Проблемы при выборе типа морской стационарной платформы для работы в ледовых условиях

Морская стационарная платформа (МСП) – морское нефтегазо-промысловое сооружение, состоящее из верхнего строения и опорного основания, зафиксированное на все время использования на грунте и являющееся объектом обустройства морских месторождений нефти и газа [1, 2]. В среднем эксплуатационный период МСП на месторождении составляет 25 лет [1].

Все установки (платформы) для морского бурения подразделяются на три основные категории: стационарные – постоянные основания, эстакады, искусственные острова; полустационарные – плавучие (самоподнимающиеся) буровые установки; подвижные – буровые суда, баржи и другие плавучие устройства (полупогружные установки) [3].

Состав гидротехнических сооружений для освоения шельфа находится в непрерывном развитии. Это связано с освоением новых районов, выходом на более глубоководные участки и с появлением новых технических решений. Стационарные сооружения представляют собой наиболее развивающуюся и многочисленную группу гидротехнических сооружений для освоения шельфа. Они используются главным образом для долговременной эксплуатации - бурения скважин, добычи, переработки и хранения нефти и газа [4-6].

Суровые природные условия морских районов Севера и Арк­тики требуют принци­пиально новых технических решений по освоению нефтяных и газовых месторождений этих районов, а также высокая стоимость самих объектов и проектных решений.

Главная проблема при создании сооружений для освоения нефтегазопромысловых шельфов заключается в том, что с увеличением глубины водоема значительно, в несколько раз, увеличивается стоимость таких сооружений. Поэтому главная задача для проектанта найти оптимальное соотношение таких показателей как надежность и экономичность технических средств для эксплуатации морских стационарных платформ (МСП) в районах со сложными ледовыми условиями [7-9].

Следовательно, выделим основные факторы для проектирования МСП в ледовых условиях:

- эксплуатация месторождения должна вестись круглогодично;

- долговечность (срок эксплуатации сооружения на месторождении 20-30 лет);

- многообразие природных условий различных арктических районов требует принятия от­дельных технических решений для каждого случая.

Круглогодичное производство работ по добыче нефти и газа и бурению сква­жин обусловливает необходимость в создании таких МСП, которые были бы надежными в работе при различных изменениях условий окружающей среды, в особенности в ледовой обстановке [7].

Отсюда можно сделать вывод о том, что при проектировании МСП предназначенных для работы в северных районах основной величиной воздействия на конструкцию является действие горизон­тальных сил движущегося льда. Среднее давление ветра на конструкцию принимают равным приблизительно 2 кПа, волн - от 96 до 144 кПа, ледовая нагрузка составляет 2,88 МПа и более [10-13].

В связи с преобладанием величины ледовой нагрузки по отношению к другим (волновая и ветровая) предпочтительным типом МСП для таких районов являются моноопорные сооружения (т.е. те платформы, у которых одна массивная опора, их также называют моноподами), которые лучше противостоят надвигающемся ледовым полям [2, 7].

Все сооружения по способу сопротивления давлению льда можно условно отнести к одному из трех классов [2, 4-6]:

- установленные на морское дно и снабженные массивной опорной частью (фунда­ментом), на которую воздействует ледовая нагрузка;

- плавучие платформы, давление льда в которых воспринимает корпус платформы и натяжные устройства или якорная система;

- сооружения островного типа, устойчивость которых обеспечи­вается насыпью песка или гравия.

На рисунке 1 приводятся схемы разных типов конструкций сооружений предназначенных для эксплуатации в различных ледовых условиях.

В умеренной субарктической ледовой зоне применяют метал­лические стационар­ные платформы типа монопод 2 на (рис. 1, вар. 2), которые крепятся к морскому дну сваями. Плавучие платформы не рассчитаны на значительную ледо­вую нагрузку, но при разведочном бурении и добыче в глубоких водах они находят применение (рис. 1, вар. 4).

