Лекция № 10. Гравитационно-свайные МСП. Упругие башни.

Упругие МСП

Обычно при проектировании МСП статическую прочность конструкции рассчитывают на действие максимальных нагрузок, повторяющихся один раз в 100 лет, и производят поверочный расчет на динамические и циклические нагрузки.

Упругой башней называют относи­тельно тонкую стальную пространственную ферму из стержней с довольно равномерным по высоте расстоянием между горизон­тальными поясами.

К классу упругих башен относят находящуюся в эксплуата­ции в Мексиканском заливе на глубине 305 м МСП «Лена». Конструкция ее представляет собой ферму квадратного сечения со стороной квадрата 36,6 36,6 м, высотой 320 м и массой 21 тыс. т. В верхней части фермы имеется 16 опор диаметром 1220 мм, на которых установлено верхнее строение. Нижняя часть башни имеет 12 таких опор. В пределах верхней половины башни размещены 12 понтонов диаметром 6,1 м, длиной 36,6 м, обеспечивающие 9100 т плавучести. Понтоны стабилизируют платформу, уменьшают давление на фундамент, значительно об­легчают монтаж платформы и оттяжек.

Используя опыт эксплуатации МСП «Лена», фирма «Эксон» изучила шесть проектов глубоководных МСП, разработанных специалистами фирмы. Нагрузки от окружающей среды и гра­витационные, действующие на МСП «Лена», распределяются на сваи, оттяжки, инерционность конструкции и понтоны. Перерас­пределяя эти нагрузки на перечисленные узлы конструкции, можно достичь оптимального варианта решения конструкции. Например, вес палубы можно передать на сваи или компенси­ровать подъемной силой понтонов. Понтоны, кроме этого, ком­пенсирую горизонтальные силы, обеспечивая устойчивость платформы, уменьшают или полностью снимают нагрузки на оттяжки. Инерция основания увеличивает период боковых колебаний, снижает их амплитуду и соответственно снижает динамические на­грузки на оттяжки и сваи.

Рис. 24-Схема распределения нагрузок между основными элементами конструкции упругих башен

Разница в вариантах проектов упругих башен заключается в способах, которыми достигается заданный период колебаний, и оп­ределяется волновыми нагрузками, их воздействие перераспреде­лялось между основными элементами конструкции (рис. 25).

Гибкая башня рассматривалась как вариант обычной свайной ферменной конструкции, у которой основание закреплено, а жест­кость фермы уменьшена настолько, чтобы достигался большой пе­риод основных колебаний гибкого стержня.

Рис. 25-Схемы упругих платформ: ^ 1 — башня с оттяжками; 2 — плавучая башня; 3 — башня с оттяжками и жестким основанием; 4 — гибкая башня; 5 — упругая свайная башня; 6 — упругая свайная башня с жестким основанием

Период вторичных ко­лебаний должен быть небольшим, чтобы обеспечить стойкость к усталостным разрушениям. Под периодом основных колебаний гибкого стержня понимается период поперечных колебаний, а под периодом вторичных колебаний гибкого стержня — период изгибных колебаний.

Рис. 26-Крепление свай к опорам платформы: ^ 1 — свая, приваренная к направляющей втулке; 2 — свая свободно проходит через направляющую втулку; 3 — узел крепления направляющей втулки к главной опоре; 4 — нижняя удлиненная направляю­щая втулка

Период поперечных ко­лебаний задавался 25 с. Максимальный период изгибных колеба­ний выбирался около 7 с. При этом обеспечивалась стойкость к усталостному разрушению в условиях Мексиканского залива.

