ЗАЩИТНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЛУБОКОВОДНОГО ГИБКОГО ВОСХОДЯЩЕГО ТРУБОПРОВОДА Российский патент 2008 года по МПК E21B43/13 

Настоящее изобретение относится к системам с гибким восходящим трубопроводом, предназначенным для работы в глубоких водах, забитых льдом, где нужно защитить не весь гибкий трубопровод, а его отдельные части. Изобретение в особенности касается защитных устройств для гибких трубопроводов, транспортирующих углеводороды с установки, расположенной на морском дне, на судно, находящееся на плаву в зоне дрейфующих льдов. Такой восходящий трубопровод может использоваться, например, для загрузки или транспортировки углеводородов с помощью подводной турели на плавучую добывающую платформу или судно или от них в глубоких водах, забитых льдом. Изобретение может использоваться также в районах, где встречаются другие препятствия, например дрифтерные сети или дрейфующий лесоматериал.

Предпосылки создания изобретения

Область поисков нефти расширилась до глубоких арктических вод. При проектировании и конструировании добывающей системы или системы загрузки и швартовки часто возникают серьезные проблемы из-за движения дрейфующего льда. Поэтому существует потребность в системах и способах, которые позволили бы избежать опасности загрязнения, вызванного повреждением оборудования из-за столкновения с дрейфующим льдом.

На дрейф льда влияют, главным образом, ветер, волны, океанические течения и силы, вызывающие приливы. Как было установлено в результате исследований в восточной части Баренцева моря, дрейф льда в широких временных пределах происходит стохастически и напоминает броуновское движение, за исключением периодов, когда лед движется довольно прямолинейно. Поскольку льдины бывают, как правило, крупными и тяжелыми, направление и скорость их движения не могут изменяться мгновенно. Хотя моделирование прогнозирует стабильное движение льда, иногда направление его дрейфа может изменяться на противоположное в течение примерно получаса. Это составляет главную проблему для известной концепции загрузки, когда танкер с дедвейтом, равным, например, 90000, стоит в кильватере за платформой или башней, возвышающейся над поверхностью воды. Если же в водах, где присутствует дрейфующий лед, использовать концепцию подводной загрузки, позволяющей танкеру "уклоняться от льда", то можно получить некоторые преимущества.

Как показали испытания системы загрузки с подводной турелью в замерзших водах, проведенные в 1997 и 2000 г.г. в HSVA (Гамбургском бассейне для судовых моделей), при ухудшении ледовых условий находящееся под килем оборудование может входить в контакт со льдом (сталкиваться с торосами). Поэтому необходимо предусматривать защиту восходящего трубопровода от этой опасности.

Уровень техники

В патенте США № 5820429 описано устройство загрузочно-разгрузочного буя, предназначенного для использования в неглубоких водах. Буй выполнен с возможностью ввода в открытый вниз приемный отсек находящегося на плаву судна и закрепления в этом отсеке с возможностью разъединения. Буй имеет прикрепленный к днищу центральный элемент для пропускания жидкости от транспортировочного трубопровода, соединенного с нижней стороной центрального элемента, или к этому трубопроводу. Буй имеет также наружный элемент, установленный с возможностью вращения на центральном элементе и позволяющий судну поворачиваться вокруг центрального элемента при закреплении наружного элемента в приемном отсеке. Буй снабжен днищевой удерживающей конструкцией, соединенной с центральным элементом буя и предназначенной для удерживания буя на морском дне, когда он не используется. К центральному элементу буя присоединено несколько швартовов, отходящих от него на довольно большое расстояние вдоль морского дна. Такая система обладает эластичностью, позволяющей поднимать буй со дна.

Сущность изобретения

Целью настоящего изобретения является создание защиты гибких восходящих трубопроводов, используемых в водах. Защита должна быть обеспечена по меньшей мере для верхней части восходящего трубопровода, проходящего между морским дном и плавучей платформой или судном.

Другой целью изобретения является создание восходящего трубопровода и защитного устройства для его защиты, которые могут быстро убираться в погруженное нерабочее положение, позволяя быстро отсоединять восходящий трубопровод в месте его присоединения к судну или платформе и, по возможности, убирать на такую глубину, где он не будет подвергаться ударам от дрейфующего льда. Соответственно, еще одной целью изобретения является создание системы загрузки, позволяющей быстро прекратить операцию загрузки и отшвартовать пришвартованный танкер от системы, включающей швартовное устройство и восходящий трубопровод. Предусмотрено, что система может также использоваться для транспортировки углеводородов на плавучую платформу и оборудование, установленное на морском дне, или от них.

