Разработка и исследование применимости новой конструкции ледостойких платформ на мелководном арктическом шельфе

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальность: 25.00.18 - «Технология освоения морских месторождений полезных ископаемых»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИМЕНИМОСТИ НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ ЛЕДОСТОЙКИХ ПЛАТФОРМ НА МЕЛКОВОДНОМ АРКТИЧЕСКОМ ШЕЛЬФЕ

Мусабиров Антон Альфредович

Москва - 2013



Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Российский государственный университет нефти и газа имени И. М. Губкина» (ФГБОУ ВПО «РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина»)

Научный руководитель - Гусейнов Чингиз Саибович, доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты - Финагенов Олег Михайлович, доктор технических наук, профессор, зам. директора центра «Морские месторождения нефти и газа» ООО «Газпром ВНИИГАЗ»

Тазов Денис Николаевич, кандидат технических наук, ст. менеджер Управления морских нефтегазовых проектов ОАО «Лукойл»

Ведущая организация - ДАО ЦКБН ОАО «Газпром»

Защита диссертации состоится « » 2013 г. в часов минут на заседании диссертационного совета Д 511.001.01, созданного на базе ООО «Газпром ВНИИГАЗ» по адресу: 142717, Московская область, Ленинский район, пос. Развилка, ООО «Газпром ВНИИГАЗ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ООО «Газпром ВНИИГАЗ».

Автореферат разослан: 2013 года

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор геолого-минералогических наук Соловьёв Н.Н.



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Основные ресурсы углеводородов континентального шельфа России, содержащие более 80 млрд т условного топлива, располагаются в акваториях морей Северного Ледовитого океана и эстуариях впадающих в них рек.

Согласно Программе работ ОАО «Газпром» на шельфе до 2030 года, первоочередными объектами освоения являются газовые месторождения Приямальского шельфа (Харасавейское, Крузенштернское), а также месторождения Обской и Тазовской губ (Северо-Каменномысское, Каменномысское-море и др.).

Освоение месторождений этого региона, несмотря на относительно небольшие глубины воды и расстояния от берега, представляется весьма сложным из-за тяжелых гидрометеорологических условий (в особенности, ледовых) и слабой несущей способности донных грунтов.

В этой связи, тема диссертации, направленная на создание новых конкурентоспособных конструкторско-технологических решений для освоения месторождений мелководных акваторий арктического шельфа, замерзающих на длительный период, является важной и актуальной.

Целью диссертационной работы является разработка новой конструкции морской нефтегазовой платформы и исследование условий её применимости в перспективных районах мелководной части акваторий Карского моря, Обской и Тазовской губ для эффективного освоения месторождений арктического шельфа.

Основные задачи работы включают:

- анализ существующих технических средств освоения морских месторождений углеводородов, применяемых в мелководных акваториях арктических морей;

- разработку проекта новой конструкции ледостойкой стационарной морской платформы для мелководных акваторий замерзающего шельфа, обоснования его основных массогабаритных характеристик и возможностей изготовления с применением новых технологий;

- исследования надежности и устойчивости предлагаемой конструкции платформы в природно-географических условиях эксплуатации акваторий Обской и Тазовской губ;

- разработка предложений по дальнейшей реализации проекта.

Научная новизна работы

Разработан концептуальный проект новой конструкции ледостойкой стационарной платформы для использования на мелководном шельфе при освоении нефтегазовых месторождений арктических морей, состоящей из донной балластируемой плиты с широко развитой поверхностью, цилиндрического моноопорного блока и последовательно сменяемых верхних строений. Конструкция позволяет осуществлять круглогодичную разработку мелководных месторождений в условиях короткого навигационного периода (1,5-2,0 месяца).

Результатами проведенных исследований обоснована возможность использования и эксплуатации предлагаемой конструкции сооружения на замерзающем мелководном арктическом шельфе (в Обской и Тазовской губах). морской акватория ледостойкий платформа

Предложены новые конструктивные решения и технологии для использования в будущих проектах морских нефтегазовых сооружений со схожими условиями эксплуатации, включающие конструкцию поворотного сменного верхнего строения, автоматическую систему удифферентовки и съёмную стальную защитную юбку.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

- концептуальный проект нового технического и технологического решений - конструкция морской самоподъёмной ледостойкой стационарной платформы для замерзающего мелководья и способ её эксплуатации путём последовательного монтажа на опорный блок платформы трёх сменных палуб различного назначения (строительно-монтажного, бурового и эксплуатационного), каждая из которых выполняет определённую функцию;

- обоснование применимости и работоспособности предлагаемых решений, а также рекомендаций по эффективной реализации проектов в заданных условиях эксплуатации;

- обоснование преимуществ новых решений, достигаемых (по сравнению с существующими конструктивными решениями) при реализации предложения: ускоренный ввод в эксплуатацию и эффективная круглогодичная разработка месторождений за счёт оригинальной конструкции опорной части и смены палуб, освоение множества месторождений с использованием однажды произведённых конструкций и оборудования, малый вес изготавливаемых конструкций.

Методы работы

При решении поставленных в диссертации задач использовались аналитические и численные методы расчетов, а также российские и зарубежные нормативные документы.

