Плавучее морское сооружение для бурения или добычи углеводородного сырья и райзер для плавучего морского сооружения

(51)7 21 43/01, 02 17/00, 63 35/44 ПАТЕНТНОЕ ВЕДОМСТВО РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(73) Дип Ойл Текнолоджи Инкорпорэйтид(54) ПЛАВУЧЕЕ МОРСКОЕ СООРУЖЕНИЕ ДЛЯ БУРЕНИЯ ИЛИ ДОБЫЧИ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ И РАЙЗЕР ДЛЯ ПЛАВУЧЕГО МОРСКОГО СООРУЖЕНИЯ(57) Изобретение относится к области бурения скважин при добыче нефти со дна моря, в частности, с плавучих сооружений. Технический результат изобретения - снижение сопротивления платформы, увеличение устойчивости и снижение стоимости изготовления. Для этого сооружение собирают из множества близко размещенных вертикальных плавучих колонн, на которые могут быть помещены один или более модулей, или палуб для размещения на них оборудования для добычи, оснастки для бурения,необходимого инструмента и помещений для персонала. Колонны закрепляют множеством горизонтальных плит, разнесенных вдоль длины колонн и вертикальных плит, расположенных около низа колонн и вблизи верхнего конца колонн. Бурение и/или добычу проводят через райзеры, расположенные приблизительно в центре сооружения. Сооружение включает постоянный балласт, емкости для хранения нефти, пустые емкости и переменный балласт для уравновешивания более легкого веса запасаемой нефти. Колонны имеют меньшую площадь по ватерлинии, чем площадь горизонтальных плит. 10221 Изобретение в широком смысле связано с бурением и добычей нефти со дна моря и, в частности, с плавучими сооружениями, используемыми в этих операциях. При морском бурении и добыче нефти в регионах, где из-за большой глубины моря стоимость операции установки кессонов на морское дно становится слишком большой и экономически не эффективной даже при больших запасах нефти, используют плавучие сооружения. Такие плавучие сооружения имеют несколько конструкций полупогружные суда со стабилизирующей колонной, ошвартовываемые с помощью системы якорей сооружения рангоутного типа с единственной колонной, ошвартовываемые с помощью системы якорей суда с динамическим позиционированием, в которых применяют ряд толкателей для удержания сооружения в заданном месте и платформы на напряженных опорах. У каждого сооружения есть свои преимущества и недостатки. Например, суда динамического позиционирования не требуют якорей, однако из-за большой площади, занимаемой на поверхности моря, они испытывают влияние волн и течений, что приводит к расходу большого количества энергии для удержания сооружения в заданном месте. Из-за большой площади, занимаемой судном на водной поверхности, морское волнение вызывает горизонтальные смещения, бортовую и килевую качки судна. Полупогружные сооружения занимают меньшую площадь на поверхности моря, поэтому они меньше подвержены бортовой и килевой качкам, однако они испытывают горизонтальные смещения, кроме того,у них отсутствуют емкости для хранения больших объемов нефти. Сведение к минимуму движений, обусловленных морским волнением, желательно не только для обеспечения безопасности и комфорта, но и с точки зрения функционирования системы, поскольку бурение и добыча через райзеры, соединяющие судно со скважиной, расположенной на дне моря, должно быть организовано с учетом движений сооружения. Цена проектирования и изготовления райзеров прямо связана с величиной горизонтального смещения,бортовой и килевой качек сооружения, как если бы волны, течения и гравитационные силы действовали непосредственно на райзеры. Платформа на напряженных опорах мало подвержена горизонтальным смещениям, бортовой и килевой качкам. Однако применение этого сооружения с относительно малой осадкой, несмотря на его высокую стоимость, ограничено умеренными глубинами моря, где оно может быть установлено. Кроме того, его фактически невозможно перемещать после установки. Сооружения рангоутного типа (с единственным корпусом, таким, как корпус, описанный в патенте США 4702311), подвержены вибрациям, возбуждаемым вихрями, возникающими в быстрых течениях. С этим боролись, монтируя винтовой пояс обшивки вдоль длины корпуса. Из-за большого диа 2 метра корпуса эти сооружения должны были строить в специально оборудованных местах сборки. Кроме того, по мере увеличения диаметра этих структур их сборка становилась все более сложной. Транспортировка большого сооружения рангоутного типа к месту установки на судне большой грузоподъемности или путем буксировки завершенного корпуса также представляла