Подводный стыковочный шлюз между двумя подводными судами для смены персонала и восполнения запасов материалов и продуктов

Ключевые слова: подводный переход экипажа, подводная стыковка, транспортный подводный шлюз, подводный буровой аппарат, подводное освоение морских месторождений.

Key words: the movement of the crew under water, the underwater coupling, the underwater lock chamber, the subsea drilling vehicle, the subsea extraction of offshore fields

Весь XXI век будут открывать и осваивать нефтегазовые месторождения Арктики, значительной частью которой владеет Россия. И, хотя уже освоена значительная часть морских нефтегазовых месторождений, однако далеко не все современные технологии и технические решения могут быть реализованы на арктических замерзающих морях и придётся осваивать значительную часть месторождений с помощью подводных технических средств и технологий, чтобы исключить ледовые воздействия на неподвижные плавучие или погружные подводные объекты.

А поскольку подводные сооружения, предназначенные для бурения и добычи нефти и газа, должны десятилетиями быть неподвижными, т.е. пребывать на заданных точках, их необходимо регулярно снабжать различными материалами и резервным оборудованием, а также регулярно сменять экипажи. По существу эти общеизвестные положения не требуют никакого обоснования и уже более полувека строго выполняются на всех морских нефтегазовых месторождениях. И теперь, когда мы начнём в ближайшем десятилетии осваивать месторождения на глубоководных длительно замерзающих арктических морях, следует заранее предусмотреть такие технические решения, которые возможны к реализации в подводных условиях, что, естественно, не исключит в будущем создание более совершенных решений.

При работе под водой стоит обратить внимание на такой параметр, как автономность - это длительность пребывания судна в рейсе без пополнения запасов топлива, провизии и пресной воды, необходимых для жизни и нормальной деятельности находящихся на судне сотрудников и пассажиров [1].

Автономность традиционной морской платформы обеспечивается энергетической установкой и запасами топлива для её работы, опреснительной установкой, запасами провизии, объёмом цистерн для хранения отходов и условиями эксплуатации, для которых она разработана. Практически все платформы обслуживаются судами снабжения, а смена вахт производится вертолетом. Автономность морской платформы варьируется от 30 до 60 суток. Пополнение запасов провизии и смена вахт происходит каждые 14-16 суток в зависимости от погодных условий.

Военно-морские подводные лодки (ПЛ) обладают продолжительной автономностью порядка 90 дней. Добиться подобной автономности от подводного бурового аппарата технически сложно, но возможно за счёт увеличения объёма цистерн и хранилищ. Но решить проблему смены вахт, за счет увеличения её продолжительности невозможно. Это связано со сложной продолжительной работой (12 часовая смена), нахождением в замкнутом пространстве под водой, отсутствием традиционной связи с внешним миром.

Рассматривая возможность освоения морских глубоководных месторождений на акваториях арктических месторождений, необходимо решить проблему восполнения запасов провизии, смены персонала и вывоза твёрдых и жидких отходов.

В нашем исследовании были поставлены следующие задачи:

- разработать концептуальные решения, которые позволят провести перемещение персонала и грузов под водой между подводным буровым аппаратом и подводным многофункциональным судном снабжения;

- определить общие размеры основных устройств и элементов разработанной концепции.

Цель исследования - определить степень возможности проведения под водой стыковки и обмена.

Методы и материалы исследования

Ввиду отсутствия реализованных решений и проработанных проектов, в исследовании используется теоретический метод исследования, основанный на сравнительном и логическом анализе схожих по назначению и принципу работы устройств. Теоретический метод исследования позволил сформулировать несколько концептуальных решений. Определение общих размеров устройств и элементов наиболее подходящей концепции было проведено эмпирическим методом исследования. Благодаря выбранному подходу, как нам представляется, получено достаточно проработанное решение выявленной проблемы.

Наиболее близкой работой по перемещению людей из одного аппарата (судна) в другой можно увидеть только в учебной или боевой операции по спасению моряков с затонувшей подводной лодки. Отличие состоит в том, что размеры спасательного глубоководного аппарата (СГА) на порядки меньше размеров подводной лодки. СГА полностью опирается на ПЛ. Стоит обратить внимание, что матросы-подводники обладают специальной подготовкой, чего может не быть у сотрудников подводного комплекса. По этой причине способ перемещения персонала и грузов должен быть максимально безопасным и не требовать специальной подготовки.

