Классификация стационарных морских платформ

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Национальный Исследовательский  Иркутский Государственный Технический  Университет

Кафедра нефтегазового дела

Реферат на тему:

«Классификация стационарных морских платформ»

  Выполнил студент группы  НБ-09-1 :

Королёв Ю.А.

Проверил: Зайцев В.И.

Иркутск, 2012

Содержание

Введение 3

1.Техническая часть 5

1.1 Морские стационарные платформы 5

1.2 Область применения и классификация  морских стационарных платформ 7

1.3 Морские стационарные платформы  пирамидального (ферменного) типа 10

1.4 МСП башенного типа (ледостойкие  конструкции) 12

1.5 Упругие морские стационарные  платформы (глубоководные конструкции) 15

1.6 Гравитационные морские стационарные  платформы (ГМСП) 20

Список использованной литературы: 24

Введение

Морские буровые установки  принято классифицировать по двум признакам:

- по принципиальной конструктивной  схеме и положению в рабочем  состоянии сооружения (средства), служащего  основанием (монтажной базой) бурового  оборудования;

- по условной предельной  глубине бурения, т.е. по признаку, являющемуся основным для сухопутных  буровых установок.

По особенностям основания (монтажной базы), все буровые установки принято классифицировать следующим образом: стационарные - свайные, опорно-свайные, опорные; передвижные опорные - самоподъемные, с погружным корпусом; безопорные - полупогружные, буровые суда.

Конструкция стационарной платформы  определяется, во-первых, условиями  окружающей среды, а во-вторых, принятой схемой разработки.

К условиям окружающей среды  относятся: глубина моря, волновые, ветровые, сейсмические и ледовые  нагрузки, течения, физико-механические свойства грунтов, слагающих дно  в месте установки платформы. Проекты разработки и оснащения  морских нефтегазовых месторождений  предусматривают определение количества наклонно направленных скважин, располагаемых  на одной платформе (10 - 30 и более  в зависимости от геологических  условий месторождения), и всего  комплекса оборудования для подготовки, транспортировки и хранения нефти. Сочетание всех перечисленных факторов определяет нагрузки на сооружение, а  отсюда и его конструктивное решение.

Стационарное основание  связано с морским дном и передает на него вес бурового оборудования и все нагрузки, возникающие в  период строительства скважины. Конструкция  стационарного основания зависит  от условий, для которых оно предназначено, и в первую очередь от глубины  моря. Наиболее простым видом стационарного  основания является свайное.

Свайные основания используют при сравнительно небольших глубинах моря - порядка 15-26 м и реже до 40 м. Для их создания в морское дно  забивают сваи, на них сваривают  конструкцию платформы, делают настил и монтируют основное и вспомогательное  буровое оборудование. При глубине  моря до 15-20 м для сообщения с  буровыми, подвоза оборудования, инструмента  и материалов на сваях можно прокладывать эстакады. Если глубина моря превышает 20 м, то строительство эстакад становится экономически нерациональным.

Основное преимущество свайных  оснований - их низкая стоимость по сравнению с другими видами оснований, недостаток - в ограничении области  применения малыми глубинами моря (25 - 40 м) и невозможность многократного  использования.

Стационарные опорно-свайные  и опорные основания позволяют  проводить буровые работы до глубин моря порядка 150 м. Стационарная буровая  платформа состоит из двух частей: подводной и надводной. Подводная часть включает один или несколько опорных блоков. Наиболее широко применяют опорные блоки пирамидальной формы. Надводная часть имеет одну или несколько секций и представляет собой пространственный каркас. Все оборудование может быть размещено на одном уровне (палубе) или на двух. Двухъярусное размещение позволяет сократить размеры площадки. В этом случае на нижней палубе устанавливают растворный узел, буровые насосы, блок очистки бурового раствора, устьевое оборудование. Все остальное буровое оборудование выносят на верхнюю палубу. Здесь же располагают жилые помещения и вертолетную площадку. У стационарных платформ опорно-свайного типа после установки в заданном пункте забивают сваи внутри опорных колонн и затем цементируют их.