Согласно изобретению, предусмотрены средства для поддержания предназначенного для защиты восходящего трубопровода устройства в растянутом и/или натянутом вниз состоянии, благодаря чему достигается надежная защита гибкого восходящего трубопровода при столкновении с льдинами, плавающими обломками и другими предметами.

Для обеспечения целостности восходящего трубопровода при работе и его надежной защиты с помощью системы защиты в конструкцию восходящего трубопровода включено специальное растягивающее или натяжное устройство. Согласно предпочтительному варианту осуществления, это устройство может быть в виде кольцевого тела, прикрепленного к нижнему концу системы защиты восходящего трубопровода и охватывающего его. Кольцевое тело подвешено к нижнему концу устройства для защиты восходящего трубопровода, в результате чего устройство для защиты восходящего трубопровода будет растянуто и натянуто.

Растягивающее и натяжное устройство обеспечивает также демпфирование перемещения восходящего трубопровода при его ударах устройства для его защиты об лед.

Таким образом, растягивающее или натяжное устройство имеет две функции: во-первых, оно обеспечивает необходимую защиту восходящего трубопровода благодаря тому, что устройство для защиты восходящего трубопровода находится в растянутом состоянии, и во-вторых, оно действует как демпфер, ограничивая перемещение гибкого восходящего трубопровода и устройства для его защиты при столкновении последнего с льдинами.

Следует также отметить, что восходящий трубопровод может подвергаться значительному истиранию и разрывам на участке, который проходит через растягивающее или натяжное устройство, поэтому восходящий трубопровод целесообразно защитить резиновой втулкой или подобным средством.

Согласно изобретению, указанные цели достигнуты с помощью системы защиты восходящего трубопровода, описанной в формуле изобретения.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение описано подробно на примере предпочтительного варианта его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 изображает смоделированное движение дрейфующего льда (расстояние указано в метрах);

фиг.2 изображает известную типовую систему загрузки;

фиг.3 изображает систему загрузки согласно изобретению, в которой восходящий трубопровод и погружной турельный загрузочный буй соединены с судном;

фиг.4а-в изображает элементы устройства для защиты восходящего трубопровода;

фиг.5 изображает более подробно систему загрузки и устройство для защиты восходящего трубопровода согласно изобретению; и

фиг.6 изображает в увеличенном масштабе вариант выполнения растягивающего и натяжного устройства согласно изобретению в вертикальном разрезе.

Подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения

В описании даются ссылки на параллельные заявки Норвегии №№ 2002.4584 и 2002.4585, поданные настоящим заявителем, которые относятся к гибким восходящим трубопроводам, предназначенным для работы в водах, забитых льдом. Обе эти заявки относятся в особенности к восходящим трубопроводам, предназначенным для работы в неглубоких водах, причем на морском дне может быть установлен бункер для хранения восходящего трубопровода, когда он не используется. Восходящий трубопровод защищен по всей длине защитным элементом в виде ряда ведер, не препятствующим изгибу гибкого трубопровода. При отсоединении восходящего трубопровода и его погружении на морское дно эти ведра укладываются друг на друга.

На фиг.1 показан график смоделированного движения дрейфующего льда. Интервал между соседними точками на графике соответствует 10 минутам. График дает картину движения за 24 часа. Как видно на графике, модель прогнозирует стабильное движение льда, однако иногда направление дрейфа льда может изменяться на противоположное в течение примерно получаса.

На фиг.2 показан танкер или добывающее судно 10, пришвартованное к неподвижной платформе 11, с которой флюиды транспортируются по гибкому рукаву 12 на судно 10. Гибкий рукав 12 подвешен к загрузочному кронштейну 13, установленному с возможностью поворота. Поскольку судно 10 только пришвартовано к платформе 11, вероятность их столкновения велика, если направление дрейфа льда резко изменяется. В таком случае нужно немедленно прекратить операцию закгрузки и быстро отсоединить танкер 10 от швартовной системы.

