Фундаментный модуль морской стационарной ледостойкой платформы, выполненный из унифицированных блоков Российский патент 2024 года по МПК E02B17/00 

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности и предназначено для использования в области строительства морских ледостойких стационарных платформ для добычи нефти и газа.

Известна стационарная буровая установка, включающая фундаментный модуль и унифицированный мобильный ледостойкий буровой модуль (УМБМ) (патент RU 2781491 С1, опубликовано 12.10.2022, бюл. №29). Поверхностью, определяющей размеры (в плане) фундаментного модуля (ФМ), является его верхняя опорная поверхность (ВОП), предназначенная для установки УМБМ. В указанном сооружении ВОП располагается на глубине в несколько десятков метров от поверхности моря (например, на глубине порядка 40-60 метров - конкретное значение выбирается на этапе конструирования ФМ.

ФМ представляет собой ступенчатую усеченную пирамиду цельной ферменной конструкции, симметричную относительно центральной вертикальной оси. Пирамидальная форма позволяет обеспечить устойчивость ФМ при воздействии нагрузок. Цельная ферменная конструкция ФМ сложна в изготовлении, монтаже, транспортировке.

В заявляемом техническом решении в стационарной буровой установке ФМ предлагается построить полностью из унифицированных ячеек-блоков (далее блоки), то есть из блоков, одинаковых по наружным размерам и имеющих при этом относительно небольшие габариты. Другими словами, ФМ целиком «складывается» из множества одинаковых «кубиков».

Применение унифицированных блоков позволит существенно упростить технологию изготовления ФМ, ускорить строительство ФМ и, как следствие, значительно снизить затраты на освоение нефтегазового месторождения. Кроме того, облегчается транспортировка унифицированных компонентов ФМ к месту установки. Поскольку размеры и наружная конструкция блоков одинаковы, то также будут одинаковы конструкции элементов для ориентации блоков относительно друг друга при сборке ФМ и устройств для скрепления блоков. Блоки могут быть скреплены между собой как специальными соединительными устройствами, позволяющими впоследствии разобрать ФМ на части (здесь не рассматриваются), так и посредством сварки.

ФМ будет состоять из нескольких слоев унифицированных блоков. Количество слоев определяется глубиной моря в месте установки ФМ. Путем набора нужного количества слоев можно изготовить ФМ для разных глубин моря. Ниже приведена методика определения размеров унифицированных блоков.

Прежде всего, зададимся условной «точкой отсчета», исходя из которой будут определяться размеры унифицированных блоков и в целом ФМ. Такой «точкой отсчета» являются размеры ВОП. Размеры ВОП определяются габаритами опорной поверхности УМБМ, и согласно техническим характеристикам УМБМ (патент RU 2781491 С1) размер стороны ВОП должен быть не менее 92 метров. Поскольку каждый слой состоит из целого числа блоков, то количество унифицированных блоков в ВОП будет целым числом, то есть длина стороны ВОП должна быть кратной размеру блока.

Введем понятие «угла устойчивости» сооружения - «α». Это угол между условной плоскостью (гранью), проходящей через наружные (крайние) точки боковой стороны пирамиды ФМ, и вертикальной осью симметрии ФМ. Этот угол определяется с учетом внешних нагрузок, действующих на ФМ, и является минимальным углом наклона указанной условной плоскости (грани) пирамиды ФМ, при котором обеспечивается устойчивость конструкции ФМ от воздействия этих нагрузок. Методика расчета «угла устойчивости» здесь не рассматривается - он определяется на этапе проектирования.

Заявляемый фундаментный модуль морской стационарной ледостойкой платформы состоит из совокупности унифицированных блоков в форме усеченной пирамиды (далее пирамида), стороны которой симметричны относительно вертикальной оси (фиг. 1 и 2). Унифицированные блоки имеют в поперечном сечении форму квадрата и соединяются друг с другом либо специальными соединительными устройствами, либо посредством сварки. Внутренняя часть пирамиды пустотелая и предназначена для размещения и перемещения подводного оборудования буровой установки (БУ). Границы внутренней части пирамиды показаны на фиг. 1 и 2.

Условные обозначения на фигурах:

1 - угол устойчивости α;

2 - ось симметрии ФМ;

3 - боковая сторона пирамиды ФМ;

4 - граница внутренней части ФМ;

5 - длина стороны «вышележащего» слоя блоков L_n+1;

6 - длина стороны «нижележащего» слоя блоков L_n;

7 - общая высота ФМ Н;

8 - ширина (и длина) блока b;

9 - высота блока h;

10 - величина сдвига вышележащего блока относительно нижележащего.

