СИСТЕМА ЗАГРУЗКИ ДЛЯ РАБОТЫ В ВОДАХ, ЗАБИТЫХ ЛЬДОМ Российский патент 2013 года по МПК B63B22/02 E21B43/01 F16L57/00 B63B27/24 B63B27/34 

Настоящее изобретение относится к системе загрузки с использованием подводной турели. Более конкретно оно относится к системе загрузки, предназначенной для транспортировки углеводородов с установки, расположенной на морском дне, на судно, находящееся в зоне дрейфующих льдов. Изобретение также относится к способу швартовки судна к погружному турельному бую в водах, забитых льдом, и способу установки системы защиты восходящих трубопроводов в таких водах. Изобретение можно также использовать в тех районах, где существуют опасности иного рода, которые могут повредить систему транспортировки углеводородов, например траловый лов или дрейфующие лесоматериалы.

Предпосылки создания изобретения

Область поисков нефти расширилась до арктических вод. При проектировании и конструировании систем загрузки и швартовки с водоотводом, рассчитанных на работу в водах, забитых льдом, серьезные проблемы часто возникают из-за движения дрейфующего льда. Поэтому требуются системы и способы, 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, довольно крупными и тяжелыми, направление их движения и абсолютная скорость не могут изменяться мгновенно. Хотя моделирование прогнозирует, что движение льда является стабильным, иногда направление дрейфа льда может изменяться на противоположное в течение примерно получаса. Это составляет главную проблему для известной концепции загрузки, когда танкер с дедвейтом, равным, например, 90000, остается в «попутном потоке» за платформой или башней, возвышающейся над водой. Если же в водах, где присутствует дрейфующий лед, использовать концепцию подводной загрузки, когда для танкера создается возможность «уклонения от льда», можно получить некоторые преимущества.

Однако в водах, забитых льдом, расположенное под судном оборудование может быть повреждено ледовыми образованиями, находящимися глубоко под водой (торосы в Печорской губе, айсберги в некоторых других местах).

Как показали испытания системы загрузки с помощью подводной турели в замерзших водах, проведенные в 1997 и 2000 гг. в HSVA (Гамбургском бассейне для судовых моделей), находящееся под килем оборудование при ухудшении ледовых условий будет приходить в контакт со льдом (взаимодействие с торосами). Поэтому должна быть предусмотрена защита восходящего трубопровода от этой опасности.

Уровень техники

В патенте США 5820429 описано устройство загрузочно/разгрузочного буя, предназначенного для работы в неглубоких водах, который выполнен с возможностью ввода в открытый вниз приемный отсек находящегося на плаву судна и закрепления в этом отсеке с возможностью отсоединения. Буй имеет прикрепленный к дну центральный элемент для пропускания жидкости от соединенного с его нижней стороной транспортировочного трубопровода и 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 донной удерживающей конструкцией, которая соединена с центральным элементом буя и предназначена для удерживания буя на морском дне, когда он не используется. К центральному элементу буя присоединено несколько швартовов, отходящих от него наружу на довольно большое расстояние по поверхности морского дна. Такая система обладает определенной эластичностью, что обеспечивает возможность подъема буя со дна.

Сущность изобретения

Целью изобретения является дальнейшее усовершенствование системы загрузки, которая может безопасно работать в забитых льдом водах, причем когда система не используется, погружная турельная система, включая восходящий трубопровод, может храниться полностью укрытой.

Другая цель изобретения состоит в создании системы защиты восходящего трубопровода, который проходит между морским дном и судном.

Следующая цель изобретения состоит в создании системы, в которой система загрузки может быстро убираться в полностью защищенное положение, в котором восходящий трубопровод не будет подвергаться ударам дрейфующего льда. Таким образом, еще одной целью изобретения является создание системы загрузки, позволяющей быстро прекращать операцию загрузки и отшвартовывать танкер от швартовной системы.

В соответствии с изобретением указанные цели достигаются с помощью системы загрузки, описанной в формуле изобретения.

