Результат интеллектуальной деятельности: Самоподъемная морская буровая установка для эксплуатации на мелководных акваториях с сезонным ледовым покрытием

Изобретение относится к гидротехническим устройствам, в частности к передвижным морским буровым установкам, и может быть использовано при строительстве скважин на нефть и газ на мелководных акваториях с сезонным ледовым покрытием.

Известна самоподъемная плавучая буровая установка (СПБУ) для строительства поисково-разведочных скважин в акваториях с глубиной до 200 м, состоящая из двух основных частей: верхнего строения, выполненного в виде понтона, обладающего плавучестью, и, по меньшей мере, трех вертикальных опор, расположенных по углам верхнего строения (Бородавкин П.П. Морские нефтегазовые сооружения: Учебник для вузов. Часть 1. Конструирование. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2006. - С. 102-104).

Самоподъемные плавучие буровые установки имеют большие преимущества перед стационарными морскими нефтегазовыми сооружениями в том, что они мобильны, благодаря наличию верхнего строения, выполненного в виде плавающего понтона, легко транспортируются при помощи буксиров на новую точку бурения поисково-разведочных и эксплуатационных (с использованием блок-кондуктора) скважин.

Однако эти самоподъемные плавучие буровые платформы в рабочем положении, опирающиеся на дно моря, не предназначены для работы в ледовых условиях, при которых вертикальные опоры ферменной конструкции испытывают максимально возможные горизонтальные нагрузки ото льда на поверхности моря. Процесс взаимодействия СПБУ и наваливающегося на него льда определяется соотношением прочности и устойчивости опор СПБУ и прочностными характеристиками льда в зависимости от характера разрушения льда. Вертикальные опоры СПБУ в силу своих функциональных и конструктивных особенностей не имеют ледовой защиты и обусловливают максимально возможные горизонтальные нагрузки на них от льда, в результате которых возможен срез опор или опрокидывание буровой платформы. Таким образом, серьезным недостатком данного типа самоподъемной буровой установки является ограниченное применение в мелководных акваториях, подверженных сезонному ледовому покрытию, вынужденный простой в зимний период времени (с ноября по апрель-май месяцы), потери дохода бурового подрядчика.

Известна морская многоопорная платформа, содержащая ледокольные устройства, каждое из которых выполнено в виде усеченного конуса, большие основания которых установлены на смежных опорах, и направлены в противоположные стороны с возможностью одновременного вращения и встречного возвратно-поступательного перемещения относительно опор (АС №1048041 СССР, МКИ Е02В 15/02 от 12.05.1982).

Однако при относительной простоте морской многоопорной нефтегазовой платформы, содержащей ледокольные устройства, она может быть использована только в стационарном положении, а устройство для разрушения ледового покрытия в море не может быть применено на мобильных самоподъемных буровых установках, снабженных, по меньшей мере, тремя опорами, выполненных в виде ферм и имеющих жестко закрепленные зубчатые рейки на гранях ферм для подъема и опускания опор СПБУ на дно моря с помощью приводных механизмов.

Известна самоподъемная буровая установка ледового класса для бурения на нефть и газ в потенциально ледовых условиях на прибрежных морских акваториях, принятая за прототип, содержащая плавучий корпус, имеющий относительно гладкую палубу в своей верхней части и выгибающую лед форму в своей нижней части, проходящую вниз и внутрь вокруг периметра корпуса, причем выгибающая лед форма проходит от зоны корпуса вблизи уровня палубы и проходит вниз к зоне вблизи днища корпуса; участок ледового дефлектора, проходящий вокруг периметра днища корпуса для направления льда вокруг корпуса и не под корпус; по меньшей мере, три вертикальные опоры, установленные внутри периметра днища плавучего корпуса, при этом опоры выполнены с возможностью подъема от морского дна для осуществления буксировки буровой установки через мелководье и также выдвижения к морскому дну и дополнительного выдвижения для подъема корпуса частично или полностью из воды; устройство самоподъема, соединенное с каждой опорой, как для подъема опоры от морского дна, чтобы самоподъемная буровая установка ледового класса могла плавать благодаря плавучести корпуса, так и выталкивания опор вниз к морскому дну и выталкивания корпуса полностью из воды, когда лед отсутствует; и газовую систему перемешивания для перемешивания воды вблизи опор и предотвращения ледообразования в зоне расположения опор (патент №2571782 РФ, МПК Е02В 17/00 от 21.10.2011).

Однако известная самоподъемная буровая установка ледового класса, принятая за прототип, имеет недостаточную эффективность разрушения льда дефлектором и предотвращения ледообразования под корпусом самоподъемной буровой установки и в зоне расположения вертикальных опор вследствие низкой эффективности предотвращения ледообразования под корпусом самоподъемной буровой установки и в зоне расположения вертикальных опор, которая обеспечивается газовой системой перемешивания воды вблизи опор и уменьшения проблем ото льда вблизи опор.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение надежности и прочности плавучего корпуса, эффективности разрушения льда дефлектором, упорядоченный вывод разрушенного льда из-под корпуса и за его пределы, предотвращения ледообразования под корпусом самоподъемной буровой установки и в зоне расположения вертикальных опор мобильной самоподъемной буровой установки, а также их защиты от надвигающегося льда.

Для достижения указанного технического результата в самоподъемной морской буровой установке ледового класса, содержащей плавучий корпус, имеющей относительно гладкую палубу в своей верхней части и выгибающую лед форму в своей нижней части, проходящую вниз и внутрь вокруг периметра корпуса, причем выгибающая лед форма проходит от зоны корпуса вблизи уровня палубы и проходит вниз к зоне вблизи днища корпуса; участок ледового дефлектора, проходящий вокруг периметра днища корпуса для направления льда вокруг корпуса и не под корпус; по меньшей мере, три вертикальные опоры, установленные внутри периметра днища плавучего корпуса, при этом опоры выполнены с возможностью подъема от морского дна для осуществления буксировки самоподъемной плавучей буровой установки по морю и также выдвижения к морскому дну и дополнительного выдвижения для подъема корпуса частично или полностью из воды; устройство самоподъема, соединенное с каждой опорой, как для подъема опоры от морского дна, чтобы самоподъемная буровая установка ледового класса могла плавать благодаря плавучести корпуса, так и выталкивания опор вниз к морскому дну и выталкивания корпуса полностью из воды, когда лед отсутствует; и газовую систему перемешивания для перемешивания воды вблизи опор и уменьшения проблем ото льда вблизи опор, согласно изобретению, участок ледового дефлектора выполнен с некоторым утолщением (усилением) в центре корпуса, образующим слегка наклонную его поверхность к периферии корпуса, имеющую, по меньшей мере, три радиальных канала, равномерно направленных от центра корпуса с окружностью 3…5 м до периферийной части корпуса, и дополнительно снабжен множеством металлических пирамид, основания которых жестко закреплены на слегка наклонной поверхности ледового дефлектора, а острые вершины пирамид направлены вниз к ледовой поверхности, причем в центре утолщенного дефлектора жестко закреплена своим основанием металлическая пирамида, высота которой в 1,5-3 раза превышает высоту остального множества пирамид.

При этом радиальные каналы не содержат множество пирамид, жестко закрепленные своим нижним основанием к слегка наклонной поверхности ледового дефлектора, ширина радиальных каналов составляет от 1 до 3 м, а глубина колеблется в интервале от 0,2 до 0,5 м.

Угол наклона ледового дефлектора от центра до периферийной части корпуса составляет 5°…8°, который обеспечивает упорядоченное выдавливание разрушенного льда из под корпуса самоподъемной морской буровой установки за его пределы в акваторию моря.

Кроме этого, на палубе самоподъемной морской буровой установки дополнительно установлен парогенератор, снабженный термоизолированными трубопроводами, оканчивающимися выходными штуцерами, установленными у каждой вертикальной опоры самоподъемной морской буровой установки в подводной части моря на глубине от 0,4 до 1,0 м с возможностью изменения глубины погружения штуцеров и их месторасположения по высоте вертикальных опор.

Отличительными признаками предлагаемой самоподъемной морской буровой установки от указанной выше известной, наиболее близкой к ней, являются усиление участка ледового дефлектора путем выполнения его с некоторым утолщением (усилением) в центре корпуса, образующим слегка наклонную его поверхность к периферии корпуса, имеющим, по меньшей мере, три радиальных канала от центра корпуса с окружностью 3…5 м до периферийной части корпуса и дополнительно снабжен множеством металлических пирамид, основания которых жестко закреплены на слегка наклонной поверхности дефлектора, а острые вершины пирамид направлены вниз к ледовому покрытию, причем в центре утолщенного дефлектора жестко закреплена своим основанием металлическая пирамида, высота которой в 1,5-3 раза превышает высоту остального множества пирамид. При этом радиальные каналы не содержат множество пирамид, жестко закрепленные своим нижним основанием к слегка наклонной поверхности дефлектора, ширина радиальных каналов составляет от 1 до 3 м, а глубина колеблется в интервале от 0,2 до 0,5 м. Угол наклона ледового дефлектора от центра до периферийной части корпуса может изменяться от 5° до 8°, который обеспечивает упорядоченное выдавливание разрушенного льда из-под корпуса самоподъемной морской буровой установки за его пределы в акваторию моря.

