и омывающую стенки кессонов снаружи замораживают известным холодопроизводящим оборудованием, размещаемым внутри упомянутых кессонов и в образованном ими объеме. Образованный таким образом мерзлый грунт под кессонами увеличивает устойчивость МБУ.

Такое известное техническое решение, очевидно, позволяет значительно улучшить сопротивляемость МБУ сдвигу под действием ледяного поля, но имеется и существенный недостаток с точки зрения технологии изготовления и постановки элементов конструкции. Дело в том, что по рассматриваемому техническому решению необходимо изготовить и доставить в арктическую акваторию специальные кессоны. Они должны быть оборудованы не только отдельными автономными холодильными агрегатами, но и системами погружения (всплытия) с дистанционными управляющими органами. Таким образом, ожидаемый эффект неоправданно дорог в достижении.

Известно техническое решение по а.с. СССР N 1168665 Мкл. E 02 В 17/02 от 1985 (прототип), касающееся опорной колонны плавучей самоподъемной платформы.

Опорные колонны такой платформы выполнены в виде набора труб-секций, герметично соединяемых между собой. Каждая секция снабжена теплообменником (холодильным агрегатом), размещаемым внутри секции.

После задавливания колонны в грунт дна производится намораживание вокруг упомянутых секций ледяной шубы. Одновременно замораживается и контактирующий с секциями грунт, что приводит к повышению сцепления секций с грунтом.

В чем же главный недостаток такой, казалось бы весьма перспективной конструкции. Дело в том, что такая конструкция опорной колонны не приемлема в арктических условиях, так как она не защищена от воздействия двигающегося ледового поля.

Задачей изобретения является создание такой конструкции опорного основания МБУ для временного удержания ее на арктическом шельфе, от которой будут получены надежный результат противостояния воздействию двигающегося ледового поля; максимально возможное снижение затрат на изготовление необходимых вспомогательных элементов конструкции и их применение в процессе постановки МБУ на точку бурения и снятия ее для перегона в другой район и все это за счет максимального совмещения функций элементов опорного основания, которое по своему составу необходимо только для поддержания надводной части платформы с технологическим оборудованием. Поставленная задача решается тем, что опорное основание морской буровой установки (МБУ) выполнено в виде подводного мата с не менее чем одной пустотелой опорной колонной, например, цилиндрической формы, внутри которой размещены подвижно сваи с возможностью взаимодействия с механизмом их внедрения вверху и направляющим приспособлением внизу, причем каждая свая вдоль ее внутренней поверхности снабжена пустотелыми ребрами жесткости, гидравлически связанными с коллекторами для подачи текучей рабочей среды.

Поставленная задача решается тем, что первая часть пустотелых ребер жесткости выполнена перфорированной и через свой коллектор подсоединена к системе промывочной жидкости.

Поставленная задача решается тем, что вторая часть ребер жесткости через свой коллектор подсоединена к системе подачи хладагента, а третья часть их подсоединена через свой коллектор к системе размывающей жидкости.

Поставленная задача решается тем, что все сваи размещены равноудаленно друг от друга по внутренней образующей поверхности опорной колонны.

Поставленная задача решается тем, что свая снабжена патрубком для подачи в нее сжатого воздуха и патрубком слива пульпы, соединенного с отводящей трубой. Нижний конец которой размещен в зоне коллекторов.

На фиг. 1 дан общий вид основания морской буровой установки; на фиг. 2 - сечение А-А фиг. 1 (в изометрическом изображении); на фиг. 3 общий вид с частичным разрезом свай; на фиг. 4 сечение Б-Б фиг. 3; на фиг. 5 сечение В-В фиг. 3; на фиг. 6 вид Г фиг. 4; на фиг. 7 вид Д фиг. 4; на фиг. 8 - сечение Е-Е фиг. 3.