Краткое описание чертежей

Ниже в качестве примера подробно описан вариант осуществления изобретения со ссылками на чертежи, где:

фиг.1 изображает смоделированное движение дрейфующего льда;

фиг.2 изображает известную систему загрузки;

фиг.3 изображает систему загрузки согласно изобретению, в которой восходящий трубопровод соединен с судном;

фиг.4 изображает элементы защитного устройства для восходящего трубопровода;

фиг.5 изображает систему загрузки в убранном нерабочем положении на морском дне;

фиг.6 изображает защитное устройство для восходящего трубопровода в процессе подъема из убранного положения в направлении к судну;

фиг.7 изображает один из этапов процесса установки элементов системы загрузки на морском дне.

Подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения

На фиг.1 представлен график, изображающий смоделированный дрейф льда. Интервал между двумя соседними точками кривой составляет 10 минут. График дает картину движения льда в течение суток. Как видно на фиг.1, модель предсказывает равномерное установившееся движение льда. Однако иногда направление дрейфа может меняться на противоположное в течение примерно получаса. Это создает серьезную проблему для известной концепции загрузки, когда танкер с дедвейтом, например, 90000 остается в «попутном потоке» за платформой или башней, возвышающейся над водой, как показано на фиг.2.

Согласно фиг.2 танкер 10 пришвартован к платформе 11, при этом флюиды транспортируются с платформы 11 на танкер 10 по гибкому шлангу 12. Этот шланг подвешен к загрузочной консоли 13, установленной с возможностью поворота. Поскольку судно пришвартовано только к платформе, вероятность их столкновения друг с другом при резком изменении направления дрейфа льда велика. В таких случаях операцию загрузки нужно немедленно прекратить и отшвартовывать танкер 10.

Чтобы избежать указанных проблем, требуется использовать концепцию подводной загрузки, которая уменьшает возможность столкновения с дрейфующим льдом и позволяет танкеру 10 «уклоняться от льда» в зависимости от движения дрейфующего льда.

На фиг.3 схематично показан предпочтительный вариант осуществления системы загрузки согласно изобретению. Как видно на фиг.3, судно 10, находящееся на плаву, снабжено загрузочной шахтой 15 и соединено с морским дном 16 с возможностью поворота с помощью множества швартовов 17. С морского дна 16 к судну 10 идет гибкий восходящий трубопровод 18, верхний конец которого соединен с погружным турельным буем 19. Благодаря тому, что швартовы 17 соединены с погружным буем 19, судно может поворачиваться наподобие флюгера. В качестве погружного буя можно использовать, например, буй, подробно описанный в патенте US 5820429 настоящего заявителя, на содержание которого даются ссылки. Верхний конец восходящего трубопровода 18 разъемно соединен с соответствующим трубопроводом на судне с помощью вертлюжного соединения (не показано).

Согласно изобретению для защиты восходящего трубопровода 18 служит защитное устройство 20. В варианте осуществления, показанном на фиг.3, верхний конец защитного устройства 20 подвешен к погружному турельному бую 19 с помощью множества цепей, тросов или подобных средств 21. Нижний конец защитного устройства 20 соединен со втулкой 22 восходящего трубопровода. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения защитное устройство 20 содержит множество полых срезанных сверху конических элементов 23, верхний диаметр которых меньше нижнего, или наоборот.

Система загрузки согласно изобретению содержит также расположенную на морском дне защитную структуру 24, которая предпочтительно представляет собой бункер для хранения и защиты восходящего трубопровода 18 и его защитного устройства 20 в период, когда система загрузки не используется. Бункер 24 врыт в морское дно 16 так, что его верхняя плита 25 расположена более или менее вровень с поверхностью дна. Поэтому когда система загрузки убрана в защищенное положение (см. фиг.5), лишь небольшая ее часть находится на поверхности дна.

