2.6. Зарубежный опыт конструктивного решения стационарных платформ, их сооружения

В практике строительства стационарных платформ утвердился ряд конструктивных схем, выбор которых зависит от назначения со­оружения, действующих нагрузок, района строительства, возможно­стей подрядной организации и ряда других факторов. Наибольшее распространение получили платформы, выполненные из одного, максимум двух опорных блоков пирамидальной формы. Во всех схемах стационарных платформ надводная часть (непосредственно платформа) решается отдельно и устанавливается на блок после его закрепления.

Конструктивные схемы опорных блоков, применяемых в зарубеж­ной практике, имеют ряд отличительных особенностей.

1. С увеличением осваиваемой глубины моря авторы проектов стремятся к максимальному упрощению схемы блоков и сокращению ко­личества монтажных элементов в них за счет использования толстостен­ных труб большого диаметра.

В результате сокращается общий объем монтажных работ по изго­товлению блока, повышается его жесткость, но вместе с тем значительно возрастают металлоемкость и стоимость, что видно из такого примера. Масса (вес) четырехопорного пирамидального блока высотой 68 м разме­рами в плане по верхнему сечению 12 х 12 м и по нижнему сечению 30 х х 30 м составляет около 500 т (5 МН). Для этой же глубины вес опорного блока размерами в плане соответственно 9 х 9 м и 20 х 20 м, установлен­ного в акватории Каспийского моря, составляет всего 250 т (2,5 МН). Если в первом случае для опор блока применены трубы диаметром 900 мм с толщиной стенки 25 мм, то во втором случае опоры выполнены из труб, диаметр и толщина которых в два раза меньше. При изготовлении опор­ного блока для глубины 140 м потребовались трубы диаметром 1020 -1600 мм. Масса таких блоков в зависимости от размеров их в плане со­ставляет 3500 - 5000 и более тонн. Увеличение массы опорных блоков с глубиной моря происходит по возрастающей кривой, и на глубинах 200 м металлоемкость сооружения достигает 20000 т, а стоимость возрастает до 15-25 млн. долларов (1987 г.). По этой причине до недавнего времени считалось нерациональным применение стационарных буровых платформ на глубинах моря более 100 м. Помимо большой сложности изготовления и высокой стоимости, основанием для подобных мнений являлись опасе­ния того, что высокие и сравнительно гибкие глубоководные металличе­ские сооружения имеют период собственных колебаний, опасно прибли­жающийся к периоду волновых нагрузок, что может привести к резо­нансным явлениям и, в свою очередь, потребует значительного усиления конструкций. По существу, эти опасения и стали одним из факторов зна-

71

чительного увеличения диаметров и сечений трубчатых элементов блоков глубоководных сооружений.

2. Вторая отличительная особенность конструктивной схемы глубоководных блоков заключается в решении узлов примыкания трубчатых элементов блока друг к другу. В практике строительства на Каспии для упрощения сборки блоков примерно половину трубчатых элементов решетки, в основном устанавливаемых в верхних панелях на большой высоте, примыкают к опорам блока через посредство ко­сынок. С увеличением глубины моря растут усилия в элементах ре­шетки, увеличивается диаметр труб и вместе с ними увеличиваются размеры косынок. Решение узлов становится неконструктивным, мно­го детальным, а главное, снижается жесткость узлов и всего сооруже­ния в целом.