1.Техническая часть

1.1 Морские стационарные платформы

На первом этапе развития конструкций первое металлическое  свайное основание было разработано  Н.С.Тимофеевым, металлические сваи которого погружались методом забуривания. После бурения шурфов под сваи и установки и цементирования свай в морском дне пролётное строение собиралось и сваривалось на месте строительства.

В 1940 г. Б.А. Рагинский предложил крупноблочную конструкцию верхнего строения морского основания, которая устанавливалась и монтировалась на зацементированных сваях. Применение крупноблочных элементов заводского изготовления резко сократило время строительства.

В процессе разработки морских  месторождений потребовалось надежное сообщение между отдельными объектами, расположенными на морских стационарных основаниях. Доставка грузов на судах  при волнении свыше 4 баллов и ветре  свыше 5 баллов была затруднена. Кроме  этого, несудоходность акватории в местах разработки (например, район Нефтяных камней) обусловила создание эстакад как средств сообщения между объектами существующего промысла.

Следующим шагом в развитии конструкций было создание металлических  стационарных оснований ЛАМ конструкции  Л.А. Межлумова, оснований МОС конструкции Л.А. Межлумова, С.А. Оруджева и Ю.А. Саттарова. В 1976 г. на месторождении им.28 апреля построено стационарное металлическое основание на глубине моря 84 м.

В зарубежной практике освоение морских нефтяных месторождений  также было начато с применением  стационарных оснований на деревянных сваях. Характерной особенностью американской практики строительства стационарных морских оснований было использование  железобетонных и бетонных конструкций  в виде кессонов, массивов, отпускных  колодцев и свай. Например, основание  Коллинса, представляющее собой цилиндрическую бетонную колонну-массив диаметром 5,8 м, погруженную в грунт на требуемую глубину. Применялись гигантские массивы на кессонах с размером в плане 12 20 м, по периметру которой забивали ряд шпунтовых свай. Все пространство, окруженное шпунтовым рядом, засыпалось песком. Ввиду высокой стоимости эти конструкции не получили широкого распространения. На Марокарибском озере на глубинах до 30 м устанавливали железобетонные стойки диаметром 1,5 м с толщиной стенок 15 см и общей длиной 55 - 60 см, на которых строили основание.

На меньшей глубине  применяли сваи 60 60 см, которые забивали в грунт с помощью паровых копров. Металлические стационарные морские основания для бурения скважин и добычи нефти за рубежом начали свое развитие с простейших конструкций на глубину 6 м до сложных конструкций на глубины до 305 м и более.

Вторым этапом в развитии конструкций морских гидротехнических сооружений для бурения скважин  и добычи нефти было создание морских  стационарных платформ (МСП), состоящих  из опорной части, массивного моноблока  и съемного многопалубного верхнего строения. Особенность этих конструкций - применение массивных блоков (модулей) заводского изготовления, укомплектованных определенным технологическим оборудованием  и размещаемых на разных по высоте палубах многопалубного верхнего строения стационарной платформы. Это обеспечило одновременное проведение буровых  работ и добычу нефти.

Наиболее ускоренное развитие конструкций морских стационарных платформ произошло при освоении нефтяных и газовых месторождений  Северного моря. Наряду с массивными стационарными металлическими платформами, закрепляемыми к морскому дну  сваями, в Северном море широко применяются  массивные железобетонные платформы  гравитационного типа. Используют также  конструкции комбинированные: низ  конструкции изготовляют из железобетона, а верх - из металла. Для глубоководных  акваторий имеется ряд разработок платформ с натяжными опорами.

