Устройство типа "Купол" для ликвидации подводных разливов нефти в комплекте с технологическим оборудованием Российский патент 2020 года по МПК E02B15/04 E21B43/01 

Изобретение относится к области охраны окружающей среды в части поддержания в надлежащем состоянии водоемов и предназначено для ликвидации аварийного разлива нефти методом локализации подводного разлива и перенаправления потока нефти на поверхность для последующей транспортировки или утилизации.

Известна система для сбора и локализации нефти в водной среде в виде купола в форме усеченной пирамиды, имеющий 4, 5 или 6 граней, в центре пирамиды имеется круглое отверстие, к которому посредством соединительного кольца крепится рукав, образованный из отдельных полотнищ, скрепленных застегивающими устройствами, соединенными в рукав посредством соединительных колец, и удерживаемый в вертикальном положении поплавками, прикрепленными к соединительным кольцам. RU №2634118 С1, опубл. 24.10.2017.

Система фиксируется над местом разлива посредством якорных канатов, прикрепленных к мертвым якорям, установленным на дне. На поверхности воды вокруг верхнего края рукава устанавливается боновое заграждение, которое посредством якорных канатов крепится к мертвым якорям на дне и удерживает в центре ограждения верхний край рукава посредством растяжек.

При этом верхний край не доходит до поверхности воды и позволяет нефти или нефтепродуктам свободно выходить и растекаться по поверхности акватории, ограниченной боновым заграждением. Прототип имеет следующие недостатки:

- купол и соединительный рукав в разложенном состоянии являются габаритными, что делает сомнительным возможность развертывания системы и установки в заданное положение на глубоких водах;

- наличие множества связей и растяжек при неблагоприятных погодных условиях может привести к их запутыванию;

- отсутствуют какие-либо методы для борьбы с образованием гидратов и отложений.

Техническим результатом данного изобретения является создание системы, устраняющей выше перечисленные недостатки и обеспечивающей проведение операций по ликвидации аварийного разлива над любым источником утечки нефти на глубинах до 2200 м, с возможностью работы судов на безопасном расстоянии от источника разлива.

Устройство «купол» представляет собой металлическую конструкцию с открытым снизу резервуаром цилиндрической формы, плавно переходящим в куполообразную верхнюю часть. Основу конструкции составляет силовая рама из труб круглого сечения, замкнутая на плоское основание.

Корпус резервуара имеет металлическую полость, располагаемую на внутренней поверхности и представляющую собой теплообменник для циркуляции теплоносителя и нагрева обводненной нефтяной смеси. В корпусе имеется отверстие с соединительным устройством для стыковки транспортировочного трубопровода. На теплоизолированной внешней поверхности корпуса имеются отверстия для выхода теплоносителя наружу (т.к. система подогрева незамкнутая). К плоскому основанию конструкции приварен фланец быстроразъемного соединения. Ответный фланец закреплен на армированной бетонной конструкции, выполняющей роль балласта при погружении и роль якоря при эксплуатации.

К верхним элементам рамы крепится устройство для соединения с силовой заделкой кабель-троса.

По внешней поверхности корпуса на рамную конструкцию раскреплены сферопластиковые блоки плавучести, необходимые для обеспечения положительной плавучести конструкции без балласта и придающие обтекаемую форму верхней части устройства.

По периметру основания равноудаленно друг от друга на нижнюю часть рамы установлены четыре электрические лебедки глубоководного исполнения. Лебедки предназначены для изменения длин якорных связей для обеспечения выполнения горизонтальных и вертикальных перемещений «купола» во время операций позиционирования и наведения на точку.

Датчики системы контроля среды (датчик глубины, температуры, анализаторы нефтепродуктов, гидроакустические датчики обнаружения сопутствующих газов) располагаются симметрично по окружности сечения корпуса резервуара «подкупольного» пространства, локализирующего нефтяной поток.

Аппаратная часть систем располагается в герметичном прочном корпусе объемом, необходимым для размещения внутри компонентов блока электроэнергетических элементов. Прочный корпус имеет гермовводы для соединения питающих и управляющих кабелей.