Рис. 27-Схема платформы РВР: ^ 1 — палуба массой 30 тыс. т; 2 — крепление осевых свай на отметке 10 м; 3 — сочленение верхней и нижней секций (плоскость сочленения): 4 — балластные камеры; 5 — нижние понтоны; 6— верх­ние понтоны; 7 — 26 периферийных свай, воспринимающих горизонтальную нагрузку и работающих на срез; 8 — семь осевых свай; 9 — 20 опор переменного сечения

Башня (рис.27)общей высотой 372 м, прямоугольного сечения 58 44 м состоит из 20-ти опор переменного сечения 9 от 2012 мм в нижней части до 1524 мм в верхней части. Фундамент башни поднят над морским дном на 3 м. Башня состоит из двух секций. Верхняя секция длиной 155 м имеет 10 понтонов 6 размерами 14,6 80 м, и нижняя секция длиной 217 м имеет 6 понтонов размерами 14,6 20 м. Верхние понтоны расположены на 30 м ниже уровня моря. Они предотвращают колебания башни с периодом более 6 с. Десять балластных камер (понтонов) 4 размерами 14,6 20 снижают плавучесть всей платформы до нейтральной. Семь осевых свай ^ 8диаметром 1220 мм заглуб­лены на 110 м и возвышаются над морским дном на 360 м. Они привариваются к опорам башни на расстоянии 10 м от уровня моря 2. Количество и диаметр осевых свай выбраны из расчета обеспечения требуемой осевой жесткости, существенно снижа­ют период вертикальных колебаний, но не должны иметь зна­чительной жесткости при кручении.

26 периферийных свай диаметром 2134 мм воспринимают гори­зонтальные нагрузки и работают на срез. Они заглублены в мор­ское дно на 50 м. Расчетный период собственных колебаний башни по оси х составляет 65,2 с и по оси у — 52,2 с, что значительно боль­ше возможного периода волн. Первый период изгибных колебаний по обеим осям менее 4 с, что указывает на невозможность динами­ческой раскачки, так как волны с периодом менее 6 с большую на­грузку не создают.

При максимальной штормовой нагрузке высота волн достигает 30 м, период волн 15 с, скорость течения меняется от 1,2 до 0,6 м/с у дна, скорость ветра на палубе 40 м/с. При минимальных скоростях ветра и течения башня отклоняет­ся от вертикали на 1,12° и при волнении — на 2,52° (это такие же отклонения, что и у башни «Лена»).

Максимальные перемещения фундамента башни 680 мм. С уче­том этого для изготовления башни рекомендуется использовать сталь с пределом текучести 346 МПа. На уровне дна в сва­ях возникают более высокие на­пряжения, и для свай рекомен­дуется сталь с пределом теку­чести 438 МПа. Секции башни транспортируются на место установки и собираются в го­ризонтальном положении.

^ Гравитационно-свайные МСП не сдвигаются с места уста­новки благодаря не только собственной массе конструкции, но и за счет дополнительного крепления сваями опорной их части к морскому дну. МСП этого типа бывают различных конструкций, как по конфигурации сооружения, так и сочетанию применяемых материалов.

Гравитационно-свайные основания на глубине более 300 м в большинстве случаев представляют собой форму треноги. Кон­струкция опорной части состоит из центральной колонны большо­го диаметра, поддерживаемой тремя наклонными опорами.

Колонны могут быть в виде сплошных металлических цилиндров больших диаметров или элементов ферменной конструкции. Например, в конструкции проекта «Трипод тауэр платформ» цен­тральная колонна диаметром 15 м поддерживается тремя наклон­ными колоннами диаметром 8 м. Толщина стенок всех колонн 160 мм.

Центральные колонны и боковые наклонные опоры в средней части связываются горизонтальными элементами жесткости и раскосами. Конструкция МСП устанавливается на четыре дон­ных фундамента, закрепленных сваями и связанных между собой А-образной стальной рамой.

В проекте «Хайлант» центральная ферма-опора укреплена тремя боковыми наклонными фермами. Сечение всех ферм тре­угольное. Каждый силовой элемент изготовляется отдельным бло­ком. Масса центральной фермы 10 тыс. т, опор —4,5—5 тыс. т. На палубе предусматривается установка технологического обо­рудования массой 24 тыс. т и 16 направляющих колонн диамет­ром 712 мм. Масса основных конструкций 31 тыс. т, свай — 20 тыс. т. Расстояние от основной центральной фермы до основания опор 110м.

Опоры крепятся к центральной ферме на глубине от 40 до 79 м ниже уровня моря. Конструкции могут применяться на глу­бинах моря: первая — от 150 до 460 м и вторая — от 200 до 400 м.

Осн.: 2. [78-87], 5. [ 443-446],

Доп.: 7. [964-970 ], [985-987 ]

Контрольные вопросы:

1. В чем назначение платформ ?

2. Что с собой представляют гравитационно-свайные платформы?

3. Из чего состоят гравитационно-свайные платформы?

4. Чем отличаются гравитационные и гравитационно-свайные платформы?

5. Что называют периодом основных колебаний?

6. Что называют упругой башней?
Лекция № 11. Полупогружные платформы. Эстакады. Мелководные основания.
Разработка морских осуществляется как, правило, на разведанных акваториях.

В процессе разработки морских месторождений на Каспии потребовалось надежное сообщение между отдельными объектами, расположенными на морских стационарных основаниях. Доставка грузов на судах при волнении 4 балл и ветре 5 баллов была затруднена. Кроме того, несудоходность акватории в местах разработки обусловила создание эстакад как средств сообщения между объектами существующего промысла.

Сущность данного способа заключается в следующем: на основании проекта разработки месторождения сооружается сеть магистральных эстакад ответвлениями. Параллельно со строительством эстакад возводятся приэстакадные площадки для бурения и эксплуатации скважин, нефтесборные пункты, нефтяные и водяные насосные, водоочистные сооружения по сбору и утилизации сточных вод, парки товарных резервуаров, жилые, административные здания.

Эстакадами называются протяженные сооружения, обеспечивающие непрерывную надводную связь буровых платформ с помощью автотранспорта.

Морская эстакада: предназначена для обеспечения непрерывной, независимой от состояния волнения моря, сухопутной связи между объектами по эстакаде осуществляется:

1. 
   движение автотранспорта и железнодорожный транспорт.
2. 
   прокладка необходимого числа трубопроводов различного назначения (для воды, нефти, года, пара глинистого раствора).

В общем, виде, морская эстакада представляет собой многопролетные, однорядные линейное сооружение, состоящее из пространственных ферм, отирающихся на трубчатые опоры.

На сравнительно неглубоких акваториях применяются плоские опоры, состоящие из двух наклонно забитых свай связанных сверху ригелем, а по высоте трубчатыми связями. Пространственная ферма пролетных строений сооружаются сквозными из трубчатого проката в виде спаренных балок.

Приэстакадные площадки независимо от них назначения представляют многорядную и многопролетными систем ферм, опирающихся на трубчатые свайные опоры, связанные ригелями и трубчатыми связями, обеспечивающими продольную и поперечную жесткость сооружения.

Рис. 28-Металлическая эстакада (строительство очередного пролета). 1 – свая; 2 – ригель; 3 – поперечная надводная связь; 4 – ферма пролетного строения; 5 – эстакадный строительный кран Гипроморнефть-20

Цикл операций по возведению одного пролета состоит из следующих основных видов работ: устройства свайной опоры рамного типа, забивкой свай в грунт и последующей обвязки их ригелем по верху и системой одно и двухярусных связей по высоте, монтаж пролетных строений, устройства временного рельсового пути.

Для того чтобы иметь возможность бурить скважины под дно водного бассейна, а затем добывать нефть или газ необходимо сооружать специальные основания, на которых и следует размещать буровое и эксплуатационное оборудование.

Стационарные основания подразделяют на насыпные острова, основания из металлоконструкций свайного типа, крупноблочного типов, основания очень большого веса гравитационного типа.

Металлические стационарные морские основания для бурения скважин и добычи нефти за рубежом начали свое развитие с простейших конструкций на глубину 6м до сложных конструкций на глубины до 305м и более.

