3.5. Системы удержания плавучих буровых средств на точке бурения Назначение и типы систем удержания

Системы предназначены для удержания в заданных пределах от­клонения бурового плавучего средства (БС или ППБУ) от оси бурящейся скважины в горизонтальном направлении.

166

Обычно горизонтальное перемещение бурового плавучего средст­ва (БПС) не превышает 5-6 % глубины моря. Вместе с тем в большинстве случаев бурят при горизонтальном перемещении, равном 2 - 3 % глубины моря.

Радиус максимального отклонения

R= 0,06 Н,

где 0,06 - максимальное относительное отклонение, ограничиваемое напряжениями в трубах водоотделяющей колонны и углом отклонения нижнего шарнирного, шарового или другой конструкции соединения; Н - глубина моря, м.

В зависимости от глубины моря Н все ПБС оснащают одной из че­тырех возможных систем удержания на точке бурения:

• при глубинах моря до 200 м - с помощью якорных цепей или тросов либо комбинированной системы (якорных цепей и тросов);

• на глубинах моря более 200 м - с помощью динамической систе­мы стабилизации (динамического позицирования).

Якорные системы удержания

Буровое плавсредство и систему заякоривания рассматривают как единый комплекс, за исключением случаев экстремальных погодных ус­ловий. В табл. 3.11 приведены принятые в мировой практике критерии проектирования и указаны операции заякоривания.

Система заякоривания включает якорные цепи, лебедку, стопорное устройство, роульс (устройство для изменения направления перемещения якорного троса).

Различные способы якорного крепления плавучих устройств де­лятся на несколько групп:

• собственно якори, геометрические формы которых зависят от конструктивных особенностей. Их используют для временного крепления подвижных сооружений (судов, платформ, полупогружных оснований и т.д.), а также для постоянного крепления погрузочных буев;

• бурозаливные анкерные сваи разной конструкции в зависимости от пород, используемых для крепления погрузочных буев, плавучие ре­зервуары (появившиеся в настоящее время), полупогружные платформы в случае каменистого дна, будущие плавучие сооружения, предназначенные для глубоководной добычи, и т.д.;

- гравитационные якори, предназначенные для крепления опор платформ и разных сооружений.

167

168

В некоторых случаях выбор якорной системы может диктоваться природой грунтов. Например, при наличии коренных пород анкерное кре­пление будет достигнуто с помощью свай независимо от типа сооружения и периода, в течение которого оно должно оставаться неподвижным.

Якори противостоят отрыву в горизонтальном направлении со зна­чительной силой, но их легко поднимать с помощью вертикальной тяги.

Постоянные якорные системы могут противостоять действию го­ризонтальных и вертикальных сил усилием до нескольких сот тонн. Мы дадим следующие общепринятые обозначения:

• держащая сила якоря или якорной системы - это сила, которая может воздействовать на якорный канат горизонтально (или вертикально);

• сила отрыва якоря - это вертикальное (или почти вертикальное) усилие для подъема якоря.

В зависимости от местных условий, характеристики бурового плавсредства и других факторов применяют различные схемы расположе­ния якорных цепей или канатов относительно БПС.

На рис. 3.32 показаны шесть наиболее распространенных в миро­вой практике вариантов заякоривания при воздействии нагрузок с любой стороны; п - число якорных канатов.

Рис. 3.22. Схема типовых вариантов систем заякоривания:

а, б, в - симметричные системы соответственно с n = 9, 8, 10;

г, д, е - системы с якорными канатами (n = 8), расположенными соответ­ственно под углом 45 - 90° друг к другу, под углом 30 - 70° к оси платформы и под углом 30 - 60° к продольной оси судна

Якорные цепи или тросы выбирают в зависимости от ожидаемой нагрузки на них, глубины моря, характеристики рабочего оборудования, стоимости, наличия пространства для палубных устройств и других фак­торов.

169

Для заякоривания применяют два типа плоскозвенных цепей с рас­поркой: цепь со сваренными встык звеньями и замковую цепь.