Материалы, использованные в конструкции устройства устойчивы к длительному воздействию агрессивных сред, таких как морская вода с высоким содержанием сероводорода.

Функционирование устройства обеспечивается установкой следующих связей:

- электрическая и силовая связь с надводным судном посредством кабель-троса для проведения спускоподъемных операций, передачи электроэнергии, информации и сигналов управления (по оптоволоконному каналу);

-транспортировочная гидравлическая связь с надводным судном в виде специализированного гибкого трубопровода для откачки нефти из «купола» и передачи теплоносителя;

- гидроакустическая связь с судном или ТИПА для навигационного обеспечения работы «купола» посредством гидроакустических маяков-ответчиков и гидролокатора;

-силовые связи с якорями, расположенными на дне, для фиксации «купола» в заданном положении и его корректировки при необходимости.

Комплект «купола» имеет в своем составе следующее технологическое оборудование:

- якоря с маяками-ответчиками;

- спускоподъемное устройство (СПУ) с кабель-тросом;

- гибкий специализированный трубопровод с насосом для транспортировки нефти;

- контейнер с судовой аппаратурой управления;

- контейнер энергоснабжения;

- контейнер с судовым такелажем;

- контейнер с запасными инструментами и принадлежностями (ЗИП);

- комплекс телеуправляемого необитаемого подводного аппарата (ТИПА).

Комплект технологического оборудования вместе с «куполом» является мобильным, хранится на береговой базе и транспортируется в зону аварии на судне-носителе.

Принцип работы устройства основан на перекрывании нефтяного потока из места утечки посредством адаптивного позиционирования (возможность изменять положение при изменении параметров откачиваемой среды) с последующей транспортировкой нефтяной смеси на поверхность (судно) по трубопроводу при помощи специализированного погружного насоса.

Основным преимуществом «купола» является возможность его установки с поверхности воды над любым источником утечки нефти (устьевое оборудование подводных скважин, аварийный райзер, элементы подводного добычного комплекса, подводный трубопровод, донные трещины с образованием грифонов и т.д.) на глубинах до 2200 м. При этом существенным является тот факт, что суда, участвующие в операции по ликвидации аварии, могут работать на безопасном расстоянии от источника разлива (не заходя в зону образования нефтяного пятна).

Основная сложность состоит в методе обеспечения работоспособности и достаточной эффективности откачки. В условиях сравнительно низких температур и высокого давления на больших глубинах моря в «подкупольном» пространстве и транспортировочном трубопроводе, при контакте легких углеводородов или молекул газа с водой, неизбежно образование газовых гидратов в виде кристаллических отложений, что в свою очередь ведет к сужению и полной закупорке проходного сечения трубопровода.

В мировой практике с этим явлением столкнулись во время попыток установить идентичное по назначению устройство при ликвидации разлива нефти в Мексиканском заливе в 2010 г. В указанном случае попытки оказались неудачными. Массивный стальной «купол» оказался неработоспособен в результате непродуманного метода борьбы с газовыми гидратами.

Кроме того, при низких температурах возрастает вязкость нефти и появляется вероятность образования парафиновых отложений, что также приводит к закупорке проходного сечения.

На практике, при транспортировке нефти, для предотвращения образования отложений и повышения текучести нефтяной смеси хорошо зарекомендовал себя метод подогрева смеси.

В предлагаемом устройстве подогрев осуществляется за счет передачи тепла через теплообменник «подкупольного» пространства посредством подачи горячей воды по внешнему контуру транспортировочного трубопровода. Гибкий транспортировочный трубопровод «купола» представляет собой теплоизолированную систему типа «труба в трубе».

По внешнему незамкнутому контуру между теплоизолированными трубами транспортировочного трубопровода осуществляется подача горячей воды от котлоагрегатов судна-носителя вниз к теплообменнику «подкупольного» пространства. Размеры теплообменника «купола» и пропускные диаметры внешнего и внутреннего контуров трубопровода подобраны так, что поверхность теплообменника может обеспечить подогрев, а внутренний трубопровод последующую транспортировку нефтяной смеси в объеме до 475 м³/час.