Кроме этого, самоподъемная морская буровая установка содержит парогенератор, снабженный термоизолированным трубопроводом с выходными штуцерами, установленными у каждой вертикальной опоры в подводной части моря на глубине от 0,4 до 1,0 м, с возможностью изменения глубины погружения штуцеров и их месторасположения по высоте вертикальных опор.

Замена газовой (воздушной) системы перемешивания воды вблизи опор СПБУ в прототипе на перегретый пар, вырабатываемый парогенератором, обеспечивает эффективную защиту несущих опор СПБУ от надвигающегося льда.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана заявляемая самоподъемная морская буровая установка на плаву в транспортном положении (вид сбоку); на фиг. 2 - самоподъемная морская буровая установка в рабочем состоянии с опорой на дно моря; на фиг. 3 - вид А фиг. 1.

На фиг. 3 не показано множество металлических пирамид 11 и центральная металлическая пирамида 17.

Заявляемая самоподъемная морская буровая установка имеет верхнее строение, установленное на корпусе-понтоне 1, обеспечивающем плавучесть СПБУ на море. Корпус 1 образован главной палубой 2 и нижней плоскостью 3. На главной палубе 2 размещается основное буровое и энергетическое оборудование. Буровая вышка 4 установлена на консоли 5 корпуса 1. Корпус имеет сквозные отверстия 6 для перемещения опор 7, поднимаемые в транспортное и опускаемые в рабочее положение на дно моря 8 для бурения скважины специальным механизмом с зубчатыми колесами (на фигурах не показаны), входящие в зацепление с зубчатыми рейками, жестко закрепленными на гранях ферменных опор 7. Специальные механизмы на каждой из опор 7 приводятся в действие от электрического привода (на фигурах не показаны).

Участок ледового дефлектора 9 усилен путем выполнения его с некоторым утолщением в центре корпуса, образующим слегка наклонную его поверхность к периферии корпуса 1, имеющим, по меньшей мере, три радиальных канала 15 от центра корпуса с окружностью 3-5 м до периферийной части корпуса и дополнительно снабжен множеством пирамид 11, основания которых жестко закреплены на слегка наклонной поверхности усиленного дефлектора 9, а острые вершины пирамид 11 направлены вниз к ледовому покрытию, причем в центре усиленного дефлектора 9 жестко закреплена своим основанием пирамида 17, высота которой в 1,5-3 раза превышает высоту остального множества пирамид 11. При этом радиальные каналы 15 не содержат множество пирамид 11, жестко закрепленные своим нижним основанием к слегка наклонной поверхности дефлектора, ширина радиальных каналов 15 составляет от 1 до 3 м, а их глубина колеблется в интервале от 0,2 до 0,5 м. Угол наклона усиленного ледового дефлектора 9 от центра до периферийной части корпуса 1 может изменяться от 5° до 8°, который обеспечивает упорядоченное и направленное выдавливание разрушенного льда 14 из-под корпуса 1 самоподъемной морской буровой установки за его пределы в акваторию моря.

Работа самоподъемной морской буровой установки осуществляется следующим образом.

С помощью буксиров самоподъемную морскую буровую установку буксируют на плаву на точку намечаемого строительства скважины. С помощью специального механизма с зубчатыми колесами (на фигурах не показаны), входящими в зацепление с зубчатыми рейками, жестко закрепленными на гранях ферменных опор 7, опускают опоры 7 и закрепляют опорные кессоны 13 на дне 8 моря. При этом корпус - понтон 1 находится над водной поверхностью 10 моря с зазором, обеспечивающим безопасную работу СПБУ в условиях шторма. Проводят подготовительные работы к бурению скважины и приступают к ее строительству. Морские волны воздействуют только на опоры 7 и пропускают воды через свою ферменную решетчатую металлическую конструкцию.

Северный Каспий ежегодно покрывается неподвижным льдом. Зимой образование льда в мелководных районах Северного Каспия начинается в конце ноября - первой декаде декабря. К середине декабря льдом покрывается северо-восточная часть моря и мелководные районы северо-западной части, а в конце декабря полностью покрывается льдом весь Северный Каспий. Толщина льда достигает 40…70 см. Переменные штормовые ветры взламывают льды, образуя наслоения и торосы, превращают неподвижный ранее лед в плавучий, который дрейфует в основном по направлению ветра.

