Результат интеллектуальной деятельности: Самоподъемная буровая ледостойкая установка

Изобретение относится к морским инженерным сооружениям (морским платформам), а именно к конструкциям ледостойких самоподъемных плавучих буровых установок, предназначенным для бурения нефтяных и газовых скважин на шельфах замерзающих морей.

Известна «Усовершенствованная самоподъемная буровая установка или аналогичные буровые платформы» (см. RU №2386747, МПК E02B 17/00, 2010 г.), которая может эксплуатироваться в более жестких условиях окружающей среды в течение продолжительного времени при ухудшенной обстановке в море и при действии льда и имеет удерживающие устройства на грунте в виде свай и ледокольные устройства.

Недостатком данного технического решения является применение ледокольного устройства, выполненного в виде тяжелых объемных металлических конструкций, подвешенных с помощью цепей или тросов вблизи или на уровне ватерлинии вокруг или вблизи опор самоподъемной буровой установки, которые могут быть приморожены к самим опорам, препятствующих демобилизации самоподъемной установки в ледовых условиях. Изготовление дополнительного корпуса в виде плавучей водонепроницаемой подушки потребует дополнительных затрат на строительство самоподъемной буровой установки.

Известна также самоподъемная буровая ледостойкая установка, содержащая корпус с жилыми и служебными помещениями, оборудованием и системами обеспечения эксплуатации, не менее трех опор, выполненных как ферменные конструкции, с возможностью выдвижения из корпуса через порталы, с опиранием на донный грунт и подъемом корпуса над водой, снабженные основаниями, буровую вышку, расположенную на корпусе, с зоной бурения, проходящей через одну из опор и снабженной буровыми колоннами, при этом основание опоры, охватывающей зону бурения, выполнено как райзерное основание, причем опоры снабжены ледовыми дефлекторами, выполненными в виде обечаек с положительной плавучестью и с возможностью возвратно-поступательного скольжения вдоль опор и через их порталы и фиксации на них, с образованием замкнутой полости вокруг опор на уровне ватерлинии, которая выполнена с возможностью подачи в нее нагретой рабочей жидкости из корпуса (см. RU № 2536726, МПК E21B 15/02, 2014 г.).

Недостатком данного технического решения является то, что не обеспечивается безопасная эксплуатация буровой установки в зимний период из-за вероятного возникновения ситуации, при которой ледовый массив после разрушения может воздействовать на опорные колоны выше или ниже ледового дефлектора с воздействием на элементы ферменной конструкций опор с последующим смерзанием воды в полости обечайки дефлектора, что исключает быструю демобилизацию платформы при возникновении экстренной ледовой обстановки. Кроме того, буровой став остается открытым для прямого воздействия льда, что повышает вероятность его вывода из строя, при этом ледовые дефлекторы воспринимают сжимающую нагрузку ото льда, т.к. их стенки являются вертикальными, что вызывает значительные напряжения в элементах защитной конструкции, а также вибрационные нагрузки при разрушении ледового поля от взаимодействия со стенками дефлекторов.

Задача настоящего изобретения заключается в продлении периода безопасной эксплуатации буровой установки и обеспечении ее оперативной эвакуации, при необходимости.

Технический результат, проявляющийся при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении конструктивной ледовой защиты, увеличении навигационного периода эксплуатации в условиях ледовой обстановки, уменьшении абразивного воздействия льда на поверхность несущих элементов ферменных конструкций опорных колон самоподъемной буровой установки, в уменьшении времени на освобождение колонн ото льда для обеспечения их подъема при необходимости экстренной эвакуации платформы.

Поставленная задача достигается тем, что самоподъемная буровая ледостойкая установка, содержащая корпус с жилыми и служебными помещениями, оборудованием и системами обеспечения эксплуатации, при этом корпусу придана положительная плавучесть, он снабжен не менее чем тремя опорами, выполненными как ферменные конструкции, с возможностью выдвижения из корпуса через порталы, с опиранием на донный грунт и подъемом корпуса над водой, снабженные основаниями, буровую вышку, расположенную на корпусе, с зоной бурения, проходящей через одну из опор и снабженной буровыми колоннами, при этом основание опоры, охватывающей зону бурения, выполнено как райзерное основание, причем опоры снабжены ледовыми дефлекторами, выполненными в виде обечаек с положительной плавучестью и с возможностью возвратно-поступательного скольжения вдоль опор через их порталы и фиксации на них, с образованием замкнутой полости вокруг опор на уровне ватерлинии, которая выполнена с возможностью подачи в нее нагретой рабочей жидкости из корпуса, отличается тем, что ледовые дефлекторы выполнены в форме обечайки, которая в районе переменных ватерлиний снабжена льдоразрушающей насадкой, образованной конусными объемами, состыкованными большими основаниями, причем угол наклона образующих конусов к их большему основанию составляет α = 45°-60°, при этом высота конусов не менее половины диапазона высот переменной ватерлинии, причем длина ледового дефлектора превышает расстояние от палубы корпуса до нижнего уровня района переменных ватерлиний, с заглублением ниже него не менее чем на высоту конуса, кроме того, ледовые дефлекторы снабжены герметичными закрытиями сверху, кроме того, буровая вышка размещена на корпусе, с возможностью перемещения от центра опоры, содержащей зону бурения, к центру корпуса, как минимум за пределы портала этой опоры.