большие трудности. К недостаткам применения поясов обшивки, требуемых в сооружениях рангоутного типа с единственным корпусом для работы при больших течениях, относятся увеличение стоимости и лобового сопротивления, которое, в свою очередь, увеличивает стоимость ошвартовывания. Изобретение направлено на решение задач, возникающих в больших плавучих сооружениях рангоутного типа. Задачи решаются с помощью плавучего сооружения с глубокой осадкой, которое обладает преимуществами плавучих сооружений с единственным корпусом, но избавлено от некоторых недостатков. Сооружение в настоящем изобретении образовано множеством близко расположенных плавучих колонн, установленных вертикально. Множество горизонтальных и вертикальных плит, разнесенных вдоль вертикальной оси сооружения, соединяют колонны в единую конструкцию. Вертикальные плиты могут включать форменные соединения, и их крепят между колоннами вблизи киля и ватерлинии сооружения. Горизонтальные плиты увеличивают эффективную массу сооружения, задерживая воду в вертикальном направлении. Соединения, образованные вертикальными плитами и фермами, функционально удерживают колонны вместе вертикально относительно друг друга, а также служат для уменьшения движений, вызываемых большими волнами, и уменьшают волновое движение внутри колонн с целью защиты райзеров. Палубу устанавливают над водой на верхушках колонн. Все сооружение может быть ошвартовано, или же для сохранения его неподвижного положения может быть использовано динамическое позиционирование. Целью изобретения является плавучее морское сооружение рангоутного типа с подавлением вибраций, возбуждаемых вихрями, создаваемыми океанскими течениями. Другой целью изобретения является плавучее морское сооружение рангоутного типа с уменьшенным лобовым сопротивлением океанским течениям. Другой целью изобретения является плавучее морское сооружение рангоутного типа с уменьшенной осадкой благодаря увеличению эффективной массы за счет применения горизонтальных плит. Другой целью изобретения является плавучее морское сооружение рангоутного типа с уменьшенной стоимостью за счет использования разнообразных способов его конструирования и сборки. Для дальнейшего понимания природы и целей настоящего изобретения должны быть сделаны ссылки на следующее описание, взятое вместе с сопровождающими рисунками, в которых одинаковые 10221 детали даются одинаковыми цифровыми обозначениями и где фиг. 1 представляет наружную вертикальную проекцию изобретения фиг. 2 представляет вертикальный разрез изобретения фиг. 3 представляет проекцию, взятую вдоль линий 3-3 фиг. 1 фиг. 4 представляет трехмерное изображение нижней части изобретения фиг. 5 представляет диаграмму потока, которая показывает поток воды, протекающей вокруг изобретения фиг. 6 представляет диаграмму потока, которая показывает поток воды, протекающей вокруг изобретения под углом, отличным от угла на фиг. 5 фиг. 7 показывает альтернативное воплощение изобретения фиг. 8-12 представляют изображения верхних частей альтернативных воплощений изобретения фиг. 13 - показывают способ сборки колонн в единое сооружение фиг. 14 показывает использование наружной колонны, прикрепленной к сооружению, служащей для защиты райзера фиг. 15 показывает средства управления потоком, работающие совместно с наружной колонной фигуры 14. Из фиг. 1-4 видно, что плавучее морское сооружение 10 в целом состоит из множества вертикально установленных плавучих корпусов или колонн 12,горизонтальных плит 14 и вертикальных плит 16. Верхнюю часть или палубу 18 поддерживают над водой верхние концы колонн 12. Горизонтальные плиты 14 и вертикальные плиты 16 выполняют по две функции. Обе выполняют структурную функцию закрепления колонн параллельно друг другу при небольшом расстоянии между соседними колоннами. Горизонтальные плиты 14 дополнительно служат для задержки воды в вертикальном направлении. Это увеличивает эффективную массу всего сооружения и поэтому увеличивает период собственных вертикальных колебаний (движения вверх-вниз), так что он становится больше самых больших периодов,имеющихся в спектре волн. Функциональное назначение горизонтальных плит 14 полностью объяснено в патенте США 5558467. Как видно из фиг. 3,горизонтальные плиты снабжены прорезями или отверстиями 28 для приема райзеров, используемых при бурении или добыче нефти. Горизонтальные плиты 14 разнесены вдоль вертикальной длины колонн 12, при этом желательно начинать их установку значительно ниже ватерлинии, там, где воздействие