В зарубежной практике трубчатые элементы решетки блоков во всех панелях, в том числе и в панелях, собираемых на большой высоте, непосредственно примыкают труба к трубе без применения каких-либо фасонок. Для фигурной резки труб применяется специальная машина, работающая по программе ЭВМ. Точность подгонки обеспечивается в пределах 3 мм. В связи с чрезмерной концентрацией напряжений в местах примыкания труб решетки к опоре опорная труба имеет пере­менное сечение с утолщением участка трубы в зоне узла в 2, иногда в 3 раза по сравнению с толщиной стенки самой трубы. Утолщение дости­гается установкой в узлах толстостенных муфт либо дополнительных накладок на трубу, что обеспечивает высокую жесткость узлов, рабо­тающих при знакопеременных динамических нагрузках. Динамическо­му расчету сварных трубчатых узлов уделяется большое внимание. Многочисленные исследования, проведенные на моделях и натурных образцах, подтвердили высокую степень концентрации напряжений на небольших участках стенки опоры, которые, накладываясь на основные напряжения, могут привести к потере местной устойчивости стенки и, в конечном итоге, к разрушению узла. Эти напряжения становятся осо­бенно опасными при наличии труб с относительно малой толщиной стенки. Практика показала, что минимальная толщина стенок труб ос­новных элементов должна составлять не менее 2,5% от диаметра тру­бы. Это означает, что для строительства глубоководных стационарных буровых платформ трубы диаметром свыше 720 мм должны изготавли­ваться с толщиной стенки 20 мм и более.

3. На стационарных буровых платформах в Мексиканском заливе вместо деревянного настила на всех ярусах используются металлические решетчатые плиты, сваренные из полосовой стали сечением 6 х 50 мм, устанавливаемой на ребро с шагом в 3-4 см. Для покрытия только одной платформы площадью в 1300 м² на Каспии расходуется от 120 до 150 м³ первосортного лесоматериала. Кроме того, в период бурения скважин

72

приходится частично заменять вышедший из строя настил. Общий расход дефицитного для юга страны лесоматериала за год составляет внушитель­ный объем.

Попытка замены лесоматериала менее дефицитным сборным желе­зобетоном привела к необходимости дополнительного усиления несущих конструкций надводной части сооружения. К тому же укладка железобе­тонных плит непосредственно в море трудоемка, требует дополнительно­го времени работы монтажных механизмов и плавкранов. В этом отноше­нии металлический решетчатый настил представляется весьма выигрыш­ным вариантом. Однако его применение возможно лишь при крупноблоч­ном монтаже конструкций и технологического оборудования, который положен в основу конструктивного решения стационарных платформ в Мексиканском заливе.

4. Стационарные буровые платформы, как устанавливаемые на не­больших глубинах моря, так и глубоководные, конструктивно разделены на две части: подводную, состоящую из опорного блока или двух-трех блоков, и надводную, которая выполняется из одной или нескольких крупных секций. Такое решение имеет ряд существенных преимуществ. При раздельном решении подводной и надводной частей опорный блок можно закреплять до установки на него надводной части. Это обстоятельство, в свою очередь, позволяет устанавливать секции надводной части с вмонтированными в них отдельными технологическими агрегатами или целыми узлами. Надводная часть может выполняться в два или более яру­сов, что приводит к существенному сокращению размеров платформы в плане. Монтажные работы в море сводятся к минимуму и заключаются в соединении коммуникаций отдельных секций между собой, а также уста­новке незначительного количества оборудования. При этом дополнитель­ные работы по монтажу осуществляются с помощью двух кранов, уста­новленных на верхнем ярусе платформы. Надводная часть, или непосред­ственно платформа, представляет собой пространственную сквозную кон­струкцию, основными элементами которой служат четыре фермы с парал­лельными поясами высотой до 6 м. Фермы связаны между собой, образуя в плане прямоугольник, в углах которого располагаются трубчатые стой­ки надводной части, которыми она опирается на блок. Между фермами по их нижним и верхним поясам укладываются двутавровые балки с шагом в 1 м, образующие нижнюю эксплуатационную и верхнюю - буровую па­лубы. На балки укладывается настил из металлических решетчатых плит.

