Full Text

1         Введение

В Казахстанском секторе Каспийского моря (КСКМ) имеется несколько  задач, обусловленные эффективностью инвестиций и рисками в области безопасности жизнедеятельности. Применяемые сейчас технологии, как кессонные и каркасные сооружения не в полной мере соответствуют инвестиционным требованиям.

Следовательно, предлагаемая система должна решить все три задачи, основанные на экономии, экологии и безопасности. В этой связи,  представляется безлюдная платформа с минимальным технологическим оснащением, имеющая возможность применяться в качестве сателлитных платформ в Северно-Каспийских проектах.

На сегодняшний день в мире существуют несколько стационарных морских ледостойких платформ, такие как Варандейский терминал (Россия), Бохай Си (Китай), Филановский (Россия) и  Буфорт Си (Канада).

К примеру, Варандейский терминал (Россия) уникальность Стационарного морского ледостойкого отгрузочного причала (СМЛОП) обусловлена, прежде всего, суровыми природными условиями. Зимой температура в этой местности может доходить до - 50 . Конструкция СМЛОП состоит из двух частей - опорного основания с жилым модулем на 12 человек, технологическими системами и поворотного швартово-грузового устройства (ШГУ) со стрелой и вертолетной площадкой. Восьмигранная форма опорного основания рассчитана так, чтобы выдержать максимально высокую ледовую нагрузку. Ко дну моря основание СМЛОПа прикрепляется 24-мя сваями [1].

Бохай Си (Китай). В Китае нефтяные и газовые ресурсы Бохайского моря являются в основном маргинальными нефтяными месторождениями. Следовательