Ледостойкая ППБУ для Арктики

Архитектурно-компоновочные решения для ледостойких плавучих буровых установок

Сложность освоения месторождений нефти и газа, открытых в арктических зонах, связана с необходимостью применения нетрадиционных технологий и принципиально новых технических средств, соответствующих сложности природных условий. Выбор архитектурного облика и конструктивного оформления морского нефтегазового сооружения предопределяется прежде всего толщиной ледового покрова и глубиной моря. Приступая к поиску рационального облика ледостойкой полупогружной плавучей буровой установки (ППБУ), полезно проанализировать типовые проектные решения, характерные для ледостойких плавучих буровых установок (ЛПБУ). Известно достаточно много архитектурно-компоновочных типов таких ледостойких сооружений, обладающих определенными преимуществами и недостатками. Обычно поиск технических решений для ЛПБУ судового типа подобных сооружений приводит к следующим типовым формам платформ (рис. 1).

Рис. 1. Типы буровых установок для круглогодичной эксплуатации в Арктике:

а – судно яйцеобразной формы; б – установка с корпусом в виде тела вращения (ЛПБУ «Kulluk»); в – ЛПБУ клиновидной формы (концепция ЛПБУ ЦКБ «Коралл»); г – установка с корпусом в виде тела вращения (ЛПБУ «Sevan»).

ЛПБУ с судовыми обводами яйцеобразной формы (egg form) фирмы Mitsui (рис. 1а), снабженная турельным устройством, обладает повышенной ледостойкостью благодаря возможности разрушения изгибом дрейфующего льда, при котором наблюдается снижение ледовых нагрузок. Кроме того, наличие турели обеспечивает возможность отсоединения системы удержания и райзера с последующим уходом установки с точки эксплуатации при экстремальном ухудшении ледовой обстановки. ЛПБУ с формой тел вращения в нижней их части (рис. 1б и 1г) также могут иметь хорошую ледостойкость, особенно в тех случаях, когда они имеют форму конуса с вертикальной осью в районе ватерлинии.

Клиновидная форма корпуса платформы (рис. 1в), снабженной турельной системой удержания, позволяет снижать ледовые нагрузки и обеспечивать самоориентацию ледостойкой установки по отношению к направлению дрейфа ледового поля. ЛПБУ с таким обликом заслуживает особого внимания, поскольку она подвержена наименьшим глобальным воздействиям льда и обладает пониженной материалоемкостью по сравнению с другими рассмотренными выше вариантами платформ [1].

Общим недостатком таких типов платформ является относительно высокая материалоемкость конструкций, большая стоимость строительства, малая мобильность и интенсивная качка в условиях волнения.

ППБУ: общие подходы к проектированию

Полупогружные плавучие буровые установки занимают доминирующее положение среди морских буровых установок, применяемых в практике морского разведочного бурения. К достоинствам этих установок следует отнести:

• относительно высокую мобильность, менее сложную постановку на рабочую точку и снятие с неё по сравнению с самоподъемными плавучими буровыми установками;

• возможность проводить глубоководное бурение на глубинах моря 150-1500 м и более, в настоящее время имеются несколько установок, способных осуществлять буровые работы на глубинах моря 2000-3000 м;

• малую интенсивность качки и высокую стабильность удержания на рабочей точке при воздействии морского волнения;

• бóльшую приспособленность для работы в условиях газовых фонтанов и достаточную остойчивость при их наличии.
  

Вместе с тем в арктических регионах ППБУ до сих пор эксплуатируются крайне редко. Это обстоятельство вызвано тем, что использование ППБУ в сложных ледовых условиях по сравнению с эксплуатацией этих сооружений при отсутствии ледяного покрова требует более значительных капитальных и эксплуатационных затрат [2]. При этом на резкий рост затрат влияет не только необходимость усиления конструкций ППБУ и системы ее удержания (позиционирования) с целью придания установке повышенной ледостойкости, но и потребность использования при эксплуатации в тяжелых ледовых условиях весьма дорогостоящих мощных ледокольных судов с ядерными энергетическими установками для обеспечения непрерывного ледового менеджмента, гарантирующего безопасность эксплуатации. Именно поэтому обычно стараются избегать круглогодичной эксплуатации ППБУ на точке бурения в чрезмерно сложных ледовых условиях. Ледовые подкрепления большинства созданных установок позволяют буксировать и осуществлять их эксплуатацию лишь в относительно легких ледовых условиях. Для защиты райзеров ото льда на подобных объектах всегда предусматривается дополнительная центральная колонна (защитный кожух), сквозь которую осуществляется бурение скважины. Такие ППБУ выполняют основные функции только в течение благоприятного «окна» (при отсутствии ледяного покрова с большой толщиной). Оценка продолжительности этого «окна» должна выполняться взвешенно, исходя из климатических условий акватории и данных метеопрогнозов.