На эксплуатационной палубе размещаются устьевое оборудование скважин, насосное хозяйство, растворный узел и сепарационные установки. На верхней буровой палубе, которая является и грузовой, расположены краны, размещается склад труб, сыпучих материалов, жилые помеще­ния и т.д. В ряде случаев наличие несущих ферм затрудняет установку на эксплуатационной палубе технологического оборудования, в частности размещение насосов с их приводами. Фирмой «Браун и Рут» предложена

73

новая схема надводной части, в которой несущие фермы заменены мощными сплошными балками. В конструкционном и расчетном отношении надводная часть представляет собой пространственный двухъярусный одно-, двух- и трехпролетный каркас. Замена ферм несущими балками при вела к некоторому увеличению металлоемкости, но вместе с тем значительно упростила конструкцию, позволила более рационально спланировать размещение технологического оборудования, открыла возможность установки мостового крана грузоподъемностью 10 т для обслуживания эксплуатационной палубы.

Жилые помещения и вертолетная площадка расположены на проти­воположном от буровой вышки конце буровой палубы. Жилые помещение состоят из одной или нескольких стандартных секций, изготовленных на бе­регу. Каждая секция имеет фундаментную раму и не требует устройства до­полнительного настила. Она включает в себя жилые комнаты на 4 человека с двухъярусным расположением коек, санузел, камбуз, комнату отдыха и под­собные помещения. Размеры секций широко изменяются в зависимости 01 количества одновременно пребывающих на платформе людей. Выполняются секции в один, два и даже в три этажа.

Вертолетной площадкой, как правило, служит крыша верхнего этаже жилого здания. При недостаточных в плане габаритах жилого здания для обра­зования вертолетной площадки по его периметру устраиваются консольные площадки. Для вертолетов небольшого веса и габаритов вертолетные площад­ки делают легкими и небольшими (10 х 10 м; 13 х 13м), для крупных вертоле­тов - 23 х 23 м.

Наибольшая трудность при изготовлении стационарных платформ заключается в укрупнительной сборке опорных блоков, так как монтаж­ные работы (установку, подгонку, сварку) приходится производить на вы­соте в 40 м и более, что обусловлено габаритами глубоководных опорных блоков. Применение труб большого диаметра, веса и длины эту работу в значительной степени усложняет.

Укрупнительная сборка блоков осуществляется гусеничными кра­нами грузоподъемностью до 160 т, оборудованными стрелами длиной бо­лее 40 м. Схема сборки аналогична схеме сборки призматических блоков, применяемой на Каспии. На специальном кондукторе, обеспечивающем точность сборки, в горизонтальном положении собираются плоские пане­ли блока. Группой кранов панель поворачивается на кондукторе в верти­кальное положение и закрепляется системой связей.

Благодаря точной подгонке концов сопрягаемых труб, их высоко­му качеству, отсутствию эллипсности, необходимость в ручной подгонке свариваемых труб, устанавливаемых на высоте, практически отпадает.

Обварка узлов сопрягаемых труб производится вручную. Сварщик ра­ботает в люльке, подаваемой к рабочему месту тем же гусеничным краном. С

74

целью сокращения объема работ на большой высоте некоторые элементы ре­шетки объединяют вверху целым узлом.

Конструкции надводной части выполняются на этих же монтажно-сборочных площадках. При укрупнительной сборке многоярусной надвод­ной части производится одновременная установка предусмотренного проек­том технологического оборудования, коммуникаций и силовых линий. Раз­меры секций и количество оборудования, устанавливаемого в них, опреде­ляют грузоподъемностью плавкрана, которым будет производиться установ­ка этой секции на блок. Подтаскивание готовых секций к крану исключено, сборка их производится в пределах досягаемости стрелы крана.

При погрузке тяжелых блоков на баржи их надвигают по направ­ляющим балкам. Для предохранения труб блока от смятия снизу к ним прикрепляют достаточной жесткости брусья, заключенные в металличе­скую обойму. Для уменьшения сил трения скользящие поверхности сма­зывают салом.

Для строительства стационарных буровых платформ создана серия плавкранов грузоподъемностью от 500 до 2000 т. Как правило, конструк­тивно все плавкраны выполняются на одном широком понтоне. Полная грузоподъемность обеспечивается при неподвижной установке крана по оси понтона.