Практическая ценность работы

Результаты диссертационной работы обосновывают технически реализуемый вариант обустройства месторождений, расположенных в мелководных акваториях арктического шельфа с помощью платформ новой конструкции, предложенных автором;

Применение способа последовательного монтажа сменных палуб представляется экономически эффективным при обустройстве месторождений с помощью стационарных платформ самоподъёмного типа на замерзающих и незамерзающих акваториях морей РФ.

Апробация работы

На новое техническое решение подана Заявка на изобретение №2011149365 от 05.12.2011 “Самоподъёмная платформа для замерзающего мелководья” и получено положительное решение Федеральной службы по интеллектуальной собственности РФ.

Основное содержание диссертации было представлено на следующих конференциях:

- IX Всероссийская научно-техническая конференция “Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России”, 2012;

- VI Международная научно-практическая конференция “Современное состояние естественных и технических наук”, 2012;

- 66-я Международная молодёжная научная конференция “Нефть и газ - 2012”;

- Международная научно-техническая конференция “ГЕОПЕТРОЛЬ - 2012” на тему: “Современные технологии освоения месторождений углеводородов на суше и море”, (Польша);

- 67-я Международная молодёжная научная конференция “Нефть и газ - 2013”.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых научных журналах и изданиях, определённых ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и библиографического списка. Работа изложена на 119 страницах, содержит 41 рисунок и 3 таблицы. Список литературы включает 49 наименований.

Благодарности

Автор выражает благодарность научному руководителю, доктору технических наук, профессору Ч.С. Гусейнову за ценные советы при подготовке диссертации. Автор выражает благодарность д.т.н., проф. М.Н. Мансурову, к.т.н. О.А. Корниенко, Б.И. Ершову и С.В. Соломатину за ценные советы и консультации.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко освещён опыт мировой и российской морской нефтегазодобычи, а также её перспективы, на основе чего сформулирована актуальность темы диссертационной работы и цель данной работы.

В первой главе описаны природно-климатические, гидрометеорологические и инженерно-геологические условия акватории Обской губы в предполагаемых районах эксплуатации месторождений Каменномысское-море и Северо-Каменномысское, а также представлены результаты анализа существующих проектов морских нефтегазовых сооружений (МНГС) и обоснования новой концепции стационарных ледостойких платформ применительно к принятому району их эксплуатации.

Газовые залежи месторождений характеризуются малыми глубинами залегания продуктивных залежей, а также низкими пластовыми давлениями, которые не обеспечивают длительные сроки бескомпрессорной добычи продукции.

Природные условия Обской и Тазовской губ характеризуются:

- низкими температурами воздуха и их большой внутригодовой и сезонной изменчивостью;

- туманами и осадками, значительным числом дней со штормовыми условиями;

- благоприятными условиями для атмосферного и брызгового обледенения инженерных сооружений, что существенно осложняет эксплуатацию сооружений.

Основными особенностями гидрологических условий являются:

- приливные изменения уровня моря и скоростей течений, сопровождающиеся штормовыми нагонами и сильным волнением;

- паводковые явления под значительным влиянием речного стока;

- длительное наличие ледового покрова и его временнамя изменчивость;

- существование припая с грядами торосов (стамух) и приливными трещинами, а также крупных ледовых образований: торосов и ледяных полей;

- навалы льда на берега, особенно на осушки и пляжи, наиболее вероятные в весенний период, когда у берега нет устойчивого припая; лед может выбрасываться на расстояние от десятков до сотен метров от уреза воды;

- экзарация дна ледовыми образованиями; пропахивание дна килями дрейфующих торосов характерна для всех мелководных (менее 20 м) акваторий.

Инженерно-геологические условия морского дна на акваториях месторождений характеризуются как сложные. Мощность слабых глинистых грунтов, залегающих первыми от поверхности, изменяется от 9,0 м до 18,0 м.

Был исследован опыт использования различных типов (насыпных, гравийных, песчаных и др.) островов, применимость которых на шельфе Карского моря представляется нецелесообразной, как по экологическим, так и техническим причинам.

В мировой практике широко применяются кессонные основания островного типа. Кессоны могут изготовляться из бетонных блоков, стальных конструкций с жесткой палубой или без нее. Жесткость и устойчивость тонкостенного кессона обеспечивается песчаным или грунтовым якорем. Для глубоководных месторождений разработан проект основания, состоящего из отдельных стальных кессонов. Также существуют примеры использования многоопорных железобетонных гравитационных оснований, таких как, например, установленные на шельфе о. Сахалин платформы “Лунская-А” (рис. 1 а) и “Пильтун-Астохская-Б”, или предложенной ЦКБ “Коралл” ледостойкой стационарной платформы (ЛСП) для месторождения Аркутун-Даги (рис. 1 б).



а б

Рис. 1. Ледостойкие платформы на многоопорном основании

Описанные выше варианты гравитационных платформ выдерживают огромные ледовые нагрузки, даже располагаясь при этом на значительной глубине. Но их применение на мелководных акваториях затруднительно из-за большой осадки опорного основания платформы при его доставке на точку установки.

Был рассмотрен “Концептуальный проект мобильной ледостойкой буровой установки (МЛБУ) для геологоразведочных работ и обустройства месторождений на мелководном шельфе арктических морей” разработки ФГУП “Крыловский государственный научный центр” (рис. 2).

Рис. 2. Схематичное изображение мобильной ледостойкой буровой установки

МЛБУ обеспечивает круглогодичное бурение эксплуатационных скважин с установкой подводного добычного комплекса на 8 эксплуатационных скважин в кессонном исполнении. Существенным недостатком данного средства разработки является ограниченное число размещаемых скважин.

С.И. Шибакиным, Р.С. Шибакиным, В.Д. Булавиным предложена ледостойкая конструкция со сменными модулями (рис. 3).

Рис. 3. Функциональные мобильные платформы

В предложенном решении вызывает критические замечания применимость данных платформ на мелководных акваториях, материалоёмкость МНГС, а также необходимость консервации скважин с подводным заканчиванием.

ФГУП “Крыловский государственный научный центр” разработал проект ледостойкого блок-кондуктора, схематично изображённый на рис. 4.

Данное МНГС предназначено для разработки месторождений углеводородов на замерзающих мелководных акваториях с глубинами до 4 м. Блок-кондуктор позволяет разбуривать скважины через буровые шахты с помощью СПБУ и обеспечивает последующую круглогодичную добычу углеводородов; отгружает пластовую продукцию через подводный трубопровод на обрабатывающую платформу или береговой комплекс.

Вызывает сомнение ледостойкость используемой СПБУ, которая должна проектироваться для определённых условий эксплуатации.

Рис. 4. Ледостойкий блок-кондуктор

Рассматривая применимость подводных технологий добычи для разработки месторождений на мелководье, представляют интерес патенты фирмы FMC Kongsberg Subsea AS по защите подводного добычного комплекса (ПДК) с использованием кессона, который опускается на определённую глубину в грунт и закрывается сверху защитной крышкой (рис. 5).

Рис. 5. ПДК с использованием заглубленного в грунт кессона

Несмотря на привлекательность круглогодичной подводной и подлёдной эксплуатации месторождений с использованием ПДК, данный способ добычи связан с рядом существенных трудностей. Основными факторами, существенно осложняющими использование подводных комплексов в условиях Обско-Тазовского региона, являются:

- отсутствие технических средств для бурения эксплуатационных скважин в период наличия ледяного покрова;

- опасность ледовой экзарации дна;

- серьезные трудности с доступом к подводным скважинам в ледовый период (проведение ремонтно-профилактических работ возможно только в короткий безлёдный период);

- в случае заглубления крышки кессона ниже уровня дна существенно осложняется доступ к подводным скважинам вследствие необходимости выполнения предварительных работ по удалению материала засыпки;

- необходимость проектирования кессона как ледостойкой конструкции в случае, когда его крышка в проектном положении находится на уровне дна или выше;

- необходимость обеспечения безопасной работы водолазов внутри кессона;

- необходимость оптимального резервирования подводного оборудования, устанавливаемого в кессон;

- необходимость решения вопроса о применении подводных многофазных насосов на этапе падающей добычи (уже имеются примеры успешной установки и эксплуатации подводных многофазных насосов).

Фактором, осложняющим реализацию концепции полностью подводного обустройства, является также необходимость установки компрессорных мощностей и сепарации газа либо в надводном, либо в подводном исполнении.

Обобщая анализ вариантов существующих конструкций для обустройства месторождений замерзающих акваторий, необходимо отметить, что все рассмотренные конструкции разработаны для конкретных условий эксплуатации и не существует универсальных решений для разных морей мира. В каждом случае проектные решения разрабатывались с учетом новейших технологий своего времени. Поэтому для мелководных акваторий Обской и Тазовской губ и Приямальского шельфа необходимы новые уникальные решения.

Для ускорения ввода месторождения в эксплуатацию в арктических условиях, повышения надёжности эксплуатации и технологической безопасности при проведении строительно-монтажных и буровых работ, при эксплуатации и обслуживании скважин и технологического оборудования, для упрощения монтажных работ при возведении сооружения на слабых грунтах мелководья, ускорения производства в целом и соответственно существенного уменьшения финансовых и трудовых затрат, концепция технического решения для замерзающего мелководья должна заключаться в последовательной смене функциональных палуб ледостойкой стационарной платформы.

Предлагаемое новое техническое решение конструкции МНГС состоит из трех основных частей:

- донной опорной стальной балластируемой плиты с широко развитой поверхностью, обеспечивающей хорошую плавучесть сооружения и надёжное закрепление на дне акватории;

- цилиндрического моноопорного блока, размещающего в себе стволы скважин и отсеки для хранения бурового инструмента и запасов;

- верхнего строения в виде трёх плавучих сменных палуб с U-образными вырезами по центру (для стыковки/расстыковки с опорным блоком), каждая из которых имеет определённое функциональное назначение.

Преимущества данного предложения заключаются в следующем.

1. Реализация технического решения повышает эффективность обустройства месторождения за счёт унификации платформ, выполняющих различные технологические операции.

2. В предлагаемом нами техническом решении не используется СПБУ, вследствие чего исключается необходимость обеспечения ее ледостойкости. Все технологические процессы ведутся с единственного опорного основания тремя сменными палубами, имеющими определённое функциональное назначение.

3. Относительно большой внешний диаметр опорного блока предоставляет возможность размещения в его корпусе запасов и бурового инструмента, а также обеспечивает повышенную безопасность персонала при проведении буровых работ.

4. Применение моноподного опорного блока в виде конструкции типа “труба в трубе”, с заполнением межтрубного пространства бетонной смесью, обеспечивает жёсткое сцепление системы стальных стенок через слой армированного бетона и существенно увеличивает жёсткость конструкции и исключает опасные вибрации верхнего строения МНГС.

5. При необходимости (слабой прочности грунтового основания) опорное основание платформы может закрепляться сваями, которые в дополнение к массивному опорному основанию (заполненному балластом) должны обеспечить необходимую устойчивость сооружения, превращая платформу в конструкцию свайно-гравитационного типа.

6. Изготовление частей платформы в виде отдельных модулей (донная плита, опорный блок, сменное верхнее строение) позволяет: а) осуществлять сборку модулей на различных предприятиях; б) обеспечивать их плавучесть с малой осадкой; в) транспортировать модули на точку установки в плавучем состоянии.

Во второй главе представлено описание нового технического и технологического решений (описание конструкции нового технического решения платформы, назначение, принцип действия, связанный со сменностью палуб различного технологического назначения), предлагаемые к использованию при сооружении МНГС для освоения месторождений мелководного шельфа, расположенных в акваториях, замерзающих на длительный период. Приведены некоторые конструктивные особенности, ранее не применявшиеся в строительстве МНГС.

Конструкция МНГС должна обладать как можно меньшей площадью соприкосновения со льдом, чтобы не повышать боковое давление на сооружение, и иметь меньшую возможность сдвига и опрокидывания. В этой связи предпочтительным вариантом для опорного блока является одна цилиндрическая колонна (опора) с ледостойкой конструкцией типа “труба в трубе”. Образующееся межкольцевое пространство заполняется бетонной смесью для придания большей прочности конструкции и бомльшего балластного веса для противостояния сдвиговым усилиям внешних воздействий.

Моноопорная конструкция эффективна ещё и потому, что ледовые поля, проходя через конструкцию, мало задерживаются на ней, в то время как в многоопорных конструкциях наблюдаются нагромождения льда в межопорном пространстве (вплоть до самого дна) и, как следствие, значительно повышаются нагрузки. То же самое происходит на конструкциях со сплошными длинными прямыми бортами в области ватерлинии.

На опорный блок платформы возможна установка съёмной стальной защитной юбки, разрушающей ледовое поле посредством его изгиба, а не сжатия.

Опорное основание, предлагается выполнить в виде балластируемой плавучей донной плиты с широко развитой поверхностью. Данная плита прочно соединяется (сваривается) в доке с перпендикулярно установленным на ней опорным блоком.

Исследуя конструкцию верхнего строения МНГС, нами предлагается не имеющее в настоящее время аналогов новое техническое решение, которое имеет традиционную прямоугольную форму, но с U-образным вырезом сбоку, доходящим до центра палубы, для того, чтобы осуществлять стыковку и расстыковку с опорным блоком при смене 3-х палуб различного назначения.

Ледостойкий опорный блок должен несколько выступать за нижнюю поверхность опорной плиты с целью создания определённой степени “первичной” герметичности внутри цилиндрической опорной колонны, в которой устанавливаются слоты (специальные трубы для скважин). Поперечное сечение опорного блока рассчитывается на размещение необходимого количества скважин, определённое проектом разработки месторождения, обеспечивая при этом прочность и устойчивость всей конструкции. Оценки показывают, что в опорном блоке диаметром 20 м можно разместить до 19 скважин с учётом дополнительного отсека для бурового инструмента и запасов площадью в плане 20 м2.

Модель платформы со сменной палубой бурового назначения представлена на рис. 6.

Рис. 6. Трёхмерный вид модели ледостойкой самоподъёмной платформы с палубой бурового назначения (с разведёнными переходными мостами)

Донная плита исполняется плавучей (с балластируемыми ёмкостями внутри) с широко развитой поверхностью. Большая площадь плиты предотвращает опрокидывание платформы и противодействует сдвигу от внешних нагрузок (ветра, волн в период навигации, течений, а главное - ледовых надвижек). Такая форма наиболее рациональна для установки на илистых грунтах, которыми характеризуется дно Обско-Тазовской акватории. Помимо опорного блока, который выступает за нижнюю поверхность донной плиты, на неё должны навариваться специальные рёбра-пластины, образующие прямоугольники (квадраты), которые существенно увеличивают сопротивление платформы на сдвиг при минимальных затратах; поскольку утопленные в грунт рёбра создают большее сопротивление по сравнению с гладкой поверхностью.

Также при слабой прочности илистых грунтов рассматриваемой акватории, возможно закрепление опорной части платформы в грунте при помощи свай. Необходимость закрепления МНГС сваями определённого типа, количества и размеров должна определяться проектными расчётами, учитывающими инженерно-геологические условия морского дна, а также все конкретные внешние воздействия, габаритные размеры и массы элементов сооружения.

Общая высота опорного основания зависит от глубины моря в точке установки платформы с учётом соблюдения необходимого и безопасного клиренса. Широта развитости поверхности опорной плиты зависит и от количества устанавливаемых через неё свай.

Верхнее строение платформы представляет собой три сменные плавучие палубы с U-образными вырезами по центру. Каждая палуба специализирована для одного рода операций: строительно-монтажного, бурового и эксплуатационного. Причём U-образные вырезы всех палуб должны исполняться конгруэнтно поперечному сечению ледостойкого опорного блока. Также на палубах или на опорном блоке должны устанавливаться подъёмные механизмы, чтобы осуществлять подъём палубы на высоту, исключающую воздействия волн (в период навигации) и ледовых нагромождений, с последующей надёжной фиксацией. Механизмы, необходимые для подъема, могут быть съемными и удаляться после подъёма палубы ради экономии полезной площади, а затем - снова устанавливаться для организации её спуска на открытую воду.

Каждая сменная палуба должна обладать собственной плавучестью и быть приспособленной к транспортировке с помощью буксиров. Для исключения возможных перекосов палубы по периметру каждой палубы размещаются секционированные балластные ёмкости, с помощью которых можно регулировать равновесие палубы при ее подъеме и спуске.

Технология последовательной смены функциональных палуб состоит из следующего цикла операций, учитывающего малый период навигации в регионе - около 1,5-2 месяцев.

В первый навигационный сезон на точку размещения буксируется платформа, оснащённая палубой строительно-монтажного назначения, зафиксированная в нижнем положении (рис. 7).

Рис. 7. Установка платформы на точку и монтаж верхнего строения

Затем с помощью понтонов, поддерживающих горизонтальное положение донной плиты, и, заполняя основание балластом, осуществляют спуск опорной части; палуба (верхнее строение) при этом находится на плаву за счёт собственной плавучести. После установки опорной части на дно начинается подъём палубы на расчётную высоту.

После установки и балластировки донная плита заглубляется в грунт, обеспечивая предварительное закрепление платформы. После этого межкольцевое пространство опорного блока заполняется бетонным раствором, и при необходимости осуществляются работы по надёжному закреплению опорного основания сваями на дне.

Далее, убедившись в процессе первого ледового сезона в надёжности ледостойкого опорного блока и устойчивости платформы, во второй навигационный период к платформе буксируют вторую палубу - бурового назначения. Параллельно с этим производится демонтаж первой палубы. После спуска палубы до уровня воды, подъёмные механизмы первой палубы выводят из зацепления, позволяя отвести её из U-образного выреза в сторону от опорного блока с помощью буксиров. Далее на место первой палубы с помощью буксиров устанавливают вторую палубу и осуществляют её подъём на заданную высоту с непременной фиксацией. После чего через слоты опорного блока начинается бурение скважин.

После установки второй палубы на опорном блоке, первая палуба транспортируется в судостроительный док для возможного ремонта, дооснащения или повторного использования на следующем опорном основании.

После завершения бурения всех эксплуатационных скважин на точку бурения буксируют третью палубу - эксплуатационного назначения, на которой располагается всё необходимое оборудование для добычи, обработки и отгрузки (транспортировки) продукции. Очередная смена палуб происходит аналогичным образом. И после подъёма и фиксации на опорном блоке данная палуба эксплуатационного назначения используется до завершения разработки этого месторождения. При этом вторая палуба, аналогично первой, возвращается в док для подготовки к выполнению последующих функциональных задач на другом очередном объекте.

Предлагаемое техническое решение, по нашему мнению, приемлемо для акваторий с суровыми гидрометеорологическими условиями и коротким навигационным периодом. В основе конструкции платформы заложен принцип максимальной функциональности каждой из палуб и круглогодичной эксплуатации при максимальной автономности с наименьшим использованием вспомогательных судов.

На основе известных характеристик конструкций СПБУ и платформ Корчагинского месторождения были рассчитаны и приняты данные, необходимые для оценки величин внешних нагрузок на МНГС и его статической определённости. При данных принятых размерах площадь палубы сооружения равна 1187 м2 без переходных мостов, и 1387 м2 - с учётом переходной площадки. Высота палубы при этом составляет 5,3 м.

На рис. 8 слева представлена упрощённая форма палубы СПБУ “Апшерон” и её площадь, в центре рис. 8 изображена изменённая форма палубы СПБУ на форму палубы проектируемой платформы с сохранением полезной площади. Окончательный вид формы палубы в плане, с изменённой в соответствии с особенностями проектируемого сооружения площадью, представлен на рис. 8 справа.

Рис. 8. Порядок расчёта размеров верхнего строения в плане

Общая масса платформы в сборе без балласта и бетона в межкольцевом пространстве опорного блока составляет:

,

где слагаемые - соответственно, массы: верхнего строения, опорного основания и опорного блока.

Определено, что при массе платформы 5951 т и размерах опорного основания 48x48x3 м, осадка платформы составляет всего 2,99 м, что позволяет устанавливать её на мелководье, при этом погружается в воду (почти полностью) только конструкция опорного основания. Необходимо также учитывать, что собственная осадка палуб при стационарном состоянии опорной части должна обеспечивать беспрепятственные операции по их зацеплению и выводу из зацепления, не задевая дном поверхности опорного основания.

Оценка собственной плавучести палуб - строительно-монтажной или буровой, которые сходны по габаритным размерам и массе, показывает, что их осадка составляет не более 1,75 м (у третьей палубы осадка, при сохранении габаритных размеров и меньшей массе, должна быть меньше).

Если высота опорного основания платформы равна 3 м, и, не учитывая осадку сооружения в грунт, то работы по смене палуб могут происходить при глубинах акватории больше 4,75 (м); что является относительно малой величиной для МНГС ледостойкого типа.

В целом, по результатам расчётов видно, что при данной конфигурации размеров и масс элементов платформы достигается надёжная плавучесть сооружения, позволяющая устанавливать МНГС на мелководных месторождениях.

В третьей главе проводится оценка способности нового технического решения находиться в работоспособном состоянии под воздействием внешних факторов в природно-климатических и инженерно-геологических условиях Обско-Тазовского региона. Приводятся предложения по защите грунтового основания от размыва.