Опорное основание МБУ содержит установленные на мате 1 опорные колонны 2, 3, вдоль внутренней поверхности которых размещены сваи 4. Каждая свая вдоль своей внутренней поверхности снабжена пустотелыми ребрами жесткости 5, 6, 7, объединенными (в виде ростверка) соответствующими коллекторами 8, 9, 10 с трубопроводами 11, 12, 13 подачи рабочих текучих агентов. Пустотелые ребра жесткости 6 (для подачи промывочной жидкости) выполнены с отверстиями 14 перфорации, а к ребрам жесткости 7 подведена промывочная жидкость по трубе 12. Трубы 13 подачи и отвода хладагента к ребрам жесткости 5 защищены кожухом 15. Вся внутренняя поверхность кожуха защищена теплоизолирующим материалом 16.

В верхней части сваи установлены патрубки: 17 для подачи хладагента, 18
для подачи промывочной воды, 19 сжатого воздуха, 20 с отводящей трубой 21 для удаления размытого грунта. Сваи проходят через направляющее приспособление 22.

Для выполнения технологических операций по освоению определенной акватории шельфа арктического водоема на донный грунт устанавливается известными средствами мат 1 (как правило, прямоугольной формы в плане) с несколькими опорными колоннами 2, 3, на которых размещается надводное верхнее строение МБУ с технологическим оборудованием. Верхнее строение в настоящем предложении не составляет предмет изобретения, широко и поэтому на чертеже не показано.

Рассмотрим технологию постановки мата 1 на примере с опорной колонной 2. Это пустотелая, преимущественно цилиндрической формы конструкция, через центральную часть которой проходит буровой инструмент (на чертеже не показан). По внутренней поверхности колонны 2 равноудаленно размещены в направляющем приспособлении 22 внедряемые в грунт термосваи 4. Для внедрения этих свай существует несколько видов механизмов. Это может быть сваебойное оборудование или устройство для задавливания в виде реечно-шестеренного механизма или в виде системы траверс, приводимых в действие гидравлическими механизмами. В данном случае устройство для внедрения свай 4 в грунт не влияет на предмет изобретения и поэтому подробно не описывается.

Для внедрения очередной сваи, она вводится известным образом во взаимодействие с механизмом внедрения (задавливания) и погружается в грунт. По достижении проектной отметки механизм внедрения освобождается от упомянутой сваи и устанавливается на следующую. По окончании постановки свай в них выполняются операции по подсоединению ребер жесткости 5 к соответствующему коллектору 8 подачи хладагента.

Особенностью предлагаемого устройства термосваи 4 заключается в том, чтобы при наименьших затратах в изготовлении из дефицитных металлов ее оболочки получать максимальный эффект в эксплуатации. Для этого часто необходимо для обеспечения прочности металла заменена менее дефицитными ребрами жесткости, которые выполняются в виде полуцилиндров 5, 6, 7, привариваемых к внутренней поверхности сваи 4 с шагом, определяемым расчетом. При этом часть ребер, например, 5 предназначены для подачи хладагента, часть 6 для барботирования водой образующей пульпы, а часть 7 для подачи жидкости.

Работа по внедрению свай заключается в том, что при постепенном ее вхождении в грунт в зону забоя подается промывочная жидкость через коллектор 9 и соответствующие ребра жесткости 7. Для того чтобы образующаяся пульпа была бы более легкоподвижной, через коллектор 10 и ребра 6 может быть подана вода через отверстия 14. По мере дальнейшего внедрения сваи 4 в грунт пульпа накапливается, поднимается вверх и выливается через патрубок 20. В зависимости от свойств грунта может оказаться, что вода для барботирования не требуется, тогда соответствущий коллектор и ребра жесткости могут бездействовать.

По окончании внедрения всех свай 4 в грунт в соответствующие ребра жесткости 5 подается хладагент, с помощью которого окружающий сваи грунт замораживается, что обеспечивает повышение сопротивления в случае надвигающегося ледового поля.