Сооружения островного типа нашли свое применение в мелководных аква­ториях арктического шельфа и в основном пред­назначены для проведения разведочного бурения, однако удаление волновой защиты с острова (например, мешков с песком) приведет к его разрушению (под воздействием волн остров практически исчезает). С увели­чением глубины моря объем насыпного материала при неизменном угле откоса возрастает почти в кубической зависимости. Поэтому строительство островных со­оружений много­разового использования позволяет значительно экономить строительный материал.

Рисунок 1 - Схемы конструкций сооружений для эксплуатации в различных ледовых условиях

1 - гравитационное основание башенного типа с коническим неподвижным ледоломом; 2 - свайное основание с одной опорой и монолитным фундаментом; 3 - конструкция основания с развитой опорной частью; 4 - плавучее основание с якорной системой, полупогружное с противоледовой защитой; 5 - полупогружное основание с ледорезом; 6 - насыпное гравийное основание; 7 - гравитационное основание с оградительным кольцом; 8 - основание многоразового использования, островного типа, из стальных кольцевых кессонов.

В настоящее время предпоч­тение отдается кессонным конструкциям сооружений островного типа. В качестве кессонов могут использоваться бетонные блоки, стальные кольцевые конструкции с жесткой платформой или без нее. Для более глубоких вод име­ются проекты из отдельных кольцевых кессонов (рис. 1, вар. 8). Например, компанией «Эксон» разработана конструкция бетонного кони­ческого сооружения для глубин моря 18 - 36 м. Сооружение предназначено для работы в монолитных торосах с толщиной подводной части 23 м и надвод­ной - 7 м. Подводные льдины, надвигаясь на сооружение, движутся вверх по кони­ческой поверхности и ломаются. В целях применения этих конструкций на более глубо­ких акваториях компания «Эксон» предложила донную конструкцию, которая служит опорой конического сооружения, что дает возможность применить его на глубинах до 60 м.

Также предложена конструкция стационарной гравитационной бе­тонной платформы с кольцевым отбойным уст­ройством с целью защиты от воздействия айсбергов (рис. 1, вар. 7). Предполагается, что в случае столк­новения айсберга с платформой кольцевое отбойное устройство должно горизонтально переместиться по неподвижному основанию и кинетическая энергия должна быть поглощена за счет силы тре­ния, возникшей между платформой и отбойным устройством (коэффициент трения 0,55). Предполагается что после удара устройство дебалластируется, возвращается в исходное положение с помо­щью лебедок и вновь заполняется балластом. Сдвиг устройства, по мнению разработчиков, произойдет только после столкновения конструкции с айсбергом массой от 10 - 50 млн. т. Если устройство столкнется с айсбергом массой менее 10 млн. т, то устройство не сдвинется с места и погашение кинетической энер­гии произойдет за счет разрушения от соприкосновения его с острыми углами на по­верхности устройства. Предполагается что, в обоих случаях устройство должно погасить большие динамические на­грузки при столкновении с айсбергом и защитить платформу от разру­шения.

Еще предлагается конструкция платформы «Чейн-Стар», у которой ледовую нагрузку от айсбергов воспринимают якорные цепи, расходящиеся лучами. Цепи, по мне­нию фирмы, позволяют погасить кинетическую энергию и остановить айсберг на большом расстоя­нии от платформы. Цепи прикрепляются одним концом к якорям на морском дне, а дру­гим - к поглотителям энергии на верхней части платформы. Поглотители энергии сравни­тельно громоздкие и требуют специальной системы регулирования. Фирма «Скэнска» ре­комендует использовать цепную систему для защиты платформы, представляющей собой ступенчатый кессон. На кессон устанавливается верхнее строение на четыре колонны. При такой конструкции цепная система сможет остано­вить айсберг массой до 3,5 млн. т, движущийся со скоростью 3,7 км/ч.