Альтернативным методом борьбы с газовыми гидратами является метод электрического подогрева. Однако, его применение на больших глубинах технически трудно осуществимо по следующим причинам:

- возрастает гидродинамическое сопротивление перемещению электрической связи за счет увеличения ее диаметра в результате применения массивного нагревательного кабеля с токопроводящими жилами большого сечения для передачи большой мощности и, соответственно, за счет установки дополнительных блоков плавучести для разгрузки;

- отсутствует достаточная гибкость нагревательного кабеля (увеличение жесткости связи), что является существенным фактором при выполнении судном-носителем операции на безопасном расстоянии от источника утечки;

- присутствует необходимость установки дополнительных электрических преобразователей в подводном исполнении со значительными массогабаритными характеристиками.

На фиг. показана принципиальная схема комплекта «купола». После обследования текущей подводной обстановки в зоне аварии при помощи ТНПА 1 и определения оптимальной схемы позиционирования, на дне в определенном диапазоне по радиусу от точки утечки 2 устанавливаются три якоря 3 с маяками-ответчиками. Затем с судна-носителя 4 при помощи СПУ 5 на кабель-тросе 6 спускается «купол» 7.

Конструктивно устройство «купол» обладает положительной плавучестью. В исходном положении, для проведения операции по спуску, отрицательная плавучесть устройства обеспечивается посредством закрепления при помощи быстроразъемного устройства 8 якоря-балласта 9. После постановки устройства на дно, автоматически или средствами ТИПА (при необходимости) осуществляется отдача якоря-балласта.

«Купол» всплывает на заданную высоту и остается связанным с якорем посредством синтетического троса 10, регулировка длины которого осуществляется одной из установленных на «куполе» лебедок 11. Сам «купол» и каждый якорь снабжен маяком-ответчиком 12 для обеспечения точной обсервации при позиционировании и корректировке положения в процессе спуска и установки в рабочее положение.

Маяк-ответчик на якоре установлен в буй 13, обладающий положительной плавучестью, и в подводном положении поднимается над якорем на синтетическом тросе длиной около 20 м, что обеспечивает его видимость при заглублении якоря в ил. ТИПА, используя манипуляторный комплекс, осуществляет зацепление свободного конца троса каждой из лебедок «купола» за скобу троса якоря.

Удерживающая сила каждого якоря и синтетический трос лебедки рассчитаны на удержание подводного положения «купола» в условиях силового воздействия фонтана вытекающей жидкости и увеличения положительной плавучести за счет наполнения «подкупольного» пространства газовыми гидратами.

После раскрепления «купола» якорными связями, оператор, находящийся на судне-носителе, при помощи дистанционной системы управления лебедками производит наведение «купола» в зону, подходящую для подсоединения транспортировочного трубопровода.

Далее производится спуск транспортировочного трубопровода 14 с разгрузкой в виде блоков плавучести и дальнейшее его подключение к устройству средствами ТИПА. После выполняется операция по наведению «купола» в рабочую зону над источником утечки. Благодаря якорным связям, при горизонтальном наведении в рабочую зону устройство остается устойчивым даже при большом давлении нефтяного потока и нестабильном течении.

На «куполе» установлена система контроля среды 15, по информационному сигналу которой в совокупности с данными от телекамер ТНПА оператор производит наведение или корректировку позиции устройства методом последовательного приближения для осуществления локализации максимального объема нефти. Когда оптимальная рабочая зона определена, и дальнейшая корректировка не требуется, производится запуск системы транспортировки и подогрева смеси.

«Купол» может использоваться в рабочем положении в течение длительного периода времени (до 3 месяцев), пока не будут приняты меры по устранению течи. Устройство является многоразовым.