Кроме того, днище корпуса буровой установки выполнено неплоским, например килеватым.

Кроме того, площадь сечения опоры, содержащей зону бурения, превышает площадь сечения остальных опор и райзерного основания.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».

Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение комплекса функциональных задач.

Признак «…ледовые дефлекторы выполнены в форме обечайки, которая в районе переменных ватерлиний снабжена льдоразрушающей насадкой…» обеспечивает повышенную стойкость дефлекторов и защищаемых ими опор к воздействию льда.

Признаки, указывающие, что льдоразрушающая насадка образована «конусными объемами, состыкованными большими основаниями, причем угол наклона образующих конусов к их большему основанию составляет α = 45°-60°», обеспечивают повышенную стойкость дефлекторов и защищаемых ими опор к воздействию льда и эффективное разрушение последнего.

Признаки, указывающие, что «высота конусов не менее половины диапазона высот переменной ватерлинии», обеспечивают эффективное разрушение льда при колебаниях положения переменной ватерлинии.

Признаки, указывающие, что «длина ледового дефлектора превышает расстояние от палубы корпуса до нижнего уровня района переменных ватерлиний, с заглублением ниже него не менее чем на высоту конуса», обеспечивают надежное изолирование от воздействия волн опор (в промежутке между поверхностью воды и днищем корпуса буровой установки), что исключает забрызгивание и заливание воды и ее замерзание в полости дефлекторов, с блокированием движения опор.

Признаки, указывающие, что «ледовые дефлекторы снабжены герметичными закрытиями сверху», обеспечивают возможность минимизации высоты столба воды в полости дефлектора и тем самым снижают риск замерзания воды в полости дефлекторов, даже без проведения мероприятий по ее подогреву.

Признаки, указывающие, что «буровая вышка размещена на корпусе, с возможностью перемещения от центра опоры, содержащей зону бурения, к центру корпуса, как минимум за пределы портала этой опоры», позволяют обеспечить возможность беспрепятственного подъема опор после удаления бурового става и возможность проведения буровых работ после позиционирования платформы на грунте в точке бурения.

Признаки, указывающие, что «днище корпуса буровой установки выполнено неплоским, например килеватым», упрощают буксировку платформы к месту установки, особенно при волнении.

Признаки, указывающие, что «площадь сечения опоры, содержащей зону бурения, превышает площадь сечения остальных опор и райзерного основания», упрощают процедуры, связанные с выполнением буровых работ и извлечением бурового става, и, кроме того, снижают риск разрушения колонны, содержащей зону бурения при названных работах.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».

Сущность заявляемой самоподъемной буровой установки поясняется чертежами, где:

- на фиг. 1 схематически показан изометрический вид самоподъемной буровой установки с опущенными опорами;

- на фиг. 2 схематически показан изометрический вид самоподъемной буровой установки с поднятыми опорами;

- на фиг. 3 изображен вид сверху самоподъемной буровой установки и поперечный разрез через центр райзерной опоры, самоподъемной буровой установки при транспортировке;

- на фиг. 4 показана схема самоподъемной буровой установки в ледовых условиях;

- на фиг. 5 показана схема самоподъемной буровой установки при буксировке.

На чертежах показаны корпус 1 с днищем 2, две первые опоры 3 с основаниями 4 и третья опора 5 с райзерным основанием 6, порталы 7 и 8, буровая вышка 9, зона бурения 10, буровые колоны 11, ледовые дефлекторы 12, их замкнутые полости 13, льдоразрушающие насадки 14 и герметичные закрытия 15, палуба 16, направляющие 17 буровой вышки 9. Кроме того, показаны донный грунт 18 и уровень переменной ватерлинии 19, лед 20, продольная ось 21 корпуса 1.

Корпус 1 выполнен с положительной плавучестью и разделен переборками на внутренние отсеки, в которых размещены жилые и служебные помещения, оборудование и системы обеспечения эксплуатации, при этом его палуба выполнена плоской, а днище 2 имеет килеватость или другую форму, отличающуюся от плоскости для уменьшения площади контакта и облегчения процесса разрушения днищем ледового поля между колонами при демобилизации платформы в ледовых условиях. Конструкция корпуса 1 обладает достаточной прочностью и обеспечивает безопасную транспортировку (буксировку/переход) буровой установки в ледовых условиях.

Корпус 1 снабжен не менее чем тремя опорами, выполненными как ферменные конструкции, с возможностью выдвижения из корпуса через порталы (при этом первые опоры 3 с основаниями 4 проходят через порталы 7, третья опора 5 с райзерным основанием 6 проходит через портал 8). Они могут быть оперты на донный грунт 18, соответственно, своими основаниями 4 и райзерным основанием 6. Буровая вышка 9 расположена на палубе корпуса 1, с возможностью размещения над зоной бурения 10, проходящей через третью опору 5 и снабженной буровыми колоннами 11 (с возможностью перемещения от центра опоры 5 к центру корпуса 1, как минимум за пределы портала 8 этой опоры).