В большинстве случаев для заякоривания применяют металличе­ские канаты диаметром 57-76 мм (иногда до 90 мм). Преимущества ме­таллических канатов: вес каната в морской воде в 5 раз меньше, чем вес цепи, и стоимость каната почти вдвое ниже стоимости цепи. Недостаток металлического каната заключается в том, что вследствие малой массы требуется большее развертывание троса до необходимой величины тан­генциальной кривой провисания, а также в случае выхода каната из строя его следует заменять по всей длине. Масса нейлонового каната в 2 раза меньше массы металлического каната.

Якорные системы оснащают комплектом оборудования для регу­лирования натяжения якорных канатов, который включает тензометры и записывающую аппаратуру, непрерывно управляющую натяжением якор­ного каната и извещающую оператора об изменении высоты волны или направления ветра.

Системой натяжения управляют с пульта на основе информации, получаемой от датчиков, установленных на тросах.

Якорные системы различают:

• собственно якори различной геометрической формы:

• анкерные сваи;

- гравитационные якори, которые пока еще используются очень мало.

Лапчатый якорь состоит (рис. 3.33):

• из веретена, являющегося основным элементом, передающим усилие якорного каната на лапы;

• пятки, обеспечивающей шарнирное соединение и относительную ориентацию между веретеном и лапами:

• лап, обеспечивающих собственно якорное действие вследствие его погружения и удержания в грунте при натяжении;

• штока якоря, представляющего собой балансировочный элемент, назначение которого заключается в ориентировании лап в грунте и пре­дотвращении переворачивания якоря.

Рис. 3.33. Обычный лапчатый якорь легкого типа

170

Существует много типов якорей, отличающихся геометрией лап, пятки и т.д.:

• бесштоковые якори (самые обычные), которыми оборудовано большинство судов;

• якори легкого типа массой от 13,5 до 27 т, которыми крепится большое количество полу погружных платформ;

• якори, у которых угол открытия лап может изменяться от 34° (для песков) до 50° (для глин и мягких глин);

• якори с большой площадью лап, хорошо проявившие себя на песчаном и глинистом дне.

В табл. 3.12 приведены примеры размеров некоторых зарубежных стандартных якорей.

Таблица 3.12 Техническая характеристика якорей

Тип якоря	Масса, т	Приблизительная длина веретена, м	Приблизительная площадь лап, м
«Дэнфорт»	13,5	≈ 5	≈4
«Стато»	11,3	5,80	≈7
«Стевин»	10 25	4,60 6,25	6 12
«Босс»	18	7.50
«Брюс»	6.35	4,50	5
«Флиппер-Дельта»	13.5	4	≈9,4

Лапчатые якори предназначены для погружения в грунт при их волочении по дну благодаря углу атаки лап.

Для некоторых якорей угол атаки можно регулировать в зависимо­сти от типа грунта:

• 30-35° для песков;

• 45-55° для жидких и мягких глин.

Действие лапчатых якорей зависит от их углубления в грунт. По­этому использование этих якорей предполагает, что коренная порода должна быть покрыта достаточным слоем наносов. В среднем глубина по­гружения, которая зависит от типа и размеров якоря, составляет:

-6м для якоря массой 4,5 т;

-10м для якоря массой 13,5 т.

Лапчатые якори можно использовать в различных типах отложений:

• от консолидированных до глинистых песков;

• от консолидированных до мягких глин.

Однако сила отрыва в большой степени зависит от вида грунта.

Лапчатые якори проявляют высокое сопротивление отрыву только в горизонтальном направлении. Поэтому важно, чтобы длина якорного каната отвечала этому требованию. Если угол между якорным канатом и

171

поверхностью грунта не равен 0 , то к горизонтальной держащей силе якоря следует применять следующий коэффициент уменьшения:

от 12 до 15% для угла 3°;

от 20 до 25% для угла 6°;

от 35 до 40% для угла 12°;

Если держащая сила якоря недостаточна, можно использовать сис­тему якорей (с чугунной накладкой), состоящую из двух или более яко­рей, соединенных стренгами каната длиной в несколько десятков метров. Каждый якорь при этом увеличивает держащую силу якорной системы.

Неудовлетворительную работу лапчатого якоря можно объяснить (рис. 3.34):

- отсутствием углубления из-за того, что лапы не открылись вследствие неэффективности пятки якоря в жидких глинах (рис. 3.34, б);

• отсутствием углубления из-за слишком большого утла атаки лап особенно в плотных песках (рис. 3.34, в);

• волочением якоря (рис. 3.34, д);

• вращением якоря, не имеющего штока;

• чрезмерно низкой прочностью грунта на сдвиг (ничтожно малая когезия некоторых жидких глин).

Якори плавучей платформы ставят:

172

• с помощью самого судна для 3 или 4 якорей, а иногда даже 5-6;

с помощью тендера (вспомогательного судна или иного) для полу­погружных платформ, судов очень большого

Применяют два способа постановки якорей:

• иногда волочение якоря вдоль дна;

• чаще буксировка якорного каната, с одновременной перевозкой якоря на тендере.

Самым быстрым является способ волочения. При этом подразуме­вается отсутствие препятствий на дне. Якорь опускают на дно и натяги­вают с помощью спуско-подъемного троса (обычно армированного) с маркерного буя, тогда как якорный канат разматывают с опоры.

При эксплуатации якоря на поверхности метод натяжения якорно­го каната имеет преимущество в ограничении длины каната, протянутого по дну, и тем самым в уменьшении мощности, требуемой для тендерного судна. Однако это влечет за собой риск потери натяжения якорного кана­та, что может привести к запутыванию и пережиму каната при больших нагрузках.

Глубина погружения якоря (забивкой) зависит от свойств породы, требуемой держащей силы и его размеров. Для якоря размером 1,60 х 1,20 м необходима глубина:

• 3 - 5 м для держащей силы (теоретической) 1000 кН;

• 9 - 10 м для держащей силы (теоретической) 4000 кН.

Этот тип якоря можно использовать на всех песчаных или глини­стых грунтах.

Фирма Оушн Сайенс энд Энджиниринг изготавливает свайный якорь, состоящий из поворотной пластины, смонтированной на конце ве­ретена. Смещение центров центральной линии пластины и веретена дает возможность пластине прижиматься к веретену во время углубления, а затем проворачиваться при создании нагрузки на якорь. Устройство заби­вают в грунт вибродвигателями.

Грибовидные якори больших размеров (5 т и более) еще мало исполь­зуются несмотря на их преимущества, особенно в очень мягких грунтах.

Анкерные сваи. Использование постоянных якорных систем, пока что только для крепления погрузочных буев, с развитием глубоководного бурения будет расширяться при креплении плавучих сооружений, предна­значенных для добычи и хранения нефти.

Независимо от технологии применения эти якорные системы пред­ставляют собой в основном бурозаливную сваю.

Бурение ведется через сваю, которая спускается на бурильной ко­лонне. Буровое оборудование извлекается после цементирования сваи.

Бурение ведется с плавучей опоры, тип которой зависит от глубины воды: буровая платформа, судно с динамическим позиционированием и т.д.

Стандартная «вставная свая» состоит из сваи, пробуренной че­рез основную сваю и зацементированной с помощью продавливания це­ментного раствора.

Приблизительные характеристики «вставной сваи» этого типа сле­дующие:

173

• глубина крепления = 50 м;

• диаметр = 0,75 м;

• держащая сила в глине средней консолидации = 6000 кН. Метод «вставной сваи», зацементированной под давлением, дает

значительно лучшие результаты, чем результаты, полученные при исполь­зовании стандартного способа.

Благодаря непрерывному продавливанию цементного раствора свая диаметром 0,75 м, глубиной крепления 50 м теоретически обладает держащей способностью около 10000 кН в глине средней консолидации.

Этот тип сваи имеет особые преимущества в твердом грунте или грунте средней плотности, где небольшое увеличение объема цементного раствора значительно увеличивает прочность. Это могло бы быть альтер­нативным решением применения способа «вставной сваи» для крепления на глубинах до 200-300 м.