Отсчет слоев принят в направлении снизу-вверх, то есть первым слоем считается слой ФМ, контактирующий с дном моря.

Для формирования и сохранения «угла устойчивости» длина стороны каждого нижележащего слоя пирамиды ФМ должна быть больше стороны вышележащего слоя на определенную и постоянную величину. Назовем эту величину «приращением длины слоя» или просто «приращением» ΔL=L_n-L_n+1.

Величина приращения длины одного слоя при одинаковой высоте слоев вычисляется по формуле (1).

где:

ΔL - общее приращение длины стороны нижележащего слоя по сравнению с длиной стороны вышележащего слоя;

Н - общая высота ФМ;

α - угол устойчивости ФМ;

n - количество слоев, составляющих пирамиду ФМ.

Величина приращения длины слоя является одним из параметров, которые используются при определении размеров блока.

Поскольку блоки унифицированы, то высота всех слоев будет одинакова.

Рассмотрим два основных варианта «складывания» общей конструкции ФМ из отдельных блоков - «кубиков».

В одном варианте (назовем его вариант 1 - фиг. 1) каждый блок вышележащего слоя опирается одновременно на два блока нижележащего слоя, со сдвигом, равным (или примерно равным) половине длины стороны нижележащего блока (подобно тому, как складывают стены домов из отдельных кирпичей).

В другом варианте (назовем его вариант 2 - фиг. 2) каждый блок стороны вышележащего слоя опирается всей площадью на такой же блок нижележащего слоя.

В обоих вариантах высота блока h будет равна:

Принципиальное различие этих вариантов состоит в том, что в варианте 1 длина нижележащего слоя будет больше длины вышележащего слоя на ширину одного блока, а во втором - на ширину двух блоков. Из этого следует, что при варианте 1 ширина блока b будет равной величине приращения длины слоя, а в варианте 2 ширина блока b будет равна половине величины приращения длины слоя. По этой причине при одном и том же угле устойчивости ширина блока при варианте 1 будет вдвое больше ширины блока по варианту 2.

При реализации варианта 1 могут возникать чисто конструкторские сложности при формировании угловых мест слоя и скреплении блоков между собой.

Для конструкции по варианту 1 ширина блока равна величине приращения:

где:

b - ширина блока (по фронту).

Для конструкции по варианту 2 ширина блока равна половине величины приращения:

или:

Вариант 2 существенно более прост в реализации, как в плане ориентации при установке блоков, так и при скреплении блоков между собой, поэтому представляется более предпочтительным.

В результате расчетов на устойчивость к нагрузкам на морские сооружения, произведенными в процессе разработки проектной документации на обустройство ряда морских месторождений в условиях Карского моря, было определено, что угол устойчивости α должен быть не менее 23-24 градусов.

Поскольку угол устойчивости α - это минимальный угол наклона грани пирамиды, то он может быть увеличен на несколько градусов, и за счет этого, при необходимости, ширину блоков можно варьировать в некоторых пределах.

Высота блоков и его ширина (в плане) связаны между собой простыми тригонометрическими зависимостями, в которых ключевую роль играет тангенс угла устойчивости α (tgα).

Для расчетов размера блока следует задать исходные величины. Этими величинами могут быть общая высота ФМ, или количество слоев в пирамиде, а также ширина блока или высота блока. В зависимости от обстоятельств и условий можно выбирать разные исходные величины, а также изменять их в процессе расчетов, чтобы получить наиболее приемлемые размеры блоков.

Количество слоев, и количество блоков в каждом слое являются, естественно, целыми числами, но геометрические размеры самих блоков могут быть любыми. Длина стороны ВОП должна быть кратной размеру блока и при этом, как было указано выше, должна иметь размеры не менее 92 метров.

В качестве примера рассмотрим строительство ФМ по варианту 2 полностью из унифицированных блоков с углом устойчивости, равным 24°.

Зададимся количеством n слоев пирамиды, например, пусть в пирамиде будет 8 слоев. Общую высоту фундаментного модуля Н примем, например, равной 90 метрам. Понятно, что при таких параметрах высота одного слоя не будет целым числом (90/8=11,25 м), но для изготовления это не имеет значения. Определяем размеры блока.

В соответствии с формулой 5 ширина (и длина) блока равна:

b=(H*tgα)/n=(90*0,4452)/8=5 м.