Грузоподъемность крана при повороте составляет примерно 60% от полной грузоподъемности. Установка блоков сравнительно небольшого веса производится по следующей схеме. Блок доставляется на точку транс­портными баржами. Одним или двумя плавкранами блок снимается с бар­жи, разворачивается в вертикальное положение. Установка тяжелых блоков глубоководных сооружений осуществляется по несколько иной схеме. Блок сквозной конструкции для глубины моря 100-140 м, весом в несколько ты­сяч тонн, транспортируется на баржах, имеющих два склиза вдоль палубы, расстояние между ними равно расстоянию между средними опорами пане­ли блока. В свою очередь на двух средних опорах нижней панели блока за­крепляются брусья, которыми блок опирается на склизы. По прибытии на точку затопляют носовые отсеки баржи, она получает дифферент на нос, в результате чего блок соскальзывает в море. Благодаря тому, что все эле­менты блока, включая опоры большого диаметра, герметичны, блок обла­дает достаточной плавучестью. Запас плавучести, а также установка допол­нительных понтонов в головной части блока обеспечивают его плавное по­гружение и исключают удар о дно.

После приведения блока в вертикальное положение плавкран уста­навливает его на точку, предварительно демонтируются дополнительные понтоны.

Для создания плавучести опор блока предложена гибкая диафраг­ма-заглушка из армированного нейлона. Эта диафрагма способна выдер­жать гидростатическое давление более 1 МПа.

75

После установки блока на дно диафрагма легко разрывает забивке внутренней сваи. До применения указанной гибкой диафрагмы торцы опор блока закрывались довольно мощными металлически заглушками, которые затрудняли процесс забивки внутренних труб.

Помимо описанного способа транспортировки и установки блоков может быть рассмотрен вариант транспортировки тяжелых блоков на раздельных транспортных понтонах (без сбрасывания блока). Приведение блока в вертикальное положение производится последовательным затоплением отсеков понтонов, которые погружаются в воду вместе с блоком. Из всех указанных выше схем наиболее простой представляется первая, при осуществлении которой не требуется использования специальных понтонов.

Благодаря пирамидальной форме блоков регулировка их положения на дне практически не применяется. Перед установкой блока производится тщательное обследование морского дна различными способами, в том числе и с применением телекамер. Для установки блока выбирается достаточно ровная площадка. На слабых грунтах, когда возможна неравномерная осадка, угловые части основания блока оборудуют щитами из брусьев сечением примерно 24x24 см. Такая мера предосторожности достаточна, если учесть, что непосредственно после установки блока осуществляется его закрепление и исключается вероятность просадки от воздействия на блок штормовых волн. Внутренние сваи устанавливаются в опорные стойки блока после его установки на дно.

При строительстве платформ основного типа на Каспии одной из наиболее трудоемких работ является закрепление блоков бурозаливными сваями. На крепление одной платформы уходит, как правило, более месяца. Работы ведутся непосредственно с платформы с применением комплекса механизмов: копров, молотов, буровой установки и насосов для закачки в сваю цементного раствора. При этом качество работ по заливке раствора в скважину, степень заполнения затрубного и межтрубного пространства с установкой анкера в сваю практически не контролируются.

В зарубежной практике закрепление блоков осуществляется в основном забивными сваями. Сваи - трубы большого диаметра, а главное большой толщины стенки, могут быть забиты на 60 - 100 м. Для забивки тяжелых и длинных свай на большую глубину создана серия различного типа молотов, обладающих энергией удара в пределах от 44,0 до 830,0 кН-м весом падающей части соответственно от 45 до 670 кН. На выставке демонстрировался молот с массой падающей части 25 т, обладающий энергией удара в 31,25 кНм; ход молота 1,25 м, число ударов в минуту -50, молот паровой, общая масса молота 34 т, длина 6,7 м, габариты в плане 2,61 х 1,76 м. Молоты рассчитаны на забивку свай диаметром 36 - 54".