Опоры 3 и опора 5 снабжены ледовыми дефлекторами 12, выполненными в виде обечаек с положительной плавучестью (за счет конструктивно оформленных двойных стенок в виде балластных цистерн с образованием замкнутой полости для подачи в нее внешнего теплоносителя с корпуса по гибким трубопроводам для защиты буровых колонн от образования льда в период отрицательных температур). Ледовые дефлекторы 12 установлены с возможностью возвратно-поступательного скольжения вдоль опор и через их порталы и фиксации на них, с образованием замкнутой полости вокруг опор на уровне переменной ватерлинии 19. Полость ледовых дефлекторов 12 выполнена с возможностью подачи в нее нагретой рабочей жидкости из корпуса 1. При этом обечайки ледовых дефлекторов 12, в районе переменных ватерлиний 19, снабжены льдоразрушающими насадками 14, образованными конусными объемами, состыкованными большими основаниями, причем угол наклона образующих конусов к их большему основанию составляет α = 45°-60°. Причем высота конусов составляет не менее половины диапазона высот переменной ватерлинии 19, а длина ледового дефлектора 12 превышает расстояние от палубы корпуса 1 до нижнего уровня района переменных ватерлиний 19, с заглублением ниже него не менее чем на высоту конуса. Ледовые дефлекторы 12 снабжены герметичными закрытиями 15 сверху, например, в виде надувных камер, одна из которых, размещаемая внутри опоры, выполнена как подушка прямоугольного сечения, а вторая - в виде уплощенной подушки, размещаемой в зазоре между опорой и поверхностью полости ледового дефлектора 12, причем названные подушки выполнены с возможностью подключения к источнику сжатого воздуха.

Расчеты показывают, что при использовании дефлекторов в виде конической формы при углах конуса α = 60°-45° горизонтальная составляющая ледовых нагрузок от ровного льда 20 снижается соответственно в 2-3 раза, а от торосистых льдов - соответственно в 3-5 раза, по сравнению с дефлекторами цилиндрической формы.

Самоподъемная буровая установка работает следующим образом.

При подготовке к транспортировке буровой установки буровую вышку 9 смещают вдоль продольной оси 21 корпуса 1 к его центру (в его среднюю часть) для обеспечения беспрепятственного поднятия третьей опоры 5 с райзерным основанием 6. Ледовые дефлекторы 12 также поднимают для уменьшения сопротивления движению платформы при ее буксировке. В случае попадания установки в штормовые условия опоры 2 и 3 и дефлекторы 12 могут быть заглублены до безопасного уровня по глубине моря с целью понижения центра тяжести буровой установки и, соответственно, обеспечения дополнительной остойчивости установки на волнении, а также для уменьшения изгибающих моментов от сил инерции при качке, возникающих в опорах платформы, за счет уменьшения плеча приложения сил.

Транспортировка самоподъемной буровой установки к месту эксплуатации выполняется с поднятыми опорами 3 и 5 и поднятыми ледовыми дефлекторами 12, буровая вышка 9 находится в положении, не препятствующем поднятию райзерного основания 6 и дефлектору 12, размещенному на третьей опоре 5.

Размещение самоподъемной буровой установки на месте эксплуатации происходит за счет опускания до уровня донного грунта 18 оснований 4 и 6, соответственно, первых опор 3 и 4 и третьей опоры 5. В ходе опускания их до донного грунта 18 происходит задавливание оснований 4 и 6 в грунт, которое может быть различным для всех оснований. Далее, известным образом, осуществляют подъем корпуса 1 на опорах 3 и 5, до уровня выше уровня волновых воздействий, а дефлекторы 12 опускаются вдоль соответствующих опор в положение до уровня ватерлинии таким образом, чтобы конусная часть дефлекторов 12 была на уровне ожидаемой зоны образования льда в период отрицательных температур. При эксплуатации платформы в рабочем положении при положительных температурах окружающей среды ледовые дефлекторы 12 должны быть подняты над ватерлинией для уменьшения гидродинамического воздействия от волновых нагрузок моря.

Далее буровую вышку 9 смещают вдоль продольной оси 21 корпуса 1 так, чтобы она оказалась над центром райзерной опоры 6 (над зоной бурения 10). После этого формируют буровую колону 11, известным образом наращивая ее и опуская к донному грунту 18. Перед демобилизацией платформы посредством буровой вышки 9 демонтируют буровую колону 11, после чего буровую вышку 9 по направляющим 17 перемещают от центра опоры 5 для обеспечения возможности беспрепятственного ее поднятия и поднятия ее дефлектора 12 в положение «по походному».

Демобилизация самоподъемной буровой установки производится в порядке, обратном при ее размещении на месте эксплуатации.