Группы свай. В настоящее время сооружение анкерных систем на больших глубинах, способных принимать вертикальные или почти верти­кальные нагрузки в 10000 кН и больше, можно осуществить с помощью группы свай, соединенных фундаментом.

Технология связи между верхней частью сваи и анкерным тросом зависит от примененного способа:

• трос, закрепленный петлей (вокруг сваи), удерживаемый с по­мощью приваренных выступов;

• опорная плита с соединительной скобой, приваренной к верхней части сваи;

• цепь, зацементированная в сваю;

- вращающееся соединение с соединительной скобой и т.д. Гравитационные якори. Гравитационные якори больших размеров,

изготавливаемые или разрабатываемые для заякоривания морских соору­жений, включают:

- гравитационные якори для крепления сооружений тросовым кре­ плением;

- фундаменты некоторых коллекторов или эксплуатационных стояков, имеющие массу в погруженном состоянии около 1000 т;

- гравитационные якори для крепления ног вышек с ожидаемым весом в погруженном состоянии от 20000 до 50000 кН.

Гравитационные якори еще не нашли широкого применения для креп­ления сооружений с тросовым креплением. Однако буй-хранилище «Спар» на месторождении Брент в Северном море фиксируется шестью анкерными троса­ми, удерживаемыми гравитационными якорями прямоугольной формы массой 1000 т, которые могут грузиться балластом и располагаться по кругу радиусом 1000 м.

Фундаменты коллектора или водоотделяющей колонны. Неко­торые виды фундаментов для эксплуатационных коллекторов или водоот­деляющих колонн представляют собой бетонные гравитационные якори.

174

На месторождении Арджил (Северное море), где эксплуатационной опо­рой является полупогружная платформа, водоотделяющая колонна удер­живается в напряженном состоянии с помощью (рис. 3.35):

• свай диаметров 75 см;

• бетонного фундамента со стороной 6-8 м и весом (на воздухе) 3500 кН.

Рис. 3.35. Эксплуатационная водоотделяющая колонна на месторождении Арджил (Северное море)

Бетонный фундамент для месторождения Арджил был изготовлен на берегу и установлен баржей с краном.

Использование гравитационных якорей для крепления плат­форм с растянутыми опорами. Платформы больших размеров с растяну­тыми опорами должны удерживаться тремя или четырьмя точками крепле­ния держащей силой от 20000 до 50000 кН и более (рис. 3.36). Этого можно достичь:

• с помощью группы свай, соединенных вместе опорной плитой;

• гравитационными якорями большого размера;

• гравитационными якорями, закрепленными сваями.

Во всех случаях проводится предварительная разведка дна и грун­та, что дает возможность решить вопрос об использовании метода креп­ления: лапчатые или лопаточные якори, сваи или гравитационные якори.

175

Рис. 3.36. Платформа с на­тяжными опорами «ВАП 200»

(Французского института нефти)

Якорная система ППБУ «Шельф» пассивного позиционирования включает:

• восемь якорей массой около 18 т каждый;

• четыре якорные лебедки;

• восемь якорных цепей длиной 1075 м калибра 76 мм с разрывной нагрузкой 4900 кН;

• восемь направляющих блок-звездочек, обеспечивающих измене­ние движения якорной цепи, которые установлены на угловых колоннах ППБУ;

• восемь комплектов специальных плавучих буев с буйрепами для обозначения прокладки якорей с помощью обслуживающих судов;

• восемь механизмов крепления и аварийной отдачи якорных це­пей, расположенных в цепных ящиках;

• восемь силоизмерительных устройств, входящих в состав каждой якорной лебедки;

• три запасных якоря, в том числе два с соединительными элемен­тами для использования их в качестве дополнительных;

- одну запасную цепь длиной 1075 м, один запасной комплект буйковой системы, хранящейся на берегу.

Управление лебедками осуществляют с местного или дистанцион­ного поста управления. Якорные цепи хранят в цилиндрических ящиках, расположенных внутри колонн ППБУ. Якоря в походном положении хра­нят на специальных кронштейнах.

176