Чтобы избежать этих проблем, необходимо использовать концепцию подводной загрузки, которая уменьшает вероятность столкновений с дрейфующим льдом и позволяет танкеру 10 "отклоняться под действием льда" в зависимости от его движения.

Фиг.3 схематично изображен предпочтительный вариант выполнения системы загрузки согласно изобретению. Судно 10 (или плавучая платформа), снабженное загрузочной шахтой 15, находится на плаву на поверхности 14 моря и пришвартовано с возможностью поворота к морскому дну 16 с помощью нескольких швартовов 17. Между морским дном 16 и судном 10 проходит гибкий восходящий трубопровод 18. Для компенсации вертикальных перемещений, вызванных перемещениями судна, восходящий трубопровод имеет изгиб и провисание благодаря наличию буев 28. Верхний конец восходящего трубопровода 18 соединен с погружным турельным буем 19, а нижний конец - со скважиной или манифолдом 29 на морском дне 16. Швартовы 17 соединены с погружным турельным буем 19, позволяя судну поворачиваться под действием ветра. Турельный буй 19 может быть таким, как описано в выданном настоящему заявителю патенте США №820429, содержание которого включено в данное описание. Верхний конец восходящего трубопровода 18 соединен с возможностью отсоединения к соответствующему трубопроводу на борту судна посредством вертлюжного соединения (не показано).

Согласно изобретению, восходящий трубопровод 18 защищен устройством 20 для защиты восходящего трубопровода. В варианте выполнения, показанном на фиг.3, 4 и 5, верхний конец устройства 20 для защиты восходящего трубопровода подвешен к погружному турельному бую 19 с помощью множества цепей, тросов или подобных средств 21. Нижний конец устройства 20 для защиты восходящего трубопровода соединен с растягивающим или натяжным устройством 22, имеющим достаточный вес для обеспечения необходимого растяжения или натяжения устройства 20 для защиты вниз. Растягивающее устройство может быть образовано кольцевым телом, окружающим гибкий восходящий трубопровод 18.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, устройство 20 для защиты восходящего трубопровода содержит множество полых элементов 23 в виде усеченных конусов, у которых верхний диаметр меньше нижнего диаметра или наоборот (см. фиг.4).

На фиг.4 показаны основные части устройства 20 для защиты восходящего трубопровода. Это устройство содержит множество полых усеченных сверху конических элементов 23, каждый из которых открыт на обоих концах. Элементы 23 подвешены друг к другу с помощью цепей или тросов 21. Восходящий трубопровод проходит внутри элементов 23.

Такое устройство 20 для защиты восходящего трубопровода противостоит тянущим или ударным нагрузкам, создаваемым льдом, проходящим под килем судна. Конструкция элементов 23 придает устройству 20 для защиты восходящего трубопровода необходимую ему способность изгибаться благодаря подвешиванию отдельных элементов на тросах или цепях 21, и предохраняет восходящий трубопровод от чрезмерного изгиба (см. фиг.3 и 4).

Поскольку элементы 23 подвешены друг к другу, они вкладываются один в другой, когда устройство 20 для защиты восходящего трубопровода убирают в нерабочее положение. Благодаря этому устройство 20 для защиты восходящего трубопровода всегда имеет нужную длину.

Если элементы 23 подвешены к судну 10 или погружному турельному загрузочному бую 19 независимо от восходящего трубопровода 18, то последний будет подниматься и опускаться вместе с судном и в какой-то мере скользить внутри нижнего элемента 23.

На фиг.4 показана возможная конструкция элементов 23. Это конструкция может быть изменена в рамках сущности изобретения и показана лишь с целью дать представление о работе элементов 23. На фиг.4 для соединения элементов 23 используются цепи 21, однако эту функцию могут выполнять тросы или другие соединительные средства. На фиг.4 элементы 23 соединены четырьмя цепями, однако количество цепей может быть иным, например, может быть достаточно трех цепей.

Как показано на фиг.4, более широкий край 24 каждого элемента 23 может быть снабжен опорным выступом 25 для укладки элементов 23, который имеет проушины 26 для крепления цепей 21.

На фиг.4 также схематично показан вариант выполнения растягивающего элемента 22 для восходящего трубопровода.