Следует отметить, что в настоящее время разработан и предложен ряд техни­ческих решений в области конструкций морских стационарных сооружений, однако применяются они лишь в ограниченных районах: мелковод­ных зонах при­брежного льда, зоне арктического пакового льда и глубоководной зоне прибрежного льда в районе Канадских арктических островов, море Бофорта, а также на Сахалинском шельфе [3, 4, 10-13, 15, 23].

Пока не созданы надежные конструкции для ра­боты в акваториях с паковым льдом на глубинах более 20 м. Наиболее предпочтительными явля­ются стационарные сооружения кессонного типа, которые предлагается использовать в условиях пакового льда на водных глубинах до 60 м.

Одним из наиболее эффективных вариантов морских стационарных платформ ледового типа является МСП в виде монопода 8 (рис. 1).

Задачи при выборе типа МСП для работы ледовых условиях

При выборе типа МСП для работы в сложных ледовых условиях проектировщику необходимо решить следующие задачи [2, 4, 5, 6]:

1) изучение окружающей среды с целью получения достоверных сведений в конкретном районе предполагаемой установки сооружения (волнение, ветер, ледовая ситуация, грунтовые условия, сейсмичность);

2) выбор типа МСП;

3) изучить поведение конструкции в эксплуатационных и экстремальных условиях;

4) произвести экономические обоснования;

5) создание проектной документации.

Практическое использование МСП для работы в ледовых условиях Сахалинского шельфа

Платформа «Орлан» первоначально носила название «Glomar Beaufor sea I» (Гломар Бофорт Си I) и была построена в 1983-1984 гг. в Японии. В 1984 г. платформа была отбуксирована и установлена в море Бофорта (США, штат Аляска). Платформа эксплуатировалась в море Бофорта в качестве установки разведочного бурения. В результате ее эксплуатации было практически доказано, что конструкция платформы приспособлена для круглогодичной эксплуатации в суровых арктических условиях. Платформа обладает большим опытом работы в условиях льдов и соответствует самым высоким стандартам безопасности и охраны окружающей среды. В период с 1984 по 1997 г платформой пробурено 6 разведочных скважин [14, 15].

Компания «Эксон Нефтегаз Лимитед» (ЭНЛ) приобрела у компании «Global Marine Drilling» буровую платформу «Glomar Beaufort Sea I» и назвала ее «Орлан» для того чтобы использовать ее в проекте «Сахалин-1». Для участия платформы в проекте «Сахалин-1» платформа была переоборудована на ОАО «Амурском судостроительном Заводе» из разведочной в добывающую [15, 16].

Платформа относится к буровым установкам типа CIDS (CIDS – сталебетонная буровая установка на искусственном основании), которая к тому же является мобильной оффшорной буровой установкой (MODU - mobile drilling offshore). Платформа предназначена для оффшорного бурения в суровых арктических условиях на глубинах 10.7 - 16.8 м [14-16].

Американское Бюро Судоходства классифицировало эту платформу как - железобетонная погружная буровая платформа арктического типа с присвоением класса Буровая установка А1 (кессонного типа), ледовый класс IАА. По отечественной классификации платформа "Орлан" - это погружная ЖББП (ЖББП – железобетонная буровая платформа) арктического типа [14, 16].

В результате объемной работы проведенной ОАО «АСЗ» в г. Комсомольске-на-Амуре, на платформе «Орлан» были установлены следующие компоненты: вентиляционная стрела, технологический модуль, модуль инженерного оборудования, модуль устьевогооборудования, вертолетная площадка, аварийно-спасательные средства. На платформе модификации подверглись: жилой модуль, система подачи забортной воды, грузовой кран и палубные баржи [17-21].

Комплексное проведение буровых работ на платформе можно одновременно обеспечивать с помощью 8 нефтедобывающих скважин, 5 газонагнетательных скважин, 1 скважина для удаления отходов бурения и 6 скважин для использования на последующих стадиях проекта [17-21].

Платформа была успешно транспортирована и установлена на постоянное место эксплуатации на месторождении Чайво (рис. 2) по проекту «Сахалин 1» (рис. 3) [16].

Рис. 2 - Месторождение Чайво Рис. 3 – Проектный вид МСП «Орлан»

МСП «Моликпак» - Ледостойкая платформа приобретенная компанией «Sakhalin Energy». Ранее с 1984 года платформа эксплуатировалась в Канаде, в море Бофорта. Изначально платформа была предназначена для разведочного бурения, была установлена на глубине 15 м. [23].

Платформа «Моликпак» (ПА-А) была установлена на Астохской площади Пильтун-Астохского месторождения в Охотском море в сентябре 1998 года в рамках проекта «Сахалин-2», в 16 км от побережья, глубина моря в месте установки составляет 30 м (рис. 4, 5). До осени 2008 года она являлась главным объектом производственно-добывающего комплекса «Витязь». «Моликпак» представляет собой модернизированную буровую платформу ледового класса. Название «Моликпак» означает «большая волна» на языке эскимосов северной Канады, где эта платформа базировалась раньше (в море Бофорта). В 1998 году к основанию платформы «Моликпак» было добавлено 15-метровое промежуточное стальное основание, чтобы установить ее в более глубоких водах у острова Сахалин.

Для того чтобы установить платформу на шельфе на глубину более 30 метров необходимо было поднять платформу на нужную высоту над уровнем моря, было принято решение нарастить под ее основание стальную «юбку». После переоборудования его в буровой и технологический комплекс, доставлен и установлен на шельфе северо-восточной части Сахалина в точке с координатами: 52° 42' 58" северной широты и 143 33' 58" восточной долготы, на глубине 30 метров, в 16-ти км от берега. Платформа установлена на стальной подставке, возвышающейся на 15 м над дном, заменяющей грунтовую берму.

Размеры платформы в плане 111x111 м, высота корпуса - 29 м (посадочная глубина -15 м, высота палубы 14 м). Размеры стильной подставки - 110х110х15 м.

Перед установкой платформы потребовалось сооружение котлована под ее основание с выемкой 125 тыс. м³ грунта на глубину до 6,5 м в центральной части котлована. Котлован был засыпан песчано-гравийным грунтом, добываемым на площади разведанного карьера №1, прилегающей к точке размещения платформы (около 160тыс.м³). После посадки платформы на установленное на грунтовую подушку основание, ядро ее балластируется песком. Для заполнения ядра кессона потребуется около 190 тыс.м³ песка, добываемого на площади разведанного карьера № 2 в четырех километрах к северо-западу от платформы [24].

«Моликпак» состоит из кессона, центр которого заполнен песком, обеспечивающим эффективное закрепление платформы на морском дне. Основные рабочие зоны закрыты, в них предусмотрен контроль температуры и вентиляции. Оборудование, расположенное на открытом воздухе, оснащено средствами защиты от обледенения и низких температур. Жилые помещения рассчитаны на 134 постоянных и 30 сезонных рабочих. На платформе «Моликпак» применялся метод бурения с расширенным радиусом охвата отклоненных скважин с максимальным горизонтальным отклонением до 6 км и максимальной глубиной скважин до 6650 м.

Рис. 4 - Пильтун-Астохское Рис. 5 - Платформа «Моликпак»

месторождение

Уникальность платформы еще и в том, что до ее появления на Сахалине работали самоподъемные буровые установки, с помощью которых были открыты практически все морские месторождения островного шельфа. Но эти установки предназначены только для поиска, оценки и разведки углеводородов и могут работать лишь в навигационный период.

Литература:

1. ПРАВИЛА классификации, постройки и оборудования плавучих буровых установок (ПБУ) и морских стационарных платформ (МСП). – Санкт-Петербург: Российский Морской Регистр Судоходства, 2001г

2. Интернет-ресурс: Специальный проект гильдии экологов. Все о бурении скважин - http://infoburenie.narod.ru/burenie.html.