1.2 Область применения и классификация  морских стационарных платформ

Морская стационарная платформа — уникальное гидротехническое сооружение, предназначенное для установки на ней бурового, нефтепромыслового и вспомогательного оборудования, обеспечивающего бурение скважин, добычу нефти и газа, их подготовку, а также оборудования и систем для производства других работ, связанных с разработкой морских нефтяных и газовых месторождений (оборудование для закачки воды в пласт, капитального ремонта скважин, средства автоматизации морского промысла, оборудование и средства автоматизации по транспорту нефти, средства связи с береговыми объектами и т. п.).

При разработке морских  месторождений в основном два  главных фактора определяют направление  работ в области проектирования и строительства гидротехнических объектов в море. Такими факторами  являются ограничения, накладываемые  условиями окружающей среды, и высокая  стоимость морских операций. Эти  факторы в основном обусловливают  все решения в проектировании и конструировании МСП, выборе оборудования, способов строительства и организации работ в данной акватории моря. Таким образом, МСП являются индивидуальными конструкциями, предназначенными для конкретного района работ. 

В последние годы, в связи с широким разворотом работ по освоению морских нефтяных месторождений в различных районах Мирового океана, предложен и осуществлен ряд новых типов и конструкций МСП. Эти типы и конструкции МСП различают по следующим признакам: способу опирания и крепления к морскому дну; типу конструкции; по материалу и другим признакам.

Рис. 20-Классификация   глубоководных МСП 

По способу опирания и крепления к морскому дну МСП бывают свайные, гравитационные, свайно-гравитационные, маятниковые и натяжные, а также плавающего типа, по типу конструкции сквозные, сплошные и комбинированные, по материалу конструкции — металлические, железо-бетонные и комбинированные. Сквозные конструкции выполняются решетчатыми. Элементы решетки занимают относительно небольшую площадь по сравнению с площадью граней пространственной фермы. Сплошные конструкции (например, бетонные) непроницаемы по всей площади внешнего контура сооружения.

На рис. 20 приведена   классификация глубоководных МСП.                            

На  первом уровне классификации проведено деление МСП на жесткие и упругие. По мнению авторов, такое деление является объективным, так как оно отражает конструкцию платформы (размеры, конфигурацию) и указывает период собственных колебаний, который у жестких составляет 4—6 с и упругих превышает 20 с, а в отдельных случаях достигает 138 с

На  втором уровне классификации  жесткие конструкции классифицированы по способу обеспечения их устойчивости под воздействием внешних нагрузок на гравитационные, свайные и гравитационно-свайные. В первом случае сооружение не сдвигается относительно морского дна благодаря собственной массе и во втором — оно не смещается из-за крепления его сваями. Гравитационно-свайные сооружения не сдвигаются благодаря собственной массе и системе свай. 

Третий уровень  классификации жестких МСП характеризует материал конструкции: бетон, сталь или бетонсталь.

Упругие конструкции  на втором уровне по способу крепления разделены на башни с оттяжками, плавучие башни и гибкие башни. (рис.21).

Башни с оттяжками  сохраняют свою устойчивость системой оттяжек, понтонов плавучести и противовесов. Плавучие башни подобны качающемуся  маятнику, они возвращаются в состояние равновесия с помощью понтонов плавучести, расположенных в верхней части конструкции. Гибкие башни отклоняются от вертикали под действием волн, но при этом они, подобно сжатой пружине, стремятся возвратиться в состояние равновесия.

На последнем  уровне классификации имеется 10 групп  конструкций, каждая из которых обозначается начальными буквами слов английского языка, например RGS — риджит гревити стил (жесткая гравитационная стальная), RGC (жесткая гравитационная бетонная) и т. д.

Из рассмотренных  в работе 40 конструкций глубоководных МСП (глубина моря более 300 м) 76% составляют жесткие, в том числе 45% стальные ферменные со свайным креплением, 26% гравитационные и 5% гравитационно-свайные. Среди упругих МСП 13% плавучие башни, 8% башни с оттяжками и 3% гибкие башни. Отмечено увеличение доли проектов стальных опор в зависимости от глубины моря. При глубинах моря 305— 365 м стальные опоры составляют 13%, а при глубинах от 365 до 520 м — 50%. Из выполненных проектов 79% — стальные опоры, 15% — бетонные и 6% — стальбетод.