Бункер состоит из двух основных частей - отсека 26 и главной камеры 27. В камеру 27 помещен барабан 28 для восходящего трубопровода. При вращении барабана вокруг горизонтальной оси (не показана) на него наматывается по меньшей мере нижний конец восходящего трубопровода. Барабан 28 может приводиться во вращение двигателем или подобным средством. Нижний конец восходящего трубопровода 18 соединен с трубопроводом 29, идущим от нефтяной скважины или другого источника, с помощью вертлюга обычного типа, допускающего поворот трубопровода 29 и барабана 28 друг относительно друга.

В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения в верхней плите 25 может быть выполнено отверстие 30, форма и размеры которого соответствуют форме и размерам втулки 22 восходящего трубопровода. Верхняя плита 25 может быть снабжена, по меньшей мере при использовании системы в неглубоких водах, смотровым люком 31 для обеспечения доступа при проведении небольших работ по обслуживанию.

В нижней части стенки 32, отделяющей отсек 26 от камеры 27, выполнена вертикальная прорезь 33, высота которой больше ожидаемой максимальной амплитуды вертикальной качки судна 10, а ширина больше диаметра восходящего трубопровода 18.

Для сведения к минимуму попадания грунта внутрь бункера 24 в период, когда система загрузки присоединена к судну, предусмотрены гибкие отражатели 34, расположенные над отверстием 30 для восходящего трубопровода и его защитного устройства 20. Примерно раз в год можно проводить небольшие работы по обслуживанию для удаления грунта, скопившегося на дне бункера. При необходимости могут быть предусмотрены меры по предотвращению проникновения грунта.

На фиг.4 показаны отдельные части защитного устройства 20 для восходящего трубопровода. Это устройство содержит множество полых усеченных конических элементов 35, каждый из которых открыт на обоих концах. Элементы 35 подвешены друг к другу с помощью цепей или тросов 21. Через элементы 35 проходит восходящий трубопровод.

Защитное устройство 20 выдерживает тянущие и ударные нагрузки, которые создает лед, проходящий под килем судна. Благодаря наличию отдельных подвешенных элементов 35 и их конструкции защитное устройство 20 (см. фиг.3 и 4) обладает требуемой гибкостью и защищает восходящий трубопровод от чрезмерного изгиба.

Так как элементы 35 подвешены друг к другу, то при опускании защитного устройства 20 они будут укладываться один в другой. Благодаря этому защитное устройство 20 будет всегда иметь необходимую длину. Когда судно находится в среднем по высоте положении, некоторые элементы в нижней части защитного устройства 20 будут уложены друг в друга, опираясь на верхнюю поверхность бункера 24. Поэтому общая длина защитного устройства 20 будет достаточно большой, так что вертикальная качка судна 10 будет компенсироваться.

Элементы 35 подвешены независимо от восходящего трубопровода 18. Поэтому восходящий трубопровод будет подвергаться вертикальной качке вместе с судном 10 и свободно скользить внутри нижних элементов 35.

На фиг.4 показана возможная конструкция элементов 35, в которой могут быть выполнены различные изменения в пределах объема изобретения и которая представлена лишь с целью дать понятие о работе этих элементов. Для соединения элементов 35 использованы цепи 21, однако эту роль могут играть тросы или другие соединительные средства. Кроме того, хотя в данном примере использованы четыре цепи 21, их количество может быть иным, например можно использовать три цепи.

На нижнем ободе 36 каждого элемента 35 может быть выполнен опорный выступ 37, имеющий крепежные ушки 38 для цепей 21.

На фиг.4 также схематично показана втулка 22 восходящего трубопровода, снабженная стопорными средствами 39, предназначенными для взаимодействия с соответствующими выемками в верхней плите 25, вследствие чего в рабочем положении происходит сцепление этой плиты и втулки 22 восходящего трубопровода.

На фиг.5 показано предназначенное для защиты восходящего трубопровода защитное устройство 20, когда оно находится в убранном нерабочем положении в отсеке 26 бункера 24. В этом случае погружной турельный буй 19 находится на поверхности верхней плиты 25, а втулка 22 восходящего трубопровода выведена из сцепления с верхней плитой 25 и лежит на специально приспособленной опоре 40 в нижней части отсека 26. При этом элементы 35 уложены друг на друга, а восходящий трубопровод 18 практически по всей своей длине намотан на барабан 28 в камере 27. На фиг.5 видно также, восходящий трубопровод 18, изгибаясь, свисает ниже нижнего конца прорези 33. Швартовы 17 свободно лежат на морском дне 16.

На фиг.6 система загрузки показана в процессе ее подъема в направлении к судну 10 с помощью троса 41. Погружной турельный буй 19 поднят над верхней плитой 25, а с ней сцеплена втулка 22 восходящего трубопровода. При подъеме погружного турельного буя 19 восходящий трубопровод 18 сматывается с барабана 28.

На фиг.7 показан один из этапов процесса установки системы загрузки согласно изобретению. Сначала на морском дне 16 устанавливают бункер 24. В альтернативном варианте бункер 24 может быть врыт в морское дно 16, как показано на фиг.7. Возможна предварительная установка швартовов 17, которые будут лежать на морском дне 16. Предпочтительно собранный предварительно узел, включающий верхнюю плиту 25 для бункера 24, барабан 28 с восходящим трубопроводом 18 и защитное устройство 20 для защиты восходящего трубопровода, включая погружной турельный буй, опускают на бункер 24 и прикрепляют к нему. После этого вертлюжное звено на нижнем конце восходящего трубопровода 18 соединяют с трубопроводом 29. Затем швартовы 17 прикрепляют к погружному турельному бую 19.

Система работает следующим образом.

До начала работы элементы 35 хранятся в уложенном друг на друга положении внутри отсека 26 бункера 24. Судно перемещается в положение над бункером 24 и соединяется с системой. Эта ситуация показана на фиг.5. Судно сперва поднимает буй, при этом втулка 22 восходящего трубопровода снимается со своей нижней опоры 40, а затем поднимает все защитное устройство 20 в положение, показанное на фиг.6. Далее втулка 22 восходящего трубопровода (подробно показана на фиг.4) прикрепляется к верхней плите 25 бункера 24, сцепляясь стопорными средствами 39 с соответствующими средствами, имеющимися на верхней плите 25. В ходе этой первой операции подъема барабан 28 не вращается, так как провисание восходящего трубопровода достаточно для того, чтобы обеспечить его требуемую длину. После этого судно 10 тянет погружной турельный буй 19 вверх до его контакта и жесткого сцепления с загрузочной шахтой 15 судна 10 (см. фиг.3). На этом этапе восходящий трубопровод 18 сматывается с барабана, принимая положение, при котором его провисание достаточно для компенсации вертикальной качки судна. С этой целью в стенке отсека 26, рядом с барабаном 28, выполнена вертикальная прорезь 33, позволяющая восходящему трубопроводу 18 перемещаться вверх и вниз. На фиг.3 оба крайних положения восходящего трубопровода 18 показаны пунктирными линиями. Когда система присоединена к судну 10, барабан 28 не вращается и не требуется сматывания или наматывания восходящего трубопровода 18 для динамического следования перемещениям судна 10.

На стадии отсоединения проводятся те же действия в обратном порядке. Систему можно назвать «системой с самохранением»; действительно, в случае аварийного отсоединения вся система целиком может автоматически убираться в бункер.

При монтаже или проведении больших работ по обслуживанию верхнюю плиту 25 можно отсоединить от бункера и поднять на борт какой-нибудь баржи, судна и другого плавучего средства.

Важным преимуществом этой системы является ее способность работать в любых ледовых условиях. Поскольку судно 10 и швартовная бочка могут противостоять надвигающемуся на них морскому льду, такой же способностью будет обладать и восходящий трубопровод 18, так как он по меньшей мере частично защищен под судном 10. Эластичность системы в вертикальном направлении дает ей возможность работать в условиях довольно сильного волнения. Поэтому предлагаемая система загрузки имеет очень высокую работоспособность.