Система защиты восходящего трубопровода, показанная на фиг.3, представлена более подробно на фиг.5. Восходящий трубопровод 18 подвешен к погружному турельному загрузочному бую 19, установленному в турели на судне 10, находящемся на плаву. Устройство 20 для защиты восходящего трубопровода тоже подвешено к погружному турельному загрузочному бую 19 с помощью цепей 21. Восходящий трубопровод 18 в районе нижнего конца устройства 20 для его защиты имеет резиновую втулку 27 или аналогичное средство. Резиновая втулка 27 предназначена, помимо прочего, для защиты восходящего трубопровода 18 от истирания и разрыва при контакте с кольцевым телом 22 в результате перемещений, вызванных волнами, морским течением, дрейфующим льдом и различными обломками или ветром.

Втулка 27 может иметь любую подходящую форму или размеры и может быть выполнена из любого подходящего материала, прочного в отношении истирания и разрыва. Резиновая втулка 27 обеспечивает также регулируемое распределение сил, действующих со стороны кольцевого тела 22 на восходящий трубопровод 18.

На фиг.6 показан в вертикальном разрезе вариант выполнения изобретения, в котором кольцевое тело 22 подвешено цепями к устройству 20 для защиты восходящего трубопровода (не показано). Нижний внутренний угол кольцевого тела 22 расклинен, а втулка 27 окружает восходящий трубопровод 18. В том варианте выполнения сведена к минимуму вероятность повреждения восходящего трубопровода, вызванного его перемещением относительно натяжного устройства 22.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, кольцевое тело 22 может быть снабжено якорными цепями или тросами 30 для увеличения направленной вниз силы, действующей на устройство 20 для защиты восходящего трубопровода, в результате чего увеличивается натяжение или растягивание этого устройства 20.

Устройство 20 для защиты восходящего трубопровода может, например, подвешиваться к погружному турельному бую и в нерабочем положении, когда оно отсоединено от судна. В альтернативном варианте осуществления изобретения устройство 20 для защиты восходящего трубопровода может временно храниться в сложенном положении на борту судна 10 либо в турели/загрузочной шахте, либо в носовой части судна, если используется такой тип одноточечной швартовной системы.

В случае глубоких вод устройство 20 для защиты восходящего трубопровода должно закрывать не весь восходящий трубопровод 18, а только его верхнюю часть, которая может подвергаться воздействию льда. Ограничение защитной функции устройства 20 до защиты только верхней части восходящего трубопровода 18 обеспечивает компактность системы при ее хранении на морском дне 16.

Важным преимуществом этой системы является ее пригодность для работы в любых ледовых условиях. Пока судно 10 и швартовы 17 смогут противостоять надвигающемуся на них льду, такой же способностью будет обладать и восходящий трубопровод, частично защищенный под судном 10. Вертикальная эластичность системы дает ей возможность работать при довольно сильном волнении. Таким образом, система загрузки будет иметь очень высокую работоспособность.

Транспортировочная система не зависит от способа соединения с судном 10. Она хорошо подходит, например, для системы загрузки с помощью подводной турели, но может использоваться также в других системах. Она может быть приспособлена, например, для использования в качестве одноякорной системы загрузки в водах с несложными ледовыми условиями или в водах, где встречаются дрифтерные сети или дрейфующий лесоматериал.

Предлагаемая система загрузки может устанавливаться на различных глубинах, предпочтительно более 20 м.

Описанная выше система, включающая растягивающее или натяжное устройство, может применяться с плавучими средствами любых типов. Особенно целесообразно использовать ее как составную часть системы загрузки с помощью подводной турели при работе в глубоких водах, где присутствует лед, однако она может также использоваться как часть любой системы загрузки в открытом море. Кроме того, эта система может использоваться на плавучих добывающих или бурильных платформах, где нужно обеспечить защиту некоторых или всех восходящих трубопроводов платформы. Следует отметить, что предлагаемая система в принципе может обеспечить защиту восходящих трубопроводов от ударов, наносимых не только льдом, но и другими предметами, такими как плавучие обломки и лесоматериал, а также сильными волнами, и в какой-то мере защиту от ударов при столкновении с другими судами.