Рассмотрим способ эвакуации моряков- подводников, которая проводится с применением спасательного глубоководного аппарата (см. рисунок 1). груз экипаж месторождение морской

Эвакуация с подводной лодки проходит следующим образом [2]. При помощи комплекса датчиков, механизмов и устройств определяется положение подводной лодки и условия окружающей среды. На основании полученных данных принимается решение о стыковке к носовой или кормовой комингс-площадке аварийного объекта.

Комингс-площадка спасательного люка подводной лодки - прочное металлическое опорное кольцо, обрамляющее спасательный люк подводной лодки [3].

Рис. 1 Типовая схема СГА

Рис. 2 Спасательный глубоководный аппарат «Бестер» пр. 18271

Определив комингс-площадку (носовую или кормовую), экипаж СГА подходит и занимает положение точно над ней. Заняв требуемое положение, производится опускание СГА на ПЛ. После стыковки, производится откачка воды из шлюзовой камеры в уравнительную цистерну. Внутри шлюзовой камеры создается атмосферное давление, в результате чего внешнее (гидростатическое) давление (которое всегда выше атмосферного) придавливает СГА к ПЛ. Убедившись в сохранении давления внутри шлюзовой камеры, отдраиваются люки, и производится «сухой» способ эвакуации подводников с ПЛ.

Осложняющими факторами могут быть сильные подводные течения, большой угол наклона комингс-площадки к горизонту, недостаточное качество зеркала комингс-площадки. Логичным решением последних двух факторов является использование жёстких захватов. Но такой способ не безопасен, так как может привести к разрушению не только стыковочного узла, но и самих подводных аппаратов, если СГА начнет смещаться, в результате резкого увеличения бокового воздействия.

Поэтому проблема безопасного, быстрого и стабильного пополнения запасов и вахтовой смены персонала подводного бурового аппарата является одной из ключевых при подводном освоении морских нефтегазовых месторождений, решением которой можно будет значительно продвинуться в направлении реализации подводных нефтегазовых проектов.

Существует три пути решения:

- надводный;

- подводный;

- комбинированный.

Реализация надводного способа перемещения персонала и грузов требует подъема подводного бурового аппарата (ПБА) на морскую поверхность каждые 14 суток. В надводном положении перегрузка с многофункционального судна снабжения (МСС) будет проводиться традиционным способом при помощи кранов и устройств приёма/отгрузки жидких и сыпучих материалов, установленных на МСС. Операции проводятся в период навигации МСС самостоятельно, либо в ледовый период с использованием сопровождающего ледокола. Для уменьшения затрат на проводку МСС ледоколом необходимо будет приспособить ледокол, придав ему дополнительно функции судна снабжения.

Реализация подводного способа перемещения потребует создания специального подводного многофункционального судна снабжения (ПМСС), способного произвести «жёсткую» стыковку - для перемещения персонала и твердых грузов (оборудования), и «гибкую» стыковку - для приема/отгрузки жидких и сыпучих материалов.

Первый путь решения - всплытие ПБА - возможен в условиях открытой воды или наличия небольшого ломаного льда, что возможно около 34 месяцев в году. При всплытии необходимо отсоединить буровое судно от водоотделяющего райзера с последующим соединением снова. В оставшееся время - 9 месяцев - в условиях полного покрытия акватории льдом рассматриваемый способ затруднён, поскольку необходимо проламывать лёд верхней образующей (усиленной кромкой) подводного бурового аппарата, что потребует увеличения его прочности или будет необходимо воспользоваться ледоколом для ломки льда.

Второй путь решения - организация подводного способа, который позволит, независимо от погодных условий на поверхности моря, производить смену и пополнение запасов. Реализация рассматриваемого способа потребует создания подводного многофункционального судна снабжения, разработки транспортного шлюза, который обеспечит «жёсткое» соединение ПМСС с ПБА, устройства подключения гибких шлангов для приёма/отгрузки жидких и сыпучих материалов. Помимо этого потребуется разработка устройств и датчиков для определения положения ПМСС и ПБА по отношению друг к другу, системы наблюдения, управления спаренными судами, систему динамического позиционирования под водой, которая сможет позволить находится подводным судам долгое время в одном положении.

Третий путь решения - создание комбинированного способа, который позволит проводить все операции с поверхности моря, не прерывая рабочего процесса строительства (т.е. бурения) скважин. Для реализации этого способа потребуется строительство ледокола с функциями многофункционального судна снабжения, в основании которого будет располагаться камера, сообщающаяся с морской водой. Камера будет предназначена для расположения грузовых капсул и подводного челночного аппарата (ПЧА), управляемого дистанционно: подводный челночный аппарат в соответствии с заданной программой будет производить перемещение грузовых капсул между надводным судном и подводным аппаратом. Приём/отгрузка жидких и сыпучих грузов может проводиться через подводную лодку гражданского назначения (ПЛГН). ПЛГН полностью идентична традиционной АПЛ, но без военного вооружения. Его место будут занимать цистерны (капсулы) с материалами.