Основания из металлоконструкций свайного и крупноблочного типов в буровой практике использует широко.

Основания свайного типа – применяют при различной глубине, а также в случае резких изменений рельефа дна водоема. Под сваи в дне моря со специального судна бурят скважины. В каждую такую скважину спускают свою – трубу и цементируют её. Затем сваи обрезают так, чтобы их концы были над водой на одинаковым уровне. Концы труб связывают плоскими металлическими фермами, на которые настилают пол и устанавливают вышку и буровое оборудование. Высота свай над уровнем воды должна превышать высоту самых больших волн.
Крупноблочные основания

В настоящее время для строительства морских оснований используют крупные блоки (МОС-1,2) конструкция Межлумова, Оруджева и Саттарова рассчитаны на применение при глубине вод до 8 м, 14 м, 22 м. После установки на дне моря блока, входящего в основание МОС, через внутреннего полость под дно водоема бурят скважины, в которые затем опускают железобетонные сваи, связывающие блоки с дном.

Надводная часть блока оснащена фермами, регулируемыми по высоте, что позволяет использовать при изменениях рельефа дна до 1м. Для более глубоководных участков используют основания других типов.

Осн.: 1. [248-252]

Доп.: 7. [81-87 ]

Контрольные вопросы:

1. Что называют эстакадами ?

2. На какие виды подразделяют стационарные основания?

3. На какой глубине применяют основания свайного типа?.

4. Что с собой представляют приэстакадные площадки?

5. Чем оснащена надводная часть крупноблочных оснований?

Лекция № 12. Надводная и подводная эксплуатация.

Морские нефтегазовые промыслы (МНП): – технологические комплексы, предназначенные для добычи, сбора, нефти и газа и конденсата из морских месторождений углеводородов, а также для подготовки продукции и дальнейшей транспортировки.

Добыча осуществляется преиму-щественно фонтанным способом (в.т.ч. с ППД) с последующим переходом на газлифтную и др. механизированные способы добычи.

Нефть и газ добываемый при этом используется для внутренних нужд энергопотребления в газлифтном цикле. Газовые месторождения разрабатываются в случае сообщения с береговым потребителем подводным газопроводом. Отличие МНП от промысла на суше необходимость размещения основного и вспомогательного оборудования на морских нефте-газопромысловых гидротехнических сооружениях.

Технологические схемы МНП зависят от глубины, возможности появления и (толщины) ледовых образований, высоты волн, скорости ветра и др. природно-климатических условиях. Эксплуатация осуществляется главным образом на незамерзающих акваториях до глубины 300 м.

При глубинах 25-30 м располагаются МНП преимущественно на искусственных островах и дамбах (до 5-10 м) эстакадах и других свайных сооружениях.

Надводная эксплуатация – это комплекс мероприятий по извлечению и транспорту нефти и газа стационарных платформ, оснований и приэстакадных площадок. Эксплуатация осуществляется наклонными и горизонтальными скважинами большой протяженности при этом устье скважины, оборудовано, обычном надводным способом

На глубине 25-30 м применяют стационарные платформы состоящих из металлической или железобетонной опорный части и палубы, на которой размещается промысловые оборудование. До глубины 60-80 м главным образом используются однофункциональные платформы с добывающими скважинами или технологическим оборудованием (для сбора и подготовки продукции), энергетическими объектами, жилыми помещениями и др.

Глубина больше 80 м – как правило, является многофункциональными, причем каждая платформа может являться самостоятельным нефтегазопро-мыслом. Количество платформ определяется объектом дренирования и обычно бывает от 2-4.

Особенность шельфовой эксплуатациивысокие затраты и недостаточность места для размещения оборудования. Эти ограничения привели к бурению горизонтальных скважин большой протяженности для увеличения площади дренирования нефтяного пласта.

Нефтяные компании уже разработали технологию направленного бурения для достижения максимального охвата с каждой скважины Статойл, например, пробурил за последнее 7 километровую скважину, расходящуюся на 5 км вокруг платформы Статфьюрд вглубь пласта, расположенного под морским дном на глубине 3500 м.