Изобретение относится к системам с гибким восходящим трубопроводом, предназначенным для работы в глубоких водах, забитых льдом, где нужно защищать не весь гибкий трубопровод, а его отдельные части. Технический результат - защита верхней части восходящего трубопровода, проходящего между морским дном и плавучей платформой или судном. Гибкий восходящий трубопровод или система загрузки для транспортировки углеводородов между установкой, расположенной на морском дне, и судном, находящимся на поверхности моря, причем восходящий трубопровод снабжен устройством для его защиты от ударов, закрывающим, по меньшей мере, верхнюю часть восходящего трубопровода. Устройство для защиты восходящего трубопровода выполнено гибким и образовано множеством отдельных полых элементов, каждый из которых подвешен на цепях или тросах. Устройство для защиты восходящего трубопровода снабжено растягивающим или натяжным устройством, которое прикреплено предпочтительно к нижнему концу устройства для защиты восходящего трубопровода. 12 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Гибкий восходящий трубопровод или система загрузки для транспортировки углеводородов между установкой (29), расположенной на морском дне, и судном (10), находящимся на поверхности (14) моря, причем восходящий трубопровод (18) снабжен устройством (20) для его защиты от ударов, закрывающим, по меньшей мере, верхнюю часть восходящего трубопровода (18), отличающийся тем, что устройство (20) для защиты восходящего трубопровода выполнено гибким и образовано множеством отдельных полых элементов (23), каждый из которых подвешен на цепях или тросах (21), причем устройство (20) для защиты восходящего трубопровода снабжено растягивающим или натяжным устройством (22), которое прикреплено предпочтительно к нижнему концу устройства (20) для защиты восходящего трубопровода.2. Гибкий восходящий трубопровод или система загрузки по п.1, в которых устройство (20) для защиты восходящего трубопровода подвешено к судну (10).3. Гибкий восходящий трубопровод или система загрузки по п.1, в которых устройство (20) для защиты восходящего трубопровода подвешено к погружному турельному загрузочному бую (19).4. Гибкий восходящий трубопровод или система загрузки по любому из пп.1-3, в которых растягивающее устройство (22) образовано кольцевым телом, окружающим гибкий восходящий трубопровод (18).5. Гибкий восходящий трубопровод или система загрузки по любому из пп.1-3, в которых растягивающее устройство (22) пришвартовано к морскому дну (16) с помощью тросов (30).6. Гибкий восходящий трубопровод или система загрузки по любому из пп.1-3, в которых внутренняя поверхность растягивающего устройства (22) на нижнем конце выполнена криволинейной для уменьшения нежелательных ударов по восходящему трубопроводу или его истирания и разрывов из-за относительного перемещения растягивающего устройства (22).7. Гибкий восходящий трубопровод или система загрузки по любому из пп.1-3, в которых восходящий трубопровод (18) вблизи растягивающего устройства (22) снабжен втулкой (27), предназначенной для уменьшения нежелательных ударов по восходящему трубопроводу, вызванных относительным перемещением растягивающего устройства (22).8. Гибкий восходящий трубопровод или система загрузки по п.1, в которых растягивающее устройство (22) подвешено на цепях или тросах (21), несущих устройство для защиты восходящего трубопровода.9. Гибкий восходящий трубопровод или система загрузки по любому из пп.1-3, в которых полые элементы (23) выполнены в виде усеченных конусов, у которых верхний диаметр меньше нижнего или наоборот.10. Гибкий восходящий трубопровод или система загрузки по п.9, в которых полые элементы (23), образующие устройство (20) для защиты восходящего трубопровода, в убранном положении уложены друг на друга.11. Гибкий восходящий трубопровод или система загрузки по любому из пп.1-3, в которых устройство (20) для защиты восходящего трубопровода выполнено с возможностью полностью убираться в укрытое положение на судне (10).12. Гибкий восходящий трубопровод или система загрузки по любому из пп.1-3, в которых полые элементы (23) имеют внутри покрытие или антифрикционный слой для сведения к минимуму трения или ударов между восходящим трубопроводом (18) и устройством (20) для его защиты, что позволяет восходящему трубопроводу (18) свободно двигаться внутри устройства (20) для его защиты.13. Гибкий восходящий трубопровод или система загрузки по п.10, в которых каждый полый элемент (23) имеет на своем более широком конце опорный выступ (25) для укладки полых элементов (23) друг на друга.