волн незначительно, и продолжать установку до нижнего конца колонн 12. Горизонтальные плиты 14 позволяют строить сооружение с меньшей осадкой по сравнению с сооружениями рангоутного типа с единственным корпусом, так как горизонтальные плиты задерживают воду в вертикальном направлении, тем самым увеличивая эффективную массу сооружения. Период собственных вертикальных колебаний Т сооружения приблизительно дается следующим выражением Т 2 М / К ,где М - масса сооружения, включая массу воды, находящуюся между плитами К - постоянная колебаний системы, которая является функцией площади сооружения по ватерлинии. Площадь сооружения по ватерлинии меньше, чем площадь горизонтальных задерживающих плит,поэтому при меньшей осадке будет достигнут больший период по сравнению с периодом сооружения рангоутного типа, описанного в патенте США 4702321. Вертикальные плиты 16 могут быть выполнены монолитными или в виде комбинации монолитных плит и открытых ферм. Вертикальные плиты 16 предпочтительно размещают у нижнего конца колонн вблизи киля и около верхнего конца колонн, на ватерлинии. Монолитные плиты, расположенные около нижнего конца колонн вблизи киля, служат для задержки воды в горизонтальном направлении и уменьшения движения под воздействием больших волн. Вертикальные плиты 16, расположенные около верхнего конца колонн ниже стандартной ватерлинии, уменьшают волновое движение внутри зоны,образованной корпусами 12. Уменьшение волнения внутри этой зоны помогает защитить райзеры и уменьшить изменения уровня воды между колоннами во время сильного волнения. Каждая колонна 12 снабжена жесткими плавучими цистернами 20 одинаковой формы, одной или более гибкими цистернами 22 и постоянным балластом 24. К роульсам, расположенным в заданных местах, крепят якорные цепи 27. По крайней мере,одна из жестких плавучих цистерн 20 может принимать переменный балласт в виде морской воды, она обозначена цифрой 26. Гибкие цистерны 22 уравновешены с окружающим давлением путем наполнения их морской водой и/или использования их как резервуары для хранения нефти. Сооружение, состоящее из многих колонн, меньше подвержено вибрациям, возбуждаемым вихрями,так как соседние колонны предпочтительно разделены промежутками, имеющими ширину в интервале от 1/10 до 3 диаметров колонн, что позволяет воде свободно протекать между колоннами. Близость соседних колонн приводит к подавлению образования вихрей между ними. Для образования вихрей в кильватере цилиндрических колонн в потоке воды с высоким числом Рейнольдса требуется расстояние примерно в четыре диаметра цилиндра. Как видно из диаграммы потока, представленной на фиг. 5,предпочтительное расстояние между колоннами не позволяет большим вихрям возникать между ними. Воздействие потока, протекающего между колоннами, на разрушение вихрей имеет место независимо от направления потока. 3 10221 Период следования вихрей, возникающих за сооружением, пропорционален полной ширине сооружения . Осцилляции, возбуждаемые вихрем, имеют место, когда период следования вихрей совпадает с собственным периодом Т многоколонной конструкции, стоящей на якорях. Это условие выражается следующей формулой 5 /8. Увеличивая расстояние между колоннами, увеличиваем . Этим минимальную скорость потока ,которая приводит к осцилляциям, возбуждаемым вихрями, можно сделать выше скорости потока, наблюдаемой в любом месте. Поэтому диаметр колонн и расстояние между ними могут быть подобраны так, чтобы избежать вибрации, возбуждаемой вихрями. В результате для многоколонной конструкции не требуется применения устройств, подавляющих вибрацию, возбуждаемую вихрями, что позволяет уменьшить лобовое сопротивление. Как видно из фиг. 5, две колонны, расположенные выше, защищают две колонны, расположенные ниже, значительно уменьшая или полностью устраняя лобовое сопротивление, вызываемое напорным давлением на переднюю часть колонн, расположенных выше по потоку. Во-вторых, поток в точке А отделяется от лобовой стороны колонн, расположенных выше по потоку, и пересоединяется в точке В с колоннами, расположенными ниже по потоку. Поток остается соединенным до точки С с нижней стороной колонн, находящихся ниже по потоку, что значительно уменьшает кильватер, протяженность области низкого давления в кильватере и кильватерное торможение. Поэтому расположение колонн позволяет внешнему потоку сформировать форму линий тока потока вокруг колонн, так что лобовое сопротивление становится ниже сопротивления единичного цилиндра с эквивалентной площадью в таком же самом потоке. Как видно из фиг. 6, где расположение колонн относительно потока имеет ромбовидную форму,поток между колоннами также создает пограничный слой у задней стороны колонн, находящихся вверх по потоку, что сводит к минимуму лобовое сопротивление. Итак, эффект уменьшения лобового сопротивления близко расположенных колонн имеет место независимо от направления потока. Хотя первое знакомство с сооружением 10 может создать впечатление, что оно является просто полупогружным сооружением с очень низкой осадкой,таким, как сооружение, описанное в патенте США 4983073, однако это не так. В сооружении 10 корпусы 12 не соединены вместе горизонтальными понтонами и расстояние между ними значительно меньше. Также структурная целостность сооружения обеспечивается горизонтальными и вертикальными плитами 14, 16. Далее гидродинамическая стабильность сооружения усиливается тем фактором, что центр тяжести находится значительно ниже центра плавучести. Момент инерции водной поверхности представляет незначительный вклад в метацентрическую высоту. На фиг. 7 показано альтернативное воплощение изобретения, в котором нижняя часть каждой колонны имеет уменьшенный диаметр по сравнению с верхней частью. Часть с уменьшенным диаметром расположена ниже секций жестких цистерн, показанных на фиг. 2. Уменьшенный диаметр нижней части колонн будет давать преимущество в виде уменьшенного структурного веса, а также уменьшенных значений лобового сопротивления потокам. Фиг. 8 представляет изображение верхней части альтернативного воплощения изобретения, в котором используют две колонны 12, а также показывает ток потока вокруг колонн 12. Как видно из потоковой диаграммы, здесь лобовое сопротивление ниже,чем можно было бы ожидать, благодаря экранированию колонны, расположенной вниз по потоку,колонной, расположенной вверх по потоку, и пересоединению потока на колонну, расположенную вниз по потоку. Модельные испытания показали, что коэффициент лобового сопротивления двух близко расположенных цилиндров меньше, чем коэффициент одиночного цилиндра с эквивалентной площадью. Поэтому сооружение, представляющее изобретение,имеет меньшее лобовое сопротивление для океанских течений. Уменьшение лобового сопротивления группы близко расположенных колонн потоку с высоким числом Рейнольдса происходит из-за экранировки колонн, расположенных вниз по потоку, колоннами, расположенными вверх по потоку, а также из-за соединения пограничного турбулентного слоя на стороне колонн, расположенной по потоку, тем самым сводится к минимуму кильватерное торможение. На фиг. 10-12 показаны примеры осуществления изобретения, в которых могут быть использованы три, шесть или восемь колонн. Для сравнительно малых сооружений с легкими палубными нагрузками могут быть использованы две или три колонны,тогда как для сравнительно больших сооружений с тяжелыми палубными нагрузками могут быть использованы шесть и восемь колонн. На фиг. 9 показано размещение двух колонн, на которой колонна, расположенная ниже по потоку,имеет меньший диаметр по сравнению с диаметром колонны, расположенной выше по потоку. Используя меньший диаметр для колонны, расположенной вниз по потоку, сводят к минимуму силы вихревых осцилляций, воздействующих на колонну, расположенную вниз по потоку, при этом создается гидродинамически внутренне стабильная форма, и лобовое сопротивление может быть уменьшено далее оптимальным выбором расстояния между колоннами от одной десятой до одного диаметра колонны,расположенной вверх по потоку. Благодаря низкому лобовому сопротивлению, сооружение, состоящее из двух колонн, может оказать 10221 ся пригодным для динамического позиционирования. На фиг. 13 А-В показаны средства, используемые при монтаже изобретения. Две колонны 12, которые скреплены вместе с одной секцией горизонтальной плиты 14, погружают на подходящую глубину, загружая в них балласт, так что оставшиеся колонны,которые должны быть прикреплены, могут плавать над горизонтальной плитой. Нижние две колонны разгружают от балласта, таким образом поднимая верхние две колонны выше водной поверхности, для того чтобы приварить их и прикрепить оставшуюся часть горизонтальной плиты к верхним колоннам. Этот способ сборки, являясь альтернативным полной сборке, проводимой на судостроительной верфи,представляется полезным там, где сооружение 10 надо буксировать через район мелководья и осадка полностью смонтированного сооружения, состоящего из четырех колонн, может превышать глубину этого района буксировки. Следует понимать, что колонны 12 могут быть изготовлены из любого подходящего материала,такого, как сталь или бетон. Если колонны изготавливают из бетона, то они могут быть выполнены способом слип-формовки в районе с подходящей глубиной моря. Способ слип-формовки колонн из бетона хорошо известен из практики. На фиг. 14 показана наружная колонна райзера 30, которую используют для защиты райзера 32 и плавучего модуля 34 от турбулентной воды. Наружную колонну райзера 30 крепят к сооружению 10 и размещают так, что ее верхняя часть находится выше ватерлинии, а нижняя часть находится на глубине, где отсутствует значительное морское волнение. Наружная колонна райзера 30 открыта с обоих концов и имеет диаметр, достаточный, чтобы пропустить райзер 32 и плавучий модуль 34. На плавучем модуле 34 могут быть установлены направляющие 36, чтобы избежать застревания и свести к минимуму износ плавучего модуля 34 и наружной колонны 30. На фиг. 15 показано возможное устройство наружной колонны райзера 30 и плавучего модуля 34,в котором первая плита 38 жестко прикреплена к внутренней стороне наружной колонны райзера 30 ниже ватерлинии и плотно охватывает часть райзера 32 выше модуля плавучести 34 для скольжения райзера в этом месте. Вторая плита 40 жестко прикреплена к части райзера 32, расположенной непосредственно над плавучим модулем 34, и плотно прилегает к наружной колонне для скольжения вдоль нее. Плиты 38,40 определяют пространство с объемом, который изменяется прямо пропорционально положению плавучего модуля 34 чем ближе плавучий модуль к водной поверхности, тем меньше объем воды между плитами 38, 40. Первая плита снабжена средствами 42 для регулирования скорости изменения объема воды между плитами при движении плавучего модуля, которое может иметь место при повреждении райзера. Средствами регулирования 42 могут служить показанный на рисунке жиклер или клапан. Управляя скоростью изменения объема воды, ограничивают скорость плавучего модуля 34 в случае повреждения райзера ниже плавучего модуля. Это регулирование применяют, чтобы устранить полностью или свести к минимуму ущерб сооружению 10,плавучему модулю 34 и оставшейся части райзера 12. Сальники скольжения 44 могут быть установлены на обеих плитах. Так, используя концепцию изобретения, можно сделать много изменений и различных воплощений и выполнить много вариантов воплощения, детализированного здесь в описании следует иметь в виду,что приведенные детали следует понимать как иллюстративные, а не в ограничительном смысле. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Плавучее морское сооружение для бурения или добыли углеводородного сырья, содержащее надводную платформу, плавучее основание и якорные средства, отличающееся тем, что плавучее основание выполнено из множества вертикально установленных плавучих колонн, расположенных группой с небольшими расстояниями между соседними плавучими колоннами и соединенных множеством параллельно расположенных горизонтальных элементов,прикрепленных к вышеуказанным колоннам и разнесенных по их длине, при этом упомянутые элементы расположены ниже ватерлинии на глубине,где отсутствует значительное волнение и, по крайней мере, двумя вертикальными элементами, прикрепленными между упомянутыми колоннами и разнесенными вдоль длины колонн, при этом один из вертикальных элементов расположен вблизи нижнего конца колонн и второй - вблизи верхней части колонн. 2. Сооружение по п. 1, отличающееся тем, что расстояние между плавучими колоннами составляет приблизительно от одной десятой диаметра до трех диаметров колонны. 3. Сооружение по п. 1, отличающееся тем, что его центр тяжести расположен ниже центра плавучести. 4. Сооружение по п. 1, отличающееся тем, что плавучие колонны включают средства с переменным балластом для изменения плавучести упомянутых колонн. 5. Райзер плавучего морского сооружения для добычи углеводородного сырья, расположенный внутри трубчатой колонны, жестко прикрепленной к морскому сооружению и открытой с обоих концов, отличающийся тем, что он содержит первую перемычку, жестко прикрепленную изнутри к трубчатой колонне ниже ватерлинии и плотно прилегающую к райзеру, вторую перемычку, жестко прикрепленную к выходной части райзера выше плавучего модуля и плотно прилегающую к внутренней поверхности трубчатой колонны, и средства, расположенные на вышеуказанной первой перемычке для управления скоростью изменения объема воды между вышеуказанными перемычками при движении плавучего модуля.