Первая скважина с подводным расположением устья была про­бурена в 1943 г. на оз. Эри (США) на глубине 11,5 м. С тех пор этим методом закончено около 300 скважин в различных морских месторождениях мира: в Мексиканском заливе, у Тихоокеанского побережья США, у побережья Юго-Восточной Азии, в Северном море и т. д. За 1976—1980 гг. число скважин с подводным распо­ложением устья возросло с 217 до 283. В первой половине 1980г. намечалось оборудовать еще 66 скважин, для которых уже име­лось оборудование или оно было заказано.

Рис. 29- Комплекс подводной эксплуатации скважин.
Метод разработки морских нефтяных месторождений с подвод­ным расположением устьев скважины хотя и сложен, но обла­дает рядом преимуществ перед обычным способом надводного оборудования устьев.

Основным преимуществом этого метода является возможность ввода нефтяного месторождения в эксплуатацию очередями, что на практике ведет к ускоренному получению первой нефти. Про­бурить с бурового судна несколько скважин, оборудовать их устья соответствующей подводной арматурой и ввести в эксплуатацию можно значительно быстрее, чем устанавливать дорогостоящую стационарную платформу, бурить с нее наклонно-направленные скважины, и лишь после этого ввести месторождение в эксплуа­тацию. Кроме того, метод разработки месторождения с подвод­ным расположением устьев скважин дает возможность выявить некоторые геолого-физические характеристики месторождения и эксплуатационные параметры на более ранней стадии разработки.

Вследствие сравнительно низких капитальных затрат метод может быть применен для разработки месторождений с неболь­шими запасами нефти, эксплуатация которых с обычных стацио­нарных платформ является нерентабельной.

Преимуществом системы с подводным расположением устья является также защищенность всего оборудования, установлен­ного на дне, от внешних погодных условий. Известно, что надвод­ные стационарные платформы представляют значительную нави­гационную опасность, в то время как при установке оборудования под водой такая опасность практически отсутствует, устраняется также пожарная опасность.

Существенным недостаткомсистем с подводным расположе­нием устья является трудность доступа к устьевому оборудова­нию, особенно при расположении последнего на большой глубине и при необходимости частых ремонтов скважин. Кроме того, не­достатком считают необходимость использования труда опытных водолазов, умеющих работать на большой глубине.

Следует отметить, что ряд крупных зарубежных нефтяных фирм относится с известной осторожностью к методу разработки морских месторождений скважинами с подводным расположением устья, считая, что этот метод еще не вышел из опытной стадии или же что он применим только для отдельных изолированных сква­жин.

Под водой устьевое оборудование устанавливают на устьях отдельных вертикально пробуренных скважин или на устьях на­правленных скважин, пробуренных на ограниченной площади кустом.

Для управления устьевым оборудованием и манифольдными камерами применяются гидравлические или электрогидравличе­ские системы. Управление каждой задвижкой осуществляется ли­бо по отдельным линиям, идущим с обслуживающего судна, либо через единый распределительный блок.

Различают две системы подводной установки оборудования:

• 
  с открытым расположением оборудования устья под водой;
• 
  и с закры­тым оборудованием— «сухим» (атмосферным).

В системах открытого типа все устьевое оборудование нахо­дится под гидростатическим давлением, соответствующим глубине моря. В системах закрытого типа устьевое оборудование устанав­ливают в специальных погружных камерах, внутри которых со­храняется либо атмосферное, либо слегка повышенное давление. Системы с открытым расположением оборудования получили зна­чительно большее распространение, чем системы «сухого» типа. Монтаж, техническое обслуживание и ремонт оборудования от­крытых систем проводится манипуляторами или водолазами, а в закрытых системах — в атмосферных камерах, где опера­торы работают в обычной одежде. Арматура для установки на подводное устье скважины отличается от обычного как размерами, так и конструктивным решением.