Работа описанной системы транспортировки не зависит от способов присоединения к судну 10. Она очень хорошо подходит, например, для способа загрузки с помощью подводной турели, но может использоваться и в других системах. Например, ее можно использовать в качестве системы загрузки с постановкой на один мертвый якорь в водах с несложными ледовыми условиями или в водах, где используются, например, тяжелые траловые доски.

Систему загрузки согласно изобретению можно устанавливать на разных глубинах под водой - от очень небольших (например, 20 м и менее, встречающихся у берегов Сахалина, в Печорской губе и в северных районах Каспийского поря) до больших глубин. В случае больших глубин нет необходимости в том, чтобы защитное устройство 20 закрывало восходящий трубопровод 18 по всей длине, так как только его верхняя часть может подвергаться воздействию льда. Благодаря защите защитным устройством 20 только верхней части восходящего трубопровода 18 система будет храниться на морском дне 16 в более компактном виде.

Изобретение относится к системе загрузки для транспортировки углеводородов между установкой, расположенной на морском дне (16), и судном (10), находящимся в зоне дрейфующего льда. Система содержит погружной турельный буй (19), гибкий восходящий трубопровод (18), проходящий от расположенной на морском дне установки (24) к бую (19) и предназначенный для прочного соединения с соответствующим трубопроводом на борту судна (10), и множество швартовов (17), присоединенных к бую (19) и отходящих от него наружу. Для защиты восходящего трубопровода (18) от ударов, когда он находится в вытянутом положении, соответствующем транспортировке груза, имеется защитное устройство (20), содержащее множество отдельных подвешенных друг к другу элементов (35), через которые проходит восходящий трубопровод, и выполненное с возможностью хранения в положении, в котором его элементы (35) уложены друг на друга, вместе с восходящим трубопроводом, находящимся в убранном положении. Система содержит также защитную структуру (24), расположенную на морском дне (16) или в морском дне, для хранения и защиты восходящего трубопровода (18), когда он находится в убранном нерабочем положении, и защитного устройства (20), когда его элементы (35) уложены друг на друга. Защитная структура (24) имеет средства (28) для хранения восходящего трубопровода (18) в защищенном положении, когда он отсоединен от судна (10) и убран. Обеспечивается безопасность работы системы в водах, забитых льдом. 18 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Система загрузки для транспортировки углеводородов между установкой, расположенной на морском дне (16), и судном (10), находящимся в зонах дрейфующего льда, содержащая погружное турельное загрузочное устройство, включающее загрузочно-разгрузочный буй (19), выполненный с возможностью ввода в открытый вниз приемный отсек (15) судна (10) и разъемного закрепления в этом отсеке, гибкий восходящий трубопровод (18), проходящий от установки (24) на морском дне к бую (19) и выполненный с возможностью надежного соединения с соответствующим трубопроводом на борту судна (10), и множество швартовов (17), соединенных с буем (19) и отходящих от него наружу, причем буй (19) и швартовы (17) служат в качестве якорной системы, позволяющей судну (10) поворачиваться наподобие флюгера, отличающаяся тем, что она содержит: защитное устройство (20) для защиты восходящего трубопровода (18) от ударов, когда он находится в вытянутом положении, соответствующем транспортировке груза, причем защитное устройство (20) содержит множество отдельных подвешенных друг к другу элементов (35), через которые проходит восходящий трубопровод, и выполнено с возможностью хранения в положении, в котором его элементы (35) уложены друг на друга вместе с восходящим трубопроводом, находящемся в убранном положении, и защитную структуру (24), расположенную на морском дне (16) или врытую в него, для хранения и защиты восходящего трубопровода (18), когда он находится в убранном положении, соответствующем нерабочему состоянию, и защитного устройства (20), когда оно находится в положении, при котором его элементы (35) уложены друг на друга, причем защитная структура (24) содержит средства (28) для хранения восходящего трубопровода (18) в защищенном положении, когда он отсоединен от судна (10) и убран.