Наибольшее число  проектов 57% разработано для вод  глубиной 305—365 м. 30% —для глубин 365—460 м и 13% — на глубины больше 460 м.

1.3 Морские стационарные платформы  пирамидального (ферменного) типа

Морские стационарные платформы, закрепляемые сваями, представляют собой  гидротехническое металлическое стационарное сооружение, состоящее из собранного на береговой строительной базе опорной  части (основания), которая простирается от морского дна до некоторой отметки  над водной поверхностью и крепится к морскому дну сваями, и металлического, заранее изготовленного верхнего строения, оснащенного комплексом технологического оборудования и вспомогательных  средств и устанавливаемого на опорную  часть МСП.

Наиболее распространенных типов МСП пирамидального (ферменного) типа, предназначенных для глубин 110 - 150 м, показаны на рисунке 4.2. Металлическое  опорное основание имеет вид  одного или нескольких блоков в форме  пирамиды или прямоугольного параллелепипеда (пространственной фермы). Стержни решетки  блока изготовляют в основном из металлических трубчатых элементов. Количество блоков опор определяется надежностью и безопасностью  работы в данном конкретном районе, технико-экономическими обоснованиями  и наличием грузоподъемных и транспортных средств на заводе-изготовителе опорной  части МСП. Трубчатые сваи забиваются в грунтовое основание через  колонны опорного основания. Эти  сваи не только поддерживают платформу, но и фиксируют сооружение в целом  от сдвигающих нагрузок, вызванных  ветром, волной и течением.

Типичная конструкция  буровой морской стационарной платформы  расположена в Мексиканском заливе на глубине около 90 м.

Рисунок 4.2 - Конструкция  современной МСП на опорном основании ферменного типа

Верхнее строение имеет в  плане размеры 18 36 м и массу  около 900 т. Масса опорного основания  около 1800 т. Восемь трубчатых свай 1, забитых через колонны опорного основания, имеют наружный диаметр 1,22 м и толщину стенки около 25 мм. В дополнение к ним по периметру  основания забиты четыре «окаймляющие»  сваи 2. Все сваи забиты в грунт  с наклоном 1:7 к вертикали на глубину  от 60 до 90 м.

Сооружение рассчитано на суммарную горизонтальную нагрузку от ветра, волны и течения, равную 13,5 МН, соответствующую максимальным штормовым условиям.

Платформа состоит из двух опорных блоков, установленных на расстоянии 31 м друг от друга, и трехпалубного  верхнего строения, которое включает 14 модулей, в том числе: два подвышечных, шесть модулей нижней палубы с эксплуатационным оборудованием 450 т каждый, шесть модулей верхней палубы с буровым оборудованием до 600 т каждый.

На платформе размещен комплекс технологического и вспомогательного оборудования, систем, инструментов и  материалов, обеспечивающих бурение  скважин двумя буровыми установками.

Платформа оснащена блочными жилыми и бытовыми помещениями, вертолетной  площадкой, погрузочно-разгрузочными  кранами и др.

С платформы предусмотрено  бурение 12 скважин.

Ниже приведены краткие  технические данные МСП для одновременного бурения скважин двумя буровыми установками на месторождении им. 28 апреля на глубине 100 м.

Размер в плане, мм:

производственной площадки ……………. ..71 50

опорного блока ……………….……………..16 49

Масса, тыс, т:

платформы ………..……………………………12,1

опорного блока ………………………………..2,04

Опорные блоки крепятся к  морскому грунту сваями. На опорные  блоки устанавливается верхнее  трехпалубное строение с модулями, оснащенными соответствующими технологическим  и вспомогательным оборудованием  и системами.