3. Морские инженерные сооружения. Ч. I. Морские буровые установки: Учебник / Р.В. Борисов, В.Г. Макаров, В.В. Макров, В.С. Никитин, А.С. Портной, А.С. Симоненко, В.Ф. Соколов, И.В. Степанов, О.Я. Тимофеев; под общ. ред. В.Ф. Соколова. – СПб.: Судостроение, 2003 г., 535 с.

4. Пронкин А.П., Хворостовский И.С., Хворостовский С.С. Морские буровые моноопорныен основания. Теоретические основы проектирования и эксплуатации. – М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2002, с. 303.

5. Симаков Г.В., Шхинек К.Н., Смелов В.А., Марченко Д.В., Храпатый Н.Г. Морские гидротехнические сооружения на континентальном шельфе. Л.: судостроение, 1989г.

6. Скрыпник С.Г. Техника для бурения нефтяных и газовых скважин. М.: Недра, 1989г.

7. Арктические основания экономичной конструкции (фирма «Скенска», Шве­ция) – Нефть, газ и нефтехимия за рубежом. № 3, 1985,. с. 28-29.

8. Крел Н. У., Буслов В. М. (Проекты разработок и эксплуатации арктических месторождений (фирма «Браун и Рут», США). – Нефть, газ и нефтехимия за рубежом, 1983, № 8, с. 63-68; №111, с. 46-48; № 12, с. 54-56; 1984, № 2, с. 51-53.

9. Буслов В.М., Карзан Д.И. Глубоководные стационарные платформы, конструкции и классификация (Фирма «Браун и Рут», США).– Нефть, газ и нефтехимия за рубежом, 1985, №10, с. 82-85; №3, с. 47-57.

10. Ажермачев Г.А. Особенности проектирования железобетонных морских платформ для условий Арктики. / Технология судостроения № 9, 1990 г, с. 26-27.

11. Потапов В.М. Особенности создания плавучих буровых установок для эксплуатации в условиях северных и дальневосточных морей. / Технология судостроения № 9, 1990 г, с. 21-24.

12. Картамышев П.И., Благовидов Л.Б., Морозов Е.П, Перец Н.Я. Перспективные направления проектирования и строительства морских стационарных платформ. / Технология судостроения № 9, 1990 г, с. 24-26.

13. Берникер Я.С., Рыжаков Н.Н. Состояние основных конструктивных решений морских стационарных платформ, работающих в условиях ледовых воздействий. М.: ВНИИЭгазпром, 1985 г., с. 74.

14. Технический паспорт платформы «Орлан». 01-0581wo1 Orlan (CIDS) Technical Passport, 2001 г.

15. Тарануха Н.А., Журбин О.В., Чижиумов С.Д., Журбина И.Н. Численное моделирование прочности и гидродинамики океанотехники. - Владивосток: Дальнаука, 2009 г. – 340 с.

16. Интернет-ресурс: Экологическая вахта Сахалина - http://www.sakhalin.еnviron-ment.ru.

17. Серьезный проект требует должного отношения. / газета «Амурец», 2003 г., № 41, с. 3.

18. Сахалинские проекты: опыт и перспективы. / газета «Амурец», 2003 г., № 58, с. 2.

19. Проект «Орлан»: Анализ пройденного. / Газета «Амурец», 2004 г., № 29, с. 2-3.

20. «Орлан» улетел в Корею для установки бурового оборудования. / «Нефть и капитал», 2004 г., VII-VIII, с. 29-32.

21. Сахалин / Региональное приложение № 11 к журналу «Нефть и капитал», 2003 г., XI, ,с. 4-64.

22. Носков Б.Д. Сооружения континентального шельфа. - М.: МИСИ, 1986 г., с. 303.

23. Интернет-ресурс: Буровой добычной комплекс "Моликпак" - http://www. Sakha-lin.environment.ru/oil/ekoekspert/geeprojekt/zak.php.

24. Интернет-ресурс: Платформа «Моликпак». 10 лет на шельфе Сахалина - http:// www.setcorp.ru/main/pressrelease.phtml?news_id=19193.