Отмеченные особенности эксплуатации ледостойких ППБУ делают необходимым экономически обоснованный подход к назначению уровня ледостойкости ППБУ и ее обеспечению за счет конструктивных мер. Этот подход включает поиск оптимальных технических решений, обеспечивающих наибольшую экономическую эффективность ППБУ в конкретных условиях эксплуатации, характеризуемых:

• ледовой обстановкой;

• глубиной моря;

• повторяемостью интенсивного волнения;

• удаленностью от места убежища, используемого при плохой ледовой обстановке, и от других объектов инфраструктуры;

• экологической спецификой региона.

• в стремлении исключать применение подкрепляющих ППБУ раскосов, пересекающих ватерлинию и увеличивающих ледовые воздействия на платформу;

• в создании ледового (усиленного) пояса на конструкциях, взаимодействующих со льдом, а, иногда, и в установке конических ледоразрушающих наделок;

• в создании защитных конструкций для райзера [3] или специальной центральной колонны, внутри которой располагается райзер.

• необходимость создания специальных материалоёмких конструкций защиты райзера от ледовых воздействий;

• возможность заклинивания обломков льда между стабилизирующими колоннами (а также между колоннами и защитой райзера), вызывающего увеличение глобального воздействия ледяных образований на ППБУ.

Рис. 2. ППБУ «JBF ARCTIC»:

а – общий вид (опорное основание показано в разрезе); б – вид в условиях волнения; в – вид в ледовых условиях

Рис. 3. Схема сечения ППБУ «JBF ARCTIC» по оси симметрии опорного основания с указанием основных размеров и уровней осадок (в метрах), соответствующих условиям эксплуатации в режимах: ледовом, при выживании, бурении на чистой воде и транспортировке

ППБУ «JBF ARCTIC» лишена этих недостатков, однако имеет повышенную склонность к формированию на ней ледовых воротников. Такая склонность обусловлена наличием массивных металлических конструкций, создающих обширные каналы теплопередачи от погруженного в воду опорного основания к верхнему строению и способствующие процессу образованию льда на участках колонн, расположенных ниже ватерлинии. Развитие этого процесса может приводить к формированию внутри опорного основания сплошной массивной ледяной пробки. Кроме того, появлению массивной пробки может способствовать заброс в условиях ветра и волнения ледяной шуги в застойную зону (в подкупольное пространство установки, образуемое наклонными колоннами и верхним строением).

Учитывая ориентацию этой ППБУ на экстремальные ледовые условия эксплуатации, можно высказать следующее соображения. Если ледовые силы назначены обоснованно, а параметры ледового пояса и якорных линий выбраны правильно, то установка может вполне удовлетворять требованиям эксплуатационной безопасности и обеспечивать высокую прибыль от эксплуатации при тяжелых ледовых условиях. В этом случае, до завершения строительства скважины установка может не покидать район буровых работ по ледовым условиям, поскольку она рассчитана на экстремальные воздействия льда. Но эта концепция может быть нерациональной при относительно малой продолжительности экстремальных ледовых условий в районе бурения.

Максимальная глубина акватории в местах эксплуатации ППБУ «JBF ARCTIC» не должна превышать 1500 м, глубина бурения - 12000 м. Удержание на точке обеспечивают 20 якорных линий в виде цепей калибра 162 мм.

В проекте для каждого режима эксплуатации выбраны 4 различные осадки, обеспечивающие:

• хорошее демпфирование качки на волнении за счет рассеяния энергии при пересечении наклонными СК поверхности жидкости, сопровождающемся интенсивным волнообразованием;

• снижение ледовых нагрузок благодаря разрушению льда изгибом при его взаимодействии с наклонными СК;

• повышение ходкости ППБУ благодаря малой осадке в транспортном положении.
  