Блок с размерами 5*5*11,25 м вытянут в высоту (заметим, что по варианту 1 ширина блока составит 10 метров).

Допустим, что в силу каких-то обстоятельств такие соотношения не устраивают. Изменим исходные условия. Установим длину и ширину блока равной, например, 12*12 м. Количество слоев N установим равным 6. Тогда высота блока равна 15 м, и его форма близка к кубической.

Как указывалось выше, ВОП должна иметь размеры не менее 92 м, а размер блока должен быть кратным размеру ВОП. Размер 92 не является кратным размеру блока в 12 метров. Ближайший больший размер кратный 12 метрам - это 96 метров. Тогда на ВОП разместится 8 блоков.

Таким методом можно подобрать приемлемые размеры блоков для других глубин установки ФМ. Заметим, что для простоты примера мы задались целыми величинами размеров блока, но можно задавать и не целые размеры. Кроме того, при необходимости можно задаваться углом устойчивости равным не 24°, а изменить его на несколько градусов (или долей градуса) в большую сторону.

Можно рассматривать и другие размеры унифицированных блоков, но соблюдая условие, что длина стороны ВОП (как определяющая все остальные размеры ФМ) должна быть не менее 92 метров и кратна размеру унифицированного блока.

Унифицированный блок может либо представлять собой единую конструкцию, либо может быть составлен из нескольких более мелких блоков, -выбор конструкции, в частности, зависит от вида транспорта, на котором планируется перевозить либо блок целиком, либо его части.

При одинаковых наружных размерах блоков внутренняя конструкция самих блоков, составляющих верхние и нижние слои пирамиды может быть разной, поскольку блоки нижних слоев испытывают большую нагрузку, чем верхние, и могут включать элементы, увеличивающие жесткость и прочность, а также изготавливаться из материалов с более высокими механическими характеристиками. Однако, сказанное не является обязательным условием, так как с целью унификации производства блоки верхних слоев могут быть выполнены идентичными нижним блокам, несмотря на то, что их запас прочности будет избыточным.

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности и предназначено для использования при строительстве морских ледостойких стационарных платформ для добычи нефти и газа. Фундаментный модуль морской стационарной ледостойкой платформы состоит из совокупности унифицированных блоков, соединяемых друг с другом в форме усеченной пирамиды как соединительными устройствами, так и посредством сварки, при этом размер унифицированного блока определяется в зависимости от угла устойчивости α, длина стороны каждого нижележащего слоя пирамиды фундаментного модуля (ФМ) больше стороны вышележащего слоя на определенную и постоянную величину приращения длины слоя ΔL, которая при одинаковой высоте слоев вычисляется по формуле ΔL=(2*H*tgα)/n. Ширина унифицированного блока зависит от установки унифицированных блоков в слоях фундаментного модуля и равна величине приращения длины слоя ΔL или половине величины приращения длины слоя ΔL/2. Применение унифицированных блоков позволит существенно упростить технологию изготовления ФМ, ускорить строительство ФМ и, как следствие, значительно снизить затраты на освоение нефтегазового месторождения. Кроме того, облегчается транспортировка унифицированных компонентов ФМ к месту установки. Поскольку размеры и наружная конструкция блоков одинаковы, то также будут одинаковы конструкции элементов для ориентации блоков относительно друг друга при сборке ФМ и устройств для скрепления блоков. Блоки могут быть скреплены между собой как соединительными устройствами, позволяющими впоследствии разобрать ФМ на части, так и посредством сварки. 2 ил.

Фундаментный модуль морской стационарной ледостойкой платформы, состоящий из совокупности унифицированных блоков, имеющих в поперечном сечении форму квадрата и соединяемых друг с другом в форме усеченной пирамиды как соединительными устройствами, так и посредством сварки, при этом длина стороны каждого нижележащего слоя пирамиды фундаментного модуля (ФМ) больше стороны вышележащего слоя на постоянную величину приращения длины слоя ΔL, которая при одинаковой высоте слоев вычисляется по формуле:

ΔL=(2*H*tgα)/n,

где:

ΔL - общее приращение длины стороны нижележащего слоя по сравнению с длиной стороны вышележащего слоя;

Н - общая высота ФМ;

α - угол устойчивости ФМ;

n - количество слоев, составляющих пирамиду ФМ, а размер унифицированного блока определяется в зависимости от угла устойчивости α, при этом ширина унифицированного блока зависит от установки унифицированных блоков в слоях фундаментного модуля и равна величине приращения длины слоя ΔL или половине величины приращения длины слоя ΔL/2.