Блок закрепляют непосредственно после его установки на точку плавкраном. Забивка внутренних свай производится бескопровым способом. Молот закрепляется в специальной жесткой копровой рамке, устанавливаемой в закрепляемой на головной части погружаемой сваи. Масса

76

направляющей рамки для указанного выше молота составляет 27600 кг, следовательно, общая масса системы равна 61,6 т. Нижняя часть рамки заканчивается «юбкой», имеющей съемные муфты для погружения свай различных диаметров. Направляющая рамка позволяет погружать как вер­тикальные, так и наклонные сваи. В случае, если при забивке сваи встре­чаются плотные грунты и энергия удара молота недостаточна для погру­жения сваи на проектную отметку, осуществляется разбуривание грунто­вой пробки с последующей окончательной забивкой сваи. Все операции, связанные с погружением свай, производятся плавкраном. Поскольку ко­личество свай в платформе сведено к минимуму (4-8-12), этот способ производства работ считается экономически оправданным, так как на за­крепление блоков затрачивается минимальное время. Используются тру­бы с толщиной стенки 25 мм и выше. Исследования показали, что в от­дельных случаях рационально увеличение толщины стенок свай с целью сокращения времени на забивку и времени использования весьма дорогих механизмов. Приводится пример, когда оказалось оправданным увеличе­ние толщины стенки с 25 мм до 38 мм. Помимо выигрыша во времени при погружении сваи, увеличение толщины стенок позволяет в ряде случаев обходиться без установки дополнительных анкеров в зоне максимальных изгибающих моментов.

Выше отмечалось, что монтаж оборудования производится одно­временно с монтажом надводной части платформы. В основном это отно­сится к сепарационным установкам, электростанциям, насосам, емкостям для бурового раствора и т.д. Оборудование, располагаемое на верхней па­лубе, монтируется после установки надводной части на блок. Сюда отно­сятся конструкции подвышечной части и сама буровая вышка. Для мон­тажа буровых вышек голландская фирма «Холланд инк.» разработала са­моходный плавучий кран «Атлас» грузоподъемностью 400 т. Кран обору­дован жесткой двухветвевой стрелой с четырьмя главными подъемами каждый по 100 т. Суммарная подъемная сила 4 крюков, работающих со­вместно - 400 т (4 МН), скорость подъема - 0,62 м/мин. Плавкран приспо­соблен для монтажа и демонтажа буровой вышки вместе с подвышенным постаментом, лебедкой и другим оборудованием, находящимся на поста­менте. Максимальный груз массой 400 т кран поднимает при вылете стре­лы от понтона в 11,6 м.

Ниже показано одно из типичных решений стационарной двухблочной буровой платформы в Мексиканском заливе с использованием на период бурения тендерного судна. Платформа состоит из двух пирами­дальной формы четырехопорных блоков, установленных на расстоянии 35 - 50 м и соединенных между собой пешеходным мостиком, выполненным в виде треугольной в сечении фермы.

Один из блоков предназначен для бурения эксплуатационных скважин, второй блок установлен для добычи нефти. Подводная часть обоих блоков ре­шается по примерно одинаковой схеме, только фермы подвышечной части бу-

77

ровой выполнены более мощными. Надводная часть обоих блоков состоит из двух ярусов с расстоянием между ними 5 м. На первом ярусе (эксплуатацион­ная палуба) размещается устьевое оборудование на 12 скважин, которые рас­полагаются в три ряда по 4, расстояние между скважинами 2 - 2,5 м. Трубо­проводы от скважин отведены под пешеходным мостиком на второй блок. Бу­ровая платформа второго яруса бурового блока имеет несколько большие раз­меры за счет консолей.

На нижнем ярусе надводной части эксплуатационного блока рас­полагаются сепарационные установки. Верхняя палуба в период бурения предназначена для жилого помещения. Наличие двух отдельных блоков позволяет вести одновременно бурение и добычу нефти. Учитывая, что на бурение каждой скважины в данном районе затрачивается в среднем 10 суток, фирма нашла целесообразным одновременное их заканчивание.