Сравнительные модельные испытания ходовых и ледовых качеств различных ППБУ («JBF ARCTIC», классической и цилиндрической форм), показали преимущества технических решений, использованных при проектировании «JBF ARCTIC» [2].

Перспективная ледостойкая ППБУ для Арктики

Ликвидация недостатков традиционного облика полупогружной установки достигается за счет перехода от катамаранной схемы сооружения к тримаранной (рис. 4). Установка состоит из трёх понтонов (одного центрального и двух боковых), соединяемых с верхним строением с помощью трёх стабилизирующих колонн. Эти колонны могут быть соединены между собой в нижней части с помощью распорок.

Стабилизирующие колонны и понтоны содержат балластные цистерны. Понтоны имеют закругления в оконечностях, улучшающие ходовые качества ППБУ. Для придания ледорезных качеств носовые оконечности стабилизирующих колонн имеют клинообразную форму поперечных сечений, а в носовых частях понтонов содержатся ледовые зубья. Форштевни стабилизирующих колонн в районе ватерлинии выполняются с наклоном, обеспечивающим разрушение льда изгибом. Сами ватерлинии стабилизирующих колонн в носовых частях заострены. Боковые понтоны и колонны сильно сдвинуты в корму ППБУ по отношению к центральному понтону. При этом носовые части боковых колонн располагаются после кормовой части центральной колонны. Такое взаимное расположение колонн обеспечивает прохождение обломков льда под установкой (под верхним строением) без заклинивания.

Установка включает в себя вертикальную шахту, проходящую через верхнее строение, центральную стабилизирующую колонну и центральный понтон. В шахте располагается райзер. В нижней части шахты расположена ниша для турели, к которой присоединяется якорная система удержания. Заострение носовых оконечностей колонн совместно с их взаимным расположением обеспечивают ориентацию носовой части ППБУ навстречу движению ледового поля.

На верхней палубе верхнего строения расположены буровая установка, блок технологического оборудования, жилой модуль, вертолётная площадка, спасательные шлюпки.

Расчётные оценки показывают, что при габаритной длине установки 114 м и ширине 68 м её водоизмещение составляет 21100 т. При расчётной толщине ровного льда 3 м ледовая нагрузка составит около 7,5 МН, нагрузка от тороса – около 16 МН. Следует подчеркнуть, что эти значения ледовых нагрузок оказывают прямое влияние на количество и массу связей якорной системы. Так как нетрадиционная форма ледорезных стабилизирующих колонн способствует значительному снижению воздействий ледовых нагрузок на сооружение, масса якорной системы позиционирования и усилия в якорных линиях в сравнении с аналогичной системой позиционирования ППБУ с традиционной архитектурно-компоновочной схемой будут меньшими.

ППБУ-тримаран с турелью является одним из перспективных вариантов компоновки ледостойкой платформы для использования при освоении глубоководных месторождений арктического шельфа и включает целый ряд инновационных решений, обеспечивающих снижение затрат на разведочное бурение. При этом практический интерес представляет и вариант, в котором отсутствует турельное устройство и якорные линии, которые заменяются системой динамического позиционирования.

Рис. 4. Перспективная ледостойкая ППБУ:

а - вид сбоку; б - вид спереди на стабилизирующие колонны и понтоны; в - вид сверху;. г - вид снизу.

Рекомендации по проектированию ледостойких ППБУ

Многолетний опыт эксплуатации ППБУ показал, что принцип полупогружных корпусов, обеспечивших ППБУ ведущие позиции в сегменте буровых установок, сохранит важную роль и при создании новых ледостойких платформ. При этом особую значимость приобретает дальнейший поиск оптимальных технических решений по созданию разнообразных конструктивных типов ППБУ, способных обеспечить высокую рентабельность установок в конкретных природных условиях эксплуатации, характеризуемых параметрами ледовых полей, волнения и ветра. Традиционные и вновь предлагаемые архитектурно-компоновочные решения нацелены на уменьшение площади действующей ватерлинии, способствующей снижению волновых и ледовых воздействий на установки, сохранение важного свойства ²волнопрозрачности² погруженной части ППБУ и, как следствие, на уменьшение ее горизонтальных и вертикальных перемещений при качке. Созданные на этой основе ППБУ смогут быть вполне ледостойкими, удобными в эксплуатации и занимать одно из лидирующих положений на мировом рынке океанотехники.