Общая концепция снабжения ПБА грузами и персоналом при помощи ПЧА следующая:

1. Создаётся подводное или надводное многофункциональное судно снабжения, в конструкции которого предусмотрена камера, сообщающаяся с морем. Транспортные капсулы представляют собой прочные и герметичные контейнеры, способные выдерживать давление окружающей воды в 2,0 МПа (20 кг/см²) - зависит от максимальной глубины погружения.

2. Перед выходом в море грузовые капсулы заполняются материалами, а вахтовые капсулы остаются пустыми до начала подготовительных работ к перемещению персонала.

3. После достижения места расположения ПБА, ПЧА устанавливается на одной из капсул и готовится к работе. Сначала по-очерёдно спускаются грузовые капсулы, затем - вахтовые. За один поход ПЧА должен быть способен перенести только одну капсулу.

4. На ПБА для приёма капсул предусмотрен транспортный модуль, разделённый между собой водонепроницаемыми переборками и герметично закрывающимися створками - воротами - на камеры для приёма капсул. После установки капсулы в камеру происходит закрытие камеры и откачка воды.

5. В это время ПЧА перемещает остальные капсулы в другие камеры.

6. Когда капсула загружена отработанными материалами, она закрывается; задраиваются люки и в камеру подаётся морская вода. Заполнив камеру водой и, выровняв давление снаружи и внутри, створки открываются, и капсула готова к вывозу ПЧА.

7. К моменту перемещения последней вахтовой камеры с персоналом первая грузовая камера должна быть готова к её вывозу с ПБУ - должны быть выгружены привезённые материалы и загружены отработанные.

8. Вахтовая камера привозит сотрудников новой смены и увозит сотрудников предыдущей.

9. После завершения всех операций, транспортный модуль заполняется водой или полностью опорожняется. Это зависит от конструкции модуля и определяется на этапе формирования технического задания.

Подводный метод перемещения груза должен предусматривать применение специального транспортного шлюза, установленного между двумя подводными аппаратами (судов/лодок). При этом на протяжении всего периода проведения работ оба аппарата должны занимать одно положении относительно друг друга, допуская лишь незначительные перемещения.

Каждое подводное судно должно быть оборудовано системой динамического позиционирования, которая будет обеспечивать точное расположение буровой платформы над точкой бурения. Система динамического позиционирования (СДП) необходима для того, чтобы обеспечить точную корректировку курса, поскольку основным винтом это сделать очень сложно.

Компенсация продольных смещений грузов, которая всегда имеет место, осуществляется путём заполнения и откачки морской воды дифферентными цистернами - носовой и кормовой (за эту работу отвечает стабилизатор глубины).

С целью определения положения подводных лодок в пространстве и относительно друг друга на опорном основании должны устанавливаться датчики ориентации. На подводных судах устанавливаются устройства для подачи и прима сигналов от датчиков ориентации. Подобными датчиками и устройствами должны укомплектовываться каждое подводное судно, чтобы сделать возможным стыковку судов наплаву.

Малые перемещения судна во время работы под воздействием внешней среды можно компенсировать за счёт применения в конструкции шлюза угловых и продольных демпфирующих узлов. По сути, транспортный шлюз будет представлять собой телескопическую балку с шарнирами на каждом конце.

Рис. 3 Схема транспортного шлюза 1 - ПМСС; 2 - подводная буровая установка (ПБУ); 3 - транспортный шлюз

Приведённая схема позволяет компенсировать осевые перемещения за счет шарниров и продольные за счет телескопического корпуса шлюза. Необходимость использования шлюза с возможностью компенсации смещений вызвана тем, что подводные лодки не способны полностью зависать в толще воды.

При стыковке два подводных судна должны очень медленно двигаться одновременно с высокой точностью. Задержки в реагировании ПМСС приведут к увеличению нагрузки на транспортный шлюз. И как следствие может привести к его разрушению. Для параллельного перемещения необходимо разработать систему управления, которая сможет управлять одновременно двумя подводными судами, определяя величину и направление движения и вычислять нужную мощность на каждом движителе СПД.

С большой долей вероятности можно сказать о высокой степени технической сложности задачи «жёсткой» стыковки под водой. Поэтому наиболее перспективным является комбинированный способ проведения операций.