Тендерное судно устанавливается на некотором расстоянии от блока со стороны его мостовой части. С этой целью при установке блока учитывается господствующее в данном районе направление ветра. Тен­дерное судно закрепляется к четырем (либо к шести) плотам, отнесенным на расстояние около 200 м от судна. Якорями для плотов служат стальные толстостенные трубы диаметром до 1 м, забитые в грунт на глубину до 25 м (погружение труб производится вибропогружателем с плавсредств).

Якорь связан с плотом стальным тросом диаметром до 70 мм (при глубине моря 60 м), якоря отнесены на расстояние примерно 800 м от плотов. Благодаря большой разноске якорей и плотов от судна последнее может менять свое положение относительно блока при изменении на­правления ветра.

Для производства грузовых операций на тендерном судне в сред­ней его части установлен достаточной грузоподъемности полноповорот­ный кран. Доставка материалов на тендерное судно осуществляется бар­жами.

С применением тендерного судна на буровом блоке располагаются лишь буровая вышка с лебедкой и приводом, емкости с буровым раствором и материалами для цементирования скважины, два полноповоротных стреловых крана грузоподъемностью 35 и 50 т, небольшое количество топлива. Все ос­тальное хозяйство (насосная, электростанции, раствор, трубы и т.д.) размещено на тендерном судне, буровая вышка устанавливается на высоком подвышечном постаменте, выполненном из сварных двутавровых балок.

Высота постамента достаточна для установки 3-х превентеров. Под­вышенный постамент, в свою очередь, устанавливается на две мощные дву­тавровые балки высотой 1,8 м, расположенные на расстоянии 8 м друг от друга и жестко связанные между собой.

Балки устанавливаются непосредственно на верхние пояса ферм надводной части и служат для перемещения по ним подвышенного поста­мента с вышкой в пределах 2,5 м для бурения скважин во втором ряду. Для бурения 4-х скважин в каждом ряду перемещается вся система - спа-

78

ренные балки с подвышенным постаментом и вышкой, установленной на нем. Передвижение системы осуществляется двумя гидравлическими дом­кратами, установленными горизонтально и опирающимися на верхний пояс фермы надводной части.

Плавучие краны и крановые суда большой грузоподъемности ши­роко используются на морских нефтепромыслах, прежде всего для дос­тавки и монтажа стационарных оснований.

В табл. 2.4 приводятся некоторые характеристики стреловых кранов.

Таблица 2.4 Характеристики стреловых кранов, устанавливаемых на буровых платформах

Наименование	Конструктивные особенности	Характеристики
		грузо- подъемн., т	вылет от оси, м	высота подъема, м	радиус обмет., м
«МК-35». «Бюсайрэс-Ири», США	4 варианта стрел: -19 м	36-9,0	4,75-20,5		3,01
	-25 м	31-5,8	6,3 - 27
	-31,5 м	29-4,5	6,3-33
	38 м (3 дополн. секции)	22-2,25	7,9-39,5
«МК-60». «Бюсайрэс-Ири», США	4 варианта стрел: 19 м	51-20	4,75-20,5
	25 м	48-6.3	6,3 - 27		3,01
	31.5 м	46,5-3,2	6,3-33
	38 м	42 – 2,7	7,9-39,5
«Модель 70», «Манитовок энджиниринг», США	С двумя вариантами стрел №16	62-1,25	3,8-47
	№51	46,5-2,4	4,7-36		4.39
«Модель 135» «Манитовок энджиниринг», США	С двумя вариантами стрел №8	98 - 5,2	4,7 - 49		5,82
	№52	87-3,5	5,0-42,5
«Модель 150», «Манитовок энджиниринг», США	С двумя вариантами стрел №8	89 - 8,2	5,0-42,5		4,56
Кран фирмы «Ниландс веркстед», Норвегия	Главный подъем	40-16	9,2-34
	вспомогат.	15	11-36,5

79