При сезонном образовании ледового покрытия в мелководной акватории моря в процессе бурения скважины для исключения негативного воздействия льда на СПБУ и исключения аварийных ситуаций, связанных с опрокидыванием СПБУ, с помощью специального механизма с зубчатыми колесами опускают корпус-понтон 1 верхнего строения СПБУ до контакта утолщенного (усиленного) ледового дефлектора 9 с ледовым покрытием. В этом положении основная нагрузка от массы с зубчатыми колесами СПБУ будет приходиться на опоры 7, а часть нагрузки разгружается на ледовое покрытие. Лед имеет высокую прочность на сжатие, находящуюся в пределах 4…12 МПа. При этом прочность льда на изгиб составляет от 0,3 до 0,5 МПа. Корпус 1 СПБУ спускается так, что имеющая уклон внутрь выгибающая лед поверхность дефлектора 9 перекрывает морскую поверхность 10 или линию раздела воды и льда для входа в контакт с любым плавающим льдом, который может подходить к СПБУ. При дальнейшей разгрузке корпуса 1 СПБУ путем его опускания на ледовое покрытие происходит растрескивание льда острыми вершинами множества пирамид 11, жестко закрепленных своими основаниями на поверхности слегка наклонной поверхности 12 утолщенного (усиленного) ледового дефлектора 9, разрушение сплошного льда и упорядоченный (направленный) вывод расколовшихся льдин 14 по меньшей мере по трем каналам 15 из-под корпуса 1 за его пределы в акваторию моря. Острые вершины 16 множества пирамид 11 и центральной пирамиды 17, жестко закрепленные своими основаниями к поверхности слегка наклонной поверхности 12 усиленного ледового дефлектора 9, под действием части массы СПБУ, разгруженной на ледовое покрытие, обеспечивают растрескивание сплошного льда и его разрушение под изгибающей нагрузкой от усиленного ледового дефлектора 9 на расколовшиеся льдины 14. Наличие на усиленном ледовом дефлекторе 9, установленном на нижней плоскости 3 корпуса 1, по меньшей мере, трех каналов 15 обеспечивает упорядоченное и направленное выведение расколовшихся льдин 14 за пределы периметра корпуса 1 СПБУ.

После разрушения ледового покрытия СПБУ с помощью специального механизма с зубчатыми колесами (на фигурах не показаны), входящими в зацепление с зубчатыми рейками, жестко закрепленными на гранях ферменных опор 7, поднимают корпус 1 над уровнем 10 моря с зазором, обеспечивающим безопасную работу СПБУ в условиях шторма и продолжают бурение скважины. При образовании нового льда под СПБУ цикл освобождения от него повторяется.

Для защиты опор 7 от надвигающегося ледового покрова СПБУ дополнительно снабжена парогенератором (на фигурах не показан) типа передвижной паровой установки ППУ 1900/100, используемой в нефтегазовой отрасли для депарафинизации скважин, подземного и наземного оборудования, а также подогрева трубопроводов и другого нефтепромыслового оборудования, который размещен на палубе 2 и вырабатывает перегретый пар с температурой до 300°С с производительностью 600…1900 кг/час. В период ледового покрытия поверхности моря парогенератор (на фигурах не показан) вырабатывает перегретый пар с температурой до 300°С, который по гибким трубопроводам (на фигурах не показаны), имеющим термоизоляцию, проложенным внутри опор 7, оканчивающимся штуцерами (на фигурах не показаны), устанавливаемым в подводную часть моря на глубине от 0,4 до 1,0 м в зону каждой опоры 7 самоподъемной морской буровой установки. Штуцера на гибких термоизолированных трубопроводах установлены с возможностью изменения глубины погружения штуцеров в морской воде и их месторасположения по высоте вертикальных опор 7. Перегретый пар, вырабатываемый парогенератором, подаваемый через термоизолированные трубопроводы, оканчивающиеся штуцерами на каждой опоре 7, размещенными в подводной части моря на глубине от 0,4 до 1,0 м, обеспечивает предотвращение образования льда в зоне опор 7 СПБУ и негативное воздействие льда на несущие элементы самоподъемной морской буровой установки.

Таким образом, комплексное воздействие периодического разрушения ледового покрытия под СПБУ усиленным ледовым дефлектором 13, снабженным множеством пирамид 11 и центральной пирамидой 17, упорядоченный и направленный вывод расколовшихся льдин по каналам 15 за пределы самоподъемной морской установки в совокупности с воздействием перегретого пара, вырабатываемым дополнительно установленным на палубе 2 СПБУ парогенератором, подаваемым через термоизолированные трубопроводы, оканчивающиеся штуцерами, размещенными под водой на глубине 0,4…1,0 м, обеспечивают круглогодичную эксплуатацию самоподъемной буровой установки на мелководных акваториях моря с сезонным покрытием льдом. При этом предлагаемое техническое решение повышает надежность и прочность плавучего корпуса, эффективность разрушения льда усиленным дефлектором, обеспечивает упорядоченный и направленный вывод разрушенного льда из-под корпуса СПБУ и за его пределы, предотвращение ледообразования под корпусом самоподъемной буровой установки и в зоне расположения вертикальных опор мобильной самоподъемной буровой установки, а также их защиту от надвигающегося льда.