Указанное повышение сопротивляемости опорного основания с двигающим и отрывным нагрузкам объясняется следующими факторами. Как известно, размер опорной колонны в сечении составляет несколько метров. Глубина задавливания свай в грунт также составляет более 10 м. Расстояние между сваями ок. 1,0 м. Таким образом, нетрудно представить массу замороженного грунта, которая препятствует запрокидыванию платформы под действием давления льда за счет упомянутой массы замороженного грунта. Кроме того, площадь этого замороженного грунта в вертикальной плоскости составляет сотни квадратных метров, что естественно, препятствует сдвигающим усилиям от действия ледового поля.

Для повышения несущей способности (сопротивляемости сдвиговым нагрузкам) определенную существенную роль играет направляющее приспособление 22. Оно представляет из себя кольцо (см. фиг. 8) с ячейками для прохода свай 4. Замораживание грунта и пульпы осуществляется несколько выше расположения направляющего приспособления 22. В этом случае грунт (пульпа), замороженные как внутри свай 4, так и снаружи, становится монолитом и в случае подвижки ледового поля сдвигающие усилия от сваи 4 передаются на колонну 2 через направляющее приспособление 22, что в значительной мере повышает прочностные свойства сваи 4 без увеличения ее металлоемкости.

Для повышения эксплуатационной эффективности важную роль играет система удаления пульпы. Дело в том, что замораживание всего столба пульпы до патрубка 20 невыгодно из-за больших затрат хладагента. Поэтому оптимально, когда выше направляющего приспособления 22 пульпа будет удалена. Для этого через патрубок 19 (после окончания процесса замораживания свай до и несколько выше приспособления 22) подается сжатый воздух. Через отводящую трубу 21 и патрубок 20 в результате сжатым воздухом пульпа полностью удаляется, а сам воздух при этом становится хорошим теплоизолятором, препятствующим наращиванию ледовой подушки выше направляющего приспособления 22.

По окончании технических операций в данной точке акватории, при необходимости перегона МБУ на новую точку подача хладагента прекращается. По этим же каналам может быть пропущен другой текучий рабочий агент с повышенной температурой (подогретая вода, воздух, выхлопные газы от работающих дизелей и т. п.) В результате слой контакта между сваей и грунтом разжижается и облегчает удаление сваи из грунта.

Внутренняя поверхность кожуха 15 покрыта теплоизолирующим материалом 16, который предотвращает замерзание находящейся внутри сваи пульпы.

Таким образомизобретение, в значительной мере позволяет облегчить операцию по постановке (снятию) на точку бурения, успешно противостоит подвижке ледового поля и сокращает затраты на изготовление отдельных элементов конструкции.

А размещение свай 4 по внутреннему периметру колонн 2, 3 позволяет получить кольцо замороженного грунта, что увеличивает массу присоединенного грунта, площадью поперечного сечения образованного кольца при значительно меньших затратах холода, чем при полной заморозке упомянутого объема грунта.

Использование: в гидротехническом строительстве, в частности, может быть использовано при возведении морских буровых установок на арктическом шельфе. Сущность изобретения: в устройстве для временного удержания морской буровой установки на арктическом шельфе в условиях подвижки ледяных полей в опорной колонне размещены сваи. Каждая свая по внутренней поверхности выполнена с пустотелыми ребрами жесткости, по части из которых пропускается хладагент, по другим - размывающая жидкость, а по третьим - промывочная жидкость. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Устройство для временного удержания морской буровой установки на арктическом шельфе, содержащее опорное основание с опорными колоннами, снабженное сваями, взаимодействующими с механизмом их внедрения, отличающееся тем, что каждая свая вдоль ее внутренней поверхности выполнена с пустотелыми ребрами жесткости, часть из которых выполнена перфорированной и через свой коллектор подсоединена к системе промывочной жидкости, часть пустотелых ребер жесткости подключена через свой коллектор к системе подачи хладоагента, а оставшаяся часть этих ребер через свой коллектор к системе размывающей жидкости, при этом каждая свая снабжена патрубком для подачи в нее сжатого воздуха и патрубком слива пульпы, соединенным с отводящей трубой, нижний конец которой размещен в зоне коллекторов. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сваи размещены внутри опорной колонны по ее периметру и равноудалены друг от друга.