2. Система загрузки по п.1, в которой восходящий трубопровод (18) защищен по меньшей мере на части его длины, а защитное устройство (20) для восходящего трубопровода предпочтительно подвешено к погружному турельному бую (19) с помощью множества цепей или тросов (21).

3. Система загрузки по п.1 или 2, в которой элементы (35) защитного устройства (20) подвешены на цепях, тросах или подобных средствах (21) и выполнены в виде усеченных конических элементов (35).

4. Система загрузки по п.3, в которой верхний диаметр конических элементов (35) меньше их нижнего диаметра или наоборот.

5. Система загрузки по п.1, в которой защитная структура (24) имеет верхнюю часть (25), расположенную более или менее вровень с соседним участком морского дна (16) и имеющую отверстие (30), сообщающееся с внутренним пространством защитной структуры (24).

6. Система загрузки по п.5, в которой защитная структура (24) имеет вертикальный открытый вниз отсек (26), расположенный непосредственно под отверстием (30) в верхней части (25).

7. Система загрузки по п.1, в которой восходящий трубопровод (18) выполнен с возможностью полностью убираться в защитную структуру (24), когда он не используется, при этом восходящий трубопровод (18) хранится на барабане (28), установленном внутри защитной структуры (24).

8. Система загрузки по п.7, в которой барабан (28) установлен с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси, а восходящий трубопровод (18) соединен с трубопроводом (29) для подачи углеводородов с помощью вертлюга, в результате чего обеспечивается возможность вращения барабана (28) относительно трубопровода (29) для подачи углеводородов.

9. Система загрузки по п.1, в которой защитное устройство (20) для восходящего трубопровода выполнено с возможностью полностью убираться в отсек (26), когда восходящий трубопровод (18) не используется.

10. Система загрузки по п.9, в которой элементы (35) для защиты восходящего трубопровода в убранном положении внутри отсека (26) уложены друг на друга.

11. Система загрузки по п.1 или 2, в которой защитное устройство (20) для восходящего трубопровода снабжено на своем нижнем конце втулкой (22), предназначенной для взаимодействия с находящимися на защитной структуре (24) удерживающими средствами.

12. Система загрузки по п.11, в которой нижние концы поддерживающих цепей (21) прикреплены ко втулке (22).

13. Система загрузки по п.11, в которой втулка (22) снабжена стопорными средствами (39) для ее закрепления в застопоренном положении относительно удерживающих средств на защитной структуре (24).

14. Система загрузки по п.13, в которой стопорные средства (39) выполнены с возможностью разъединения, обеспечивая возможность опускания втулки (22) в нижнюю часть защитной структуры (24) в убранное положение вместе с уложенными друг на друга защитными элементами (35), когда восходящий трубопровод (18) не используется.

15. Система загрузки по п.11, в которой нижняя часть стенки отсека снабжена удерживающим средством, на которое опирается втулка (22) при нахождении в убранном положении внутри защитной структуры (24).

16. Система загрузки по п.5, в которой отверстие (30) на верхней части защитной структуры (24) снабжено гибким отражателем (34), предотвращающим попадание грунта внутрь защитной структуры (24) через отверстие (30).

17. Система загрузки по п.11, в которой втулка (22) имеет форму выступающего вверх конуса для взаимодействия с соответствующим отверстием в верхней плите (25) защитной структуры (24), благодаря чему предотвращается перемещение втулки (22) вверх.

18. Система загрузки по п.6, в которой в стенке отсека, соседней с барабаном (8), выполнена прорезь (33).

19. Система загрузки по п.18, в которой высота прорези (33) больше ожидаемой максимальной амплитуды вертикальной качки судна (10), а ширина прорези (33) больше диаметра восходящего трубопровода (18).