Для оценки устойчивости платформы были определены внешние нагрузки: ледовая, ветровая и от течения воды. Расчёты воздействий на платформу проведены для двух вариантов сочетаний нагрузок: основном и особом. В основном сочетании все расчётные нагрузки определены по средним значениям исходных данных. В особом сочетании значение одной из нагрузок, в нашем случае - ледовой, определено с 1 % обеспеченностью (нагрузка, возможная 1 раз за 100 лет).

Расчёт на действие ветровой нагрузки на платформу, установленную на дно при смонтированной палубе в верхней точке сооружения, проведён с использованием методики, рекомендуемой “Правилами классификации, постройки и оборудования плавучих буровых установок и морских стационарных платформ” Российского Морского Регистра Судоходства. При расчёте силы ветрового давления подветренная поверхность сооружения была разделена на 4 части (рис. 9).



Рис. 9. Схема к расчёту силового воздействия ветра на МНГС

Равнодействующая сил ветра определяется по формуле:

где Qw - равнодействующая сил ветра, кН; сw - массовая плотность воздуха, кг/м3; w10 - расчётная скорость ветра на высоте 10 м от уровня воды при десятиминутном осреднении, м/с; Si - площадь парусности i-го элемента, м2; K1i - коэффициент, учитывающий изменение скорости ветра по высоте; K2i - коэффициент сопротивления формы i-го элемента.

Коэффициент, учитывающий изменение скорости ветра по высоте:

где zi - высота, в нашем случае, над поверхностью ледового поля, в метрах, при 10 ? zi ? 100.

Равнодействующая сил ветрового давления равна 0,07 МН, а величина опрокидывающего момента составляет 3,66 МН•м.

Оценка нагрузки, оказываемой на сооружение течением воды, проведена по методике рекомендуемой “Правилами классификации, постройки и оборудования плавучих буровых установок и морских стационарных платформ” Российского Морского Регистра Судоходства.

При расчёте силы воздействия течения подлёдная поверхность сооружения была разделена на 2 части (рис. 10).

Рис. 10. Схема к расчёту силового воздействия течения на МНГС

Сила воздействия течения на сооружение определяется по формуле:

где - массовая плотность воды, т/м3; Csr - коэффициент скоростного сопротивления преграды; d - диаметр преграды, м; Н0 - глубина акватории, м.

Равнодействующая сил давления течения равна 0,32 МН, а величина опрокидывающего момента составляет 1,61 МН•м.

Для оценки ледовой нагрузки на проектируемое МНГС, установленное на дно при смонтированной в верхней точке сооружения палубе, проведён расчёт 2-мя способами:

- по методике ISO 19906:2010(E) “Petroleum and natural gas industries - Arctic offshore structures” (“Нефтяная и газовая промышленность - Арктические морские сооружения”);

- по методике СТО Газпром 2-3.7-29-2005 “Методика расчета ледовых нагрузок на ледостойкую стационарную платформу”.

По методике ISO/FDIS 19906:2010(E) значение равнодействующей силы глобальной ледовой нагрузки на МНГС определяется по формуле:

где pG - среднее глобальное давление (давление на единицу площади контакта льда с опорой МНГС), Па; h - толщина ледяного покрова, м; w - проектная ширина конструкции, м.

Среднее глобальное давление на единицу площади МНГС определяется по формуле:

где CR - коэффициент прочности льда, МПа; h* - справочная толщина, м; n - эмпирический коэффициент, равный -0,50 + h/5 при h < 1,0 м, и равный -0,30 при h ? 1,0 м; m - эмпирический коэффициент.

Коэффициент прочности льда определяется по формуле:

где CR - параметр прочности льда интересующей области; CR0 - параметр прочности льда для справочной области; у - измеренный или прогнозируемый индекс прочности для интересующей области, МПа; у0 - индекс прочности для справочной области.

Расчёт, проведённый по методике ISO/FDIS 19906:2010(E), показал величину глобальной ледовой нагрузки на сооружение: для основного сочетания 29,74 МН; для особого сочетания 69,61 МН. Опрокидывающий момент от действия данной силы составляет: для основного сочетания 416,21 МН•м; для особого сочетания 974,19 МН•м.

В СТО Газпром 2-3.7-29-2005 “Методика расчета ледовых нагрузок на ледостойкую стационарную платформу”, нагрузка от движущегося ровного ледяного поля на сооружение определяется по формуле:

где m - коэффициент формы сооружения в плане; k - коэффициент, учитывающий неплотность контакта ледяного образования с сооружением и эффект стеснения льда при разрушении, вычисляемый интерполяцией по значениям, приведенным в таблице методики; Rc - нормативное значение прочности льда на одноосное сжатие, МПа; D - ширина сооружения по фронту (в направлении, перпендикулярном направлению движения ледяного поля) на уровне действия льда, м; hd - расчетная толщина ровного льда, м, определяемая как значение 1 %-ной обеспеченности в совокупности максимальных годовых значений толщины льда.

Расчёты, проведённые по методике СТО Газпром 2-3.7-29-2005, показали величину ледового воздействия на МНГС: при основном сочетании 40,89 МН; при особом сочетании 100,83 МН; опрокидывающий момент при этом равен: для основного сочетания 572,26 МН•м; для особого сочетания 1411,12 МН•м.