В качестве примера использования на судне камеры для подводных работ приведен проект Азориан, реализованный в 1974 году для подъёма затонувшей советской подводной лодки «К-129».

Для подъёма советской лодки был построен Гломар Эксплорер водоизмещением 50 000 т. Это однопалубное судно с «центральной прорезью» размерами 60,65x22,5x19,8 м(ДхШхВ) с вышкой над камерой. Глубина спуска захватывающего устройства Клементина достигала 5000 м.

Подводная лодка не стоит на месте и не зависает в водной среде в одном положении, она перемещается за счёт вращения главного винта. Исходя из этого, можно сделать предположение, что и подводный буровой аппарат и ПМСС не сможет обеспечивать точное неподвижное расположение в процессе проведения работ. Необходимо предусмотреть устройство, компенсирующее продольные и угловые перемещения ПБА и ПМСС.

В качестве примера устройства, способного компенсировать качку судна, следует рассмотреть установку морского доступа компании Атреішапи (Нидерланды), изображённую на рисунке 5 [4]. Система предназначена для безопасной доставки персонала с судна на платформу и обратно. Вначале сотрудники поднимаются на переходную площадку, на которой располагается пульт управления системой с оператором. Затем установка переходит в рабочее положение, при котором трансферная палуба постоянно находится в горизонтальном положении. Это возможно благодаря 6 гидроцилиндрам с выдвигающимися штоками для компенсации качки судна.

Компенсация расстояния между судном и морским сооружением осуществляется за счёт телескопического трапа. В таблице 1 представлены достоинства и недостатки трех рассмотренных способов.

Рис. 4 Гломар Эксплорер

Рис. 5 Установка морского доступа А-типа

Таблица 1

Из таблицы 1 видно, что комбинированный способ имеет больше преимуществ. В дальнейшем определение общих размерений устройств и элементов будет проведено эмпирическим методом исследования, на основании имеющегося опыта и близких аналогах.

Определение размерений устройств и механизмов

Разрабатываемый способ должен позволить перемещать большой объём запасов и различных материалов в обе стороны. В среднем за один рейс судно снабжения должно перевозить материалов в объеме примерно 200 м^3- А ёмкости цистерн подводного многофункционального судна снабжения (ПМСС) должны позволять перевозить расходные материалы (дизельное топливо, ГСМ, цемент, утяжелитель бурового раствора, пресную воду и др.) для пополнения запасов и отгружать с ПБА отработанные жидкости (льяльные воды, буровые сточные воды, буровой раствор и др.).

Пополнение жидких запасов ПБА с ПМСС и их откачка с ПБА можно производить через комплекс приема/отгрузки жидких материалов. Если нет необходимости передавать твердый груз, непосредственная стыковка двух судов не требуется. Передача жидкого груза осуществляется через гибкие шланги высокого давления и высокой прочности (с металлическими оплетками). Общая компоновка комплекса состоит из следующих элементов:

1. блок перекачивающих насосов - для каждой системы отдельный насос (основной и вспомогательный);

2. наружная станция приема/выдачи жидких грузов;

3. блок замера отгруженного/принятого материала;

4. манифольд перекачивающих насосов;

5. набор гибких шлангов;

6. механизм подачи шланга от ПМФСС к ПБА;

7. система предотвращения разливов;

8. система продувки трубопроводов;

9. система видеонаблюдения;

10. система определения положения ПБА и ПМФСС.

Подводное многофункциональное судно снабжения используется для пополнения/вывоза жидких и сыпучих материалов. Используемые при перегрузке гибкие шланги позволят успешно компенсировать перемещения подводных судов относительно друг друга.

Количество капсул должно обеспечить перевозку материала в объёме около 190 м³ и персонала в количестве 100 чел. (состав рабочей команды в количестве 90 человек + 10 гостей).

С целью унификации и типизации разрабатываемых решений, размеры вахтовой и грузовой капсул должны быть одинаковыми.

Рис. 6 Вахтовая капсула

Вахтовая капсула состоит из каркаса 1 с электропитания и освещения, балластная система) двойным дном, в котором расположены системы и оборудование (источники бесперебойного жизнеобеспечения (сжатого воздуха, система питания, насосы, Ёмкости с дыхательной смесью).

В носовой и кормовой частях предусмотрены ворота 2 для уменьшения временных затрат на покидание капсулы. В капсуле предусмотрено 36 посадочных мест 3. Управление системами капсулы осуществляется через щиты управления 4. Захват подводным челночным аппаратом вахтовой капсулы осуществляется за держатели 5.