Изобретение относится к области охраны окружающей среды в части поддержания в надлежащем состоянии водоемов и предназначено для ликвидации аварийного разлива нефти методом локализации подводного разлива и перенаправления потока нефти на поверхность с возможностью последующей транспортировки или утилизации. Устройство «купол» представляет собой металлическую конструкцию с открытым снизу резервуаром цилиндрической формы, плавно переходящим в куполообразную верхнюю часть. Конструкция содержит силовую раму из труб круглого сечения, замкнутую на плоское основание. Фланец быстроразъемного соединения приварен на основании в нижней части конструкции. Купол имеет внутри открытый в нижней части корпуса резервуар. На конструкции закреплены металлическая полость теплообменника, располагающаяся внутри корпуса для циркуляции теплоносителя, устройство для закрепления силовой заделки кабель-троса, блоки плавучести для обеспечения положительной плавучести, электрические лебедки глубоководного исполнения для выполнения перемещений «купола» во время операций позиционирования и наведения на точку, датчики системы контроля среды, прочный корпус с размещенными внутри компонентами системы управления и блоком электроэнергетических элементов. Достигается технический результат – повышение эффективности откачки нефти за счет подогрева нефтяной смеси. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство типа «купол» для ликвидации подводных разливов нефти в комплекте с технологическим оборудованием, состоящее из устройства в виде металлической конструкции с открытым снизу корпусом резервуара сложной формы, и элементов комплекта, обеспечивающих функционирование, отличающееся тем, что устройство выполнено в виде металлической рамной конструкции из труб круглого сечения, замкнутой на плоское основание и имеющей внутри открытый в нижней части корпуса резервуар, при этом на конструкции закреплены металлическая полость теплообменника, располагающаяся внутри корпуса для циркуляции теплоносителя, фланец быстроразъемного соединения, приваренный на основании в нижней части, устройство для закрепления силовой заделки кабель-троса, блоки плавучести для обеспечения положительной плавучести, электрические лебедки глубоководного исполнения для выполнения перемещений «купола» во время операций позиционирования и наведения на точку, датчики системы контроля среды, прочный корпус с размещенными внутри компонентами системы управления и блоком электроэнергетических элементов.

2. Устройство типа «купол» для ликвидации подводных разливов нефти по п. 1, отличающееся тем, что устройство эксплуатируют в совокупности с комплектом технологического оборудования, в состав которого входят якоря с маяками-ответчиками, спускоподъемное устройство с кабель-тросом, гибкий специализированный трубопровод с насосом для транспортировки нефти, контейнер системы управления и энергоснабжения; контейнер с судовым такелажем, контейнер с запасными инструментами и принадлежностями, комплекс телеуправляемого необитаемого подводного аппарата.

3. Устройство типа «купол» для ликвидации подводных разливов нефти по п. 1, отличающееся тем, что входящий в состав устройства комплект технологического оборудования является мобильным и многоразовым, а хранение его осуществляется на береговой базе.

4. Устройство типа «купол» для ликвидации подводных разливов нефти по п. 1, отличающееся тем, что разворачивание системы может осуществляться с поверхности воды вне зоны нефтяного пятна на глубину до 2200 м над любым источником утечки.

5. Устройство типа «купол» для ликвидации подводных разливов нефти по п. 1, отличающееся тем, что в устройстве предусмотрена система для борьбы с образованием газовых гидратов и вязких отложений, представляющая собой систему подогрева нефтяной смеси посредством подачи горячей воды через теплообменник «подкупольного» пространства с последующим поддержанием температуры смеси вдоль трубопровода, обеспечивается транспортировка и подогрев нефтяной смеси.

6. Устройство типа «купол» для ликвидации подводных разливов нефти по п. 1, отличающееся тем, что в устройстве предусмотрена система позиционирования и корректировки положения при помощи дистанционно-управляемых электрических лебедок путем изменения длины тросов якорных связей с якорями, установленными на дне.

7. Устройство типа «купол» для ликвидации подводных разливов нефти по п. 1, отличающееся тем, что устройство оснащено адаптивной системой управления с обратной связью, чувствительной к изменениям параметров потока и направлению течения.