Для оценки статической определённости платформы приняты консервативные результаты, полученные по методике СТО Газпром 2-3.7-29-2005.

Оценка устойчивости платформы, установленной на дно акватории, и, полностью загруженной балластом, на сдвиг и опрокидывание под действием внешних сил, была проведена без учёта свайного фундамента, возможных наваренных на дно опорной плиты стальных рёбер-пластин и пассивного давления грунта на боковую стенку заглубленного опорного основания.

По результатам расчёта на опрокидывание определено, что коэффициент устойчивости на опрокидывание больше единицы (1,01) для основного сочетания нагрузок, и меньше единицы (0,88) для особого их сочетания. Расчёт на сдвиг показал, что коэффициент устойчивости на сдвиг больше единицы (1,36) для основного сочетания нагрузок и меньше единицы (0,62) для особого их сочетания. Следовательно, под действием максимальных нагрузок при неблагоприятном их сочетании, при максимальном приливе, платформа, установленная на дно, имеющая свой максимальный вес, не закреплённая сваями и имеющая гладкое дно, не обладает необходимой устойчивостью на точке. Для компенсации сдвигающего усилия необходима сила, приблизительно равная 4380 (т•с), что должно быть обеспечено удерживающими силами свай и стальных рёбер-пластин дна опорного основания.

Таким образом, в пределах данного расчёта можно сделать вывод о надёжности сооружения в природно-климатических и инженерно-геологических условиях эксплуатации Обско-Тазовского региона.

В четвёртой главе изложены все преимущества предлагаемых новых технического и технологического решений; определены задачи, требующие решения для успешного осуществления проекта.

Новое техническое и технологическое решения разрабатывались в соответствии с выводами, полученными при анализе недостатков существующих МНГС ледостойкого типа, бывших или находящихся в настоящее время в эксплуатации.

Эффективное техническое решение по освоению мелководных месторождений акваторий, замерзающих на длительный срок, предполагает моноподную цилиндрическую конструкцию опорного блока относительно небольшого диаметра. Форма блока существенно сокращает внешние нагрузки, прежде всего от надвигающегося льда, поскольку ледовое поле, подходя к колонне, как предполагается, ломается и огибает опору, не создавая при этом значительных ледовых образований в виде торосов и стамух. Данные ледовые нагромождения могут образовываться при взаимодействии со значительными по протяжённости стенками кессонных оснований платформ, а также при проходе через многоопорные блоки, между колоннами которых происходит частичное замедление ледового движения, застревание отдельных обломков ледового поля с последующим ростом ледовых нагромождений.

Нужно также отметить гораздо меньшие финансовые затраты на изготовление опорной части предлагаемой платформы вследствие меньшей материалоёмкости по сравнению с кессонными основаниями.

Отмечается возможность транспортировки сооружения на малых глубинах до 3 м и установки на точке с глубиной акватории до 4,75 м без учёта осадки МНГС в грунт. Транспортировка опорной части отдельно от верхнего строения возможна при глубине всего в 1,2 м.

Преимущества технологии последовательной смены палуб, каждая из которых имеет определённое функциональное назначение, заключаются в следующем.

Во-первых, из-за относительно низкого пластового давления на месторождениях Обско-Тазовской губы с целью обеспечения приемлемого коэффициента газоизвлечения необходимо обеспечить компримирование продукции непосредственно в море. В этой связи, предлагаемая конструкция позволяет эксплуатационную палубу, свободную от бурового и строительно-монтажного оборудования, спроектировать с компрессорами и оборудованием, необходимым для полной промысловой подготовки газа непосредственно на платформе.

Во-вторых, с применением данной технологии появляется возможность поточного использования палуб различного назначения для ускоренного ввода в разработку крупного по площади месторождения или нескольких месторождений, в том числе и находящихся в разных акваториях. Во время использования буровой палубы на опорной части одной платформы, палуба строительно-монтажного назначения может успешно выполнять свои функциональные задачи на опорной части другой платформы. Вышеописанные операции существенно ускоряют производство и способствуют улучшению планирования ввода в разработку большего количества перспективных месторождений.

В-третьих, появляется возможность освоения множества последующих перспективных месторождений с помощью одних и тех же строительно-монтажной и буровой палубы, произведённых однажды и рассчитанных на длительный срок эксплуатации.

В-четвертых, снижается объем строительно-монтажных работ на заводах за счет исключения строительства монтажных и буровых палуб, поскольку объем производства металлоконструкций для свайно-кессонных платформ является в России ограниченным. С этой точки зрения наше техническое решение тоже имеет преимущество ввиду своей малой массы.

В целях эффективной реализации предложения по развитию процесса освоения арктических месторождений необходимы дальнейшие исследования.

Так, опорная часть нового технического решения платформы, особенно место соединения опорного блока с донной плитой, нуждается в тщательном расчёте на прочность. При определённых размерах МНГС для укрепления некоторых критических областей, возможно, потребуется добавление в конструкцию, опорных раскосов или стальной юбки.

Требует рассмотрения вопрос о возможности проведения мероприятий местного размыва слабого илистого грунта в месте постановки платформы с целью более прочной связи опорного основания с дном акватории Обской или Тазовской губ, поскольку в данных регионах, как известно, находится особая, с точки зрения экологии, зона.