Грузовая капсула имеет аналогичные вахтовой капсуле внутренние и внешние размеры. Но внутреннее пространство капсулы пустое, а в корпусе установлены: система электроснабжения и балластная система. Балластная система, заполняя пространство между сухим и мокрым корпусами, компенсирует действие подъёмной силы.

ПЧА - это необитаемый телеуправляемый подводный аппарат «мокрого» исполнения. На раме располагаются движители, источники питания, распределительные щиты, системы охлаждения, электроснабжения, управления и контроля, наблюдения, связи, а также оборудование и инструменты, позволяющие удерживать капсулы, перемещаться в пространстве и др.

Рис. 7 Схема ПЧА

ПЧА состоит из несущей рамы 1, на которой установлены продольные (основные) 2, поперечные 3 и вертикальные 4 электрические движители. При помощи поворотных захватов 5 производится удержание капсулы 7. Обтекатель 6 имеет округлую форму для уменьшения лобового сопротивления при движении. За обтекателем располагаются источник питания, блок управления и контроля аппаратом, а также остальные устройства. По периметру располагаются датчики и сканеры, устройства видеонаблюдения.

Если разрабатывать полноценный подводный челночный аппарат для перевозки грузов и персонала ПБУ, то его габариты будут достаточно велики. Это связано с необходимостью установки большого объёма оборудования в составе ПЧА. Представленная на рисунке 6 схема ПЧА - это телеуправляемый подводный аппарат с минимальным набором оборудования и систем.

Выводы

Приведённые способы пополнения запасов - это концепты, обладающие своими преимуществами и недостатками. Но на их основе рассмотрены решения основных проблем перемещения грузов и смены персонала для обеспечения круглогодичной эксплуатации подводной буровой установки.

Необходимость и главное возможность работы под водой подтверждается активной работой над проектом «Айсберг» таких известных компаний как ЦКБ «Рубин», ОКБМ «Африкантов», Политехническим университетом Петра Великого, Курчатовским институтом и Институтом проблем нефти и газа РАН при поддержке Фонда перспективных исследований. Также проект включён в программу развития арктической зоны РФ до 2025 г. [5].

Всеобщий интерес к подводному освоению арктических запасов углеводородов возрастает с каждым днем. И сейчас основная задача создавать новые методы и устройства для успешного освоения углеводородного потенциала арктического региона нашей страны.

Список литературы

1. Дмитриев А.Н. Проектирование подводных аппаратов

2. Флаг Родины. Газета Краснознаменного черноморского флота Российской Федерации. №65 (27321) от 05.09.2017 г.

3. Кормилицин Ю.Н., Хализев О.А. Проектирование подводных лодок. Учебник. Санкт-Петербург: Издательский центр СПбГМТУ, 1999, стр.344.

4. https://www.ampelmann.nl/ Дата обращения 12.06.2019.

5. Постановление № 1064 от 31 августа 2017 г. О внесении изменений в постановление Правительства Российской Федерации от 21 апреля 2014 г. № 366 "Об утверждении государственной программы Российской Федерации "Социальноэкономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации на период до 2020 года".

6. https://topwar.ru/9987-proekt-azorian.html дата обращения 09.07.19

Рецензия

на статью Бобова Д.Г. и Гусейнова Ч.С.

«ПОДВОДНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПЕРЕХОДА ЭКИПАЖА МЕЖДУ ПОДВОДНЫМИ АППАРАТАМИ, ВКЛЮЧАЯ ПОПОЛНЕНИЕ ЗАПАСОВ НЕОБХОДИМОЙ ПРОДУКЦИИ»

Статья содержит 13 страниц, включая 7 рисунков, 1 таблицу и 6 библиографических ссылок.

Перспектива освоения арктических глубоководных замерзающих морей весьма актуальна и, безусловно, требует решения целого ряда нерешенных вопросов. Проф. Ч.С. Гусейнов со своими аспирантами активно продолжает развивать эту тематику. И вопрос перемещения под водой различных грузов, резервного оборудования и самого экипажа является одним из тех вопросов, требующих своего разрешения. Рассмотренные варианты таких перемещений позволяют выбрать наиболее приемлемый в условиях постоянного пребывания бурового судна под водой, поскольку регулярные отсоединения чреваты тяжелыми и непредвиденными последствиями, а повышение надежности процесса бурения на арктическом шельфе относится к одной из самых актуальных задач в деле освоения морских месторождений, и публикации на эту тему имеют практический интерес, что позволяет мне рекомендовать эту работу к опубликованию.

Д.т.н., проф. РГУ нефти и газа им. Губкина В.Я. Кершенбаум, 02.07.2019

Размещено на Allbest.ru