Рационализация конструкций ледового пояса колонн с целью уменьшения ледовых нагрузок и материалоемкости является одним из основных направлений совершенствования ледостойких установок. В этом плане наработки, сделанные при создании первых отечественных ледостойких ППБУ, позволяют предложить ряд новых конструктивных решений [4], направленных на повышение ледостойкости таких платформ и снижение толщин элементов ледового пояса. Важность подобного снижения вызвана не только необходимостью минимизации металлозатрат при строительстве ППБУ, но и трудноразрешимыми проблемами, возникающими при попытке выполнения требований классификационных обществ к хладостойкости конструкций платформ в том случае, когда свариваемые элементы конструкции имеют толщину порядка 30 мм и более [5].

К настоящему времени накоплен некоторый опыт проектирования и эксплуатации ледостойких ППБУ, который позволяет считать их надёжными и отвечающими современным требованиям морского бурения в арктических условиях. На основе этого опыта наметились рациональные архитектурно-конструктивные формы ледостойких ППБУ, для которых характерны:

• использование двух или трех упрощённых подводных понтонов со стабилизирующими колоннами (по одной или по две на каждый понтон). Подводные понтоны могут соединяться между собой расположенными в горизонтальной плоскости распорками. Какие-либо раскосы, пересекающие ватерлинию, отсутствуют, что позитивно отражается на уровне волновых и ледовых воздействий на платформы;

• упрощенная конфигурация стабилизирующих колонн (от цилиндрических до прямоугольных);

• применение наклонных колонн (либо ледоразрушающих наделок [4]), увеличивающих демпфирование качки и снижающих ледовые нагрузки;

• применение ледорезной формы стабилизирующих колонн и ледовых зубьев в их подводной части.
  

При использовании прямоугольных (квадратных) колонн со скошенными углами, одна из граней колонн, как правило, устанавливается заподлицо с бортовой обшивкой, что облегчает обеспечение прочности сооружения в целом.

Заметим, что наклонная конфигурация стабилизирующих колонн весьма эффективна, поскольку не только уменьшает качку ППБУ на волнении, но и вызывает разрушение изгибом ледяного покрова, наползающего на боковую поверхность колонны. При этом уровень ледовых нагрузок по сравнению с вертикальной цилиндрической колонной существенно снижается. Поэтому в обозримом будущем наклонные стабилизирующие колонны могут стать одной из важнейших особенностей облика ледостойких ППБУ. Другой особенностью облика должно стать уменьшенное число колонн, приходящихся на один понтон (не более двух). Малое число колонн не только способствует снижению глобальных ледовых воздействий на ППБУ, но и позволяет снизить материалоемкость установок (не снижая показателей жесткости и прочности), поскольку при установленном ограничении на массу конструкций увеличение размеров сечений колонн более благоприятно сказывается на увеличении суммарных значений моментов инерции и моментов сопротивлений сечений, чем увеличение числа колонн.

Литература

1. Ленский В.А. и др. Плавучая ледостойкая: перспективная буровая платформа для Арктики. // Offshore [Russia]. 2016, №3(13). С. 52-54.

2. Плавучие полупогружные буровые установки: история, современность, перспективы. Аналитический обзор. – СПб.: ФГУП “Крыловский государственный научный центр”, 2014, 212 c.

3. Крыжевич Г.Б., Подгорный Л.Н., Попов Н.Г., Шапошников В.М. Анализ конструктивного облика и материалоемкости конструкций ледостойких плавучих буровых установок на примерах создания крупнотоннажных платформ “Полярная звезда” и СS-50. // Proceedings of International Conference on Naval Architecture and Ocean Engineering, NAOE2016, June 6-8, 2016, Saint-Petersburg, Russia.

4. Крыжевич Г.Б. Новые конструктивные решения для ледового пояса стальных морских сооружений. // Труды Крыловского государственного научного центра. 2015, вып. 86(370), – С. 133-138.

5. Крыжевич Г.Б. Прочность толстолистовых сварных конструкций судов и океанотехники в арктических условиях. // Труды Крыловского государственного научного центра. – 2017, 2(380). – С. 32-41.