Для освоения акватории Обско-Тазовской губы непременно должна быть создана база обслуживания: для укрупнённой сборки морских сооружений данного и других типов, а также - для ремонта и дооснащения палуб при их смене в навигационные периоды. Наличие такой базы позволит круглогодично заниматься ремонтом и сборкой.

Для успешной реализации планов по освоению отечественного шельфа необходимо создать современную и универсальную методику расчёта МНГС, включающую в себя всю необходимую методологию для полного цикла проектирования морских платформ.

Кроме того, после накопления опыта эксплуатации предлагаемая конструкция морского нефтегазопромыслового назначения может быть нормализована. Необходимо создать определённое количество проектов с различными типоразмерами конструктивных элементов платформы для различных глубин, грунтов и гидрометеорологических условий, т.е. унифицировать конструкцию сооружения. Это позволит значительно снизить затраты на освоение нефтегазовых месторождений арктического мелководья, для чего потребуется только подобрать уже подготовленный проект с нужными параметрами и приступить к производству.



ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Представлены новые технические и технологические решения, предлагаемые к использованию при освоении месторождений мелководного шельфа, расположенных в акваториях, замерзающих на длительный период. В качестве условий применения предлагаемых конструкций приняты месторождения Северо-Каменномысское и Каменномысское-море, расположенные на акватории Обской губы. Также были проанализированы существующие разработки в этой области и выявлены их недостатки при возможном применении в акваториях с подобными условиями эксплуатации.

2. Исходя из принятых условий применения, обоснованы основные массо-габаритные характеристики предлагаемой гидротехнической конструкции, а также плавучесть составных частей конструкции для обеспечения их доставки на плаву в точку установки. Разработаны конструктивные технические решения, ранее не применявшиеся в строительстве нефтегазодобывающих платформ, такие как система зацепления поворотного сменного верхнего строения, автоматическая система удифферентовки палубы, съёмная стальная защитная юбка опорного блока.

3. Проведен анализ всех потенциальных внешних воздействий на конструкцию в течение его расчетного периода эксплуатации. Определено, что наиболее опасной нагрузкой, вызывающей опрокидывание и сдвиг платформы, является ледовое воздействие. С целью обеспечения безопасности сооружения выполненными расчетами установлены пределы сохранения устойчивости конструкции без свайного закрепления при максимальной величине ледовой нагрузки и неблагоприятном сочетании с другими видами нагрузок. Обоснована работоспособность сооружения в суровых условиях эксплуатации акваторий арктических месторождений, замерзающих на длительный период.

4. Выявлены преимущества новых решений, достигаемые (по сравнению с существующими конструктивными решениями) при реализации предложения: ускоренный ввод в эксплуатацию и эффективная круглогодичная разработка месторождений за счёт оригинальной конструкции опорной части и смены палуб, освоение множества месторождений с использованием однажды произведённых конструкций и оборудования, малый вес изготавливаемых конструкций.

5. Разработаны рекомендации по реализации проекта и интенсификации процесса освоения российского нефтегазового шельфа путем: создания современной и универсальной методики расчёта МНГС, включающей в себя полный цикл проектирования морских платформ; а также на основании опыта эксплуатации опытных образцов, нормализации предлагаемой конструкции морского нефтегазопромыслового сооружения.



СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Мусабиров А.А., Гусейнов Ч.С. Ледостойкая самоподъёмная платформа для замерзающего мелководья// Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России: Тезисы докладов IX-й Всероссийской научно-технической конференции. Часть II. Секции 5-10. - М.: Издательский центр РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2012. - С. 60-61.

2. Мусабиров А.А. Выбор опорного основания морской буровой платформы для замерзающего мелководья акватории Обско-Тазовской губы// Современное состояние естественных и технических наук: Материалы VI Международной научно-практической конференции (20.03.2012). - М.: Издательство «Спутник +», 2012. - С. 153-155.

3. Мусабиров А.А. Морская стационарная платформа на моноопорном основании для освоения месторождений акватории Обско-Тазовской губы// Сборник тезисов 66-й Международной молодёжной научной конференции «Нефть и газ - 2012». - М.: Издательский центр РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2012. - С. 27.

4. Гусейнов Ч.С., Мусабиров А.А. Освоение мелководных нефтегазовых месторождений арктического шельфа с использованием ледостойкой стационарной платформы на моноопоре// Современные технологии освоения месторождений углеводородов на суше и море: Сборник тезисов Международной научно-технической конференции «ГЕОПЕТРОЛЬ - 2012». - Польша, Краков: Drukarnia Goldruk, Nowy S№cz, 2012. - С. 851-852.

5. Мусабиров А.А. Проектирование морской ледостойкой самоподъёмной платформы для замерзающего мелководья// Труды Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина. Сборник научных статей по проблемам нефти и газа. - 2012. - №1. - М.: Издательский центр РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина. - С. 60-66.

6. Гусейнов Ч.С., Мусабиров А.А. Ледостойкая самоподъёмная платформа для замерзающего мелководья и способ последовательного монтажа сменных палуб// Бурение и нефть. - 2012. - №10. - М.: ООО «Медиа Гранд». - С. 18-20.

7. Мусабиров А.А. Разработка нового технического решения для освоения месторождений акватории Обско-Тазовской губы// Сборник тезисов 67-й Международной молодёжной научной конференции «Нефть и газ - 2013». - М.: Издательский центр РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2012. - С. 57.

Размещено на Allbest.ru

...