В зарубежной практике в  целях совершенствования конструкций  МСП имеется ряд принципиальных решений. Например, в проекте платформы  для месторождения Эйдер (Северное море) из конструкции исключены направляющие устройства для забивки свай с поверхности, сокращено число поясов фермы; элементы, расположенные в труднодоступных для осмотра местах имеют усталостную долговечность 120 лет.

Крепление свай к опорам платформы с помощью бетонирования  выполняется под водой с применением  дистанционно управляемого подводного аппарата. Исключена дистанционная  балластировка опор платформы и  упрощена трубопроводная обвязка.

В Мексиканском заливе в 1978 г. установлена жесткая опорная  часть МСП «Коньяк» (проект фирмы  «Макдермотт») на глубине 312 м. Пирамидальный моноблок состоит из трех секций, восьмиопорных и двух выносных опор. Выносные опоры прикреплены к опорной ферме на высоте 122 м от морского дна. Моноблочная ферма крепится к морскому дну сваями длиной 190 м. Сваи заглублены в морское дно на 137 м и пропущены через 24 направляющих кондуктора по наружному периметру фундамента. Период собственных колебаний конструкции от 4 до 5 сек. Масса блока 33,5 тыс. т, свай и направляющих кондукторов 23 тыс. т, общая масса МСП 59 тыс. т.

Имеются проекты и разработки МСП с пирамидальным моноблоком на глубину 488 м (проект «Галф оф Мексико платформ»), на глубину 396 м (проект «Фиксед платформ»), проект из двух опорных блоков на глубину 450 м (проект «Твин тауэр» для Северного моря) и др.

1.4 МСП башенного типа (ледостойкие конструкции)

Первое существенное изменение  конструкции морских платформ произошло  в 60-х годах при проектировании сооружений, предназначенных для  эксплуатации в заливе Кука у Аляски. Обширные движущиеся ледовые поля могут  ударяться о сооружение и оказывать  на него нагрузки большие, чем штормовые  ветер, волны и течение. В конструкциях сооружений, предназначенных для  этого района, удалены диагональные и горизонтальные связи в зоне, соответствующей приливным изменениям горизонта воды, а также там, где  они могут быть разрушены плавающим  льдом. Верхнее строение у таких  сооружений опирается на четыре колонны  большого диаметра. Внутри каждой колонны  по периметру забито несколько свай. Такие конструкции МСП башенного  типа получили название ледостойких.

      Одно из таких сооружений в период его эксплуатации имеет следующие параметры. Колонны опорного основания имеют диаметр 4,6 м и высоту 42 м, через каждую из них в грунт на глубину до 27 м забито по восемь свай диаметром 0,75 м. Рассчитанные в основном на восприятие ледовых воздействий, эти сооружения устанавливают так же, как обычные. Опорное основание собирают на береговой площадке, буксируют к месту эксплуатации, устанавливают в вертикальном положении и закрепляют с помощью свай, забиваемых через колонны.Благодаря большому диаметру колонн, опорное основание обладает достаточной плавучестью, что позволяет обойтись без специальных барж для транспортировки.

Ниже в качестве примера  приведено краткое описание платформы «Доллы Уорден», установленной в заливе Кука. Платформа разработана для бурения куста скважин из 32 - 48 скважин двумя буровыми установками и рассчитана на следующие параметры:

Скорость, м/с:

максимальная непрерывно продолжающаяся …..…….. 27

порывистого ветра ………………………………..……...36

морских течений …………………………………. ……3,05

Толщина ледяного покрова, м …………………………...1,8

Температура, ⁰ С:

окружающего воздуха ……………………………. ….…40

подводной среды ………………………………….. ….….7

Максимальное  колебание отливов и приливов, м … .….10,7

Максимальная  масса айсбергов, т ………………….. .…..40

Квадратный корпус платформы  расположен на высоте 54,6 м от морского дна. Масса корпуса 500 т. Корпус опирается  на четыре цилиндрические опоры диаметром 5,2 м. Расстояние между центрами опор 24,4 м. Опоры изготовлены из хладостойкого стального листа толщиной 19 - 51 м. Более толстая часть листа опор расположена в месте контакта лед - воздух на длине периодической смачиваемости. Внутри опорные колонны усилены внутренней трубой диаметром 2,75 м и рядом горизонтальных диафрагм и вертикальных ребер жесткости по всей длине колонны. Вверху колонны соединены четырьмя горизонтальными поясами, изготовленными из хладостойкого стального листа толщиной 19 - 25 мм. Пояса внутри усилены кольцевыми диафрагмами и продольными ребрами жесткости и служат опорой палубы платформы. Внутри поясов размещены отсеки для хранения питьевой и технической воды, топлива и стоков жидкости.

Подводная часть конструкции  внизу связана горизонтальными  и диагональными трубчатыми элементами диаметром 1,8 м. Платформа крепится ко дну 28 сваями диаметром 840 мм и длиной 106,7 м., расположенными внутри ног и  углубленными в морское дно на 55 м. Свай служат также направлением для бурения восьми скважин в  каждой опоре. Масса опорной части 4400 т.

Трехпалубная система  установлена на корпусе и состоит  из верхней буровой, средней эксплуатационной и нижней палуб. Буровая палуба рассчитана на удельную нагрузку 0,040 - 0,075 МПа с  более высокой несущей способностью в зоне подсвечников. На палубе смонтированы две буровые установки, рабочие  и запасные емкости бурового раствора и стеллажи для труб, шесть емкостей вместимостью по 28,3 мі для хранения цемента.

За пределами палубы на консоли установлено жилое помещение  на 72 человека, а под стеллажами бурильных  труб - дополнительное жилое помещение. Над крышей основного жилого блока  расположена вертолетная площадка. Каждая буровая на платформе укомплектована вышкой с нагрузкой на крюке 4500 кН, буровой лебедкой с электроприводом, рассчитанной на глубину бурения  до 6000 м. Циркуляционная система из двух емкостей общей вместимостью 100 мі и запасной - 90 мі.

Эксплуатационная палуба рассчитана на удельную нагрузку 0,04 - 0,047 МПа. Палуба высотой 6,1 м разделена  огнеупорными перегородками на семь отсеков.

На нижней палубе установлены  центробежные насосы, два котла, парогенератор, агрегат для дистилляции морской  воды, воздушные компрессоры и  насосы для перекачки нефти на берег. Система обогрева включает два  котла эквивалентной мощностью  по 129 кВт, питаемые водогликолевой смесью, и используется для обогрева всех помещений на платформе, кроме жилья, которое обогревается электрическими источниками тепла.

Два центробежных насоса мощностью  по 11 кВт обеспечивают циркуляцию водогликолевой смеси по замкнутой системе. В узловых пунктах платформы установлены автоматические нагреватели, снабженные вентиляторами.

Электросистема переменного тока напряжением 480 В питается от дизель-генераторов мощностью 750 и 500 кВт и газотурбогенератором мощностью 850 кВт. В одном из отсеков опорных поясов хранится 570 мі топлива, расходная емкость топлива размещена в отсеке дизель-генераторов. Котлы, парогенератор и все газовые турбины работают на попутном газе.

Работающий персонал на платформе, включая буровые бригады, операторов по добыче и вспомогательных рабочих, составляет 85 человек.

Кроме конструкций, имеющих  по четыре колонны в опорном основании, в заливе Кука установлена конструкция  с одной колонной (монопод). Необходимая для буксировки плавучесть создается здесь благодаря резервуарам, прикрепляемым к нижней части опорного основания. Для закрепления сооружения на дне и поддержания верхнего строения в грунт через опорные колонны забиваются основные сваи, а по периметру основания «окаймляющие» сваи.

1.5 Упругие морские стационарные  платформы (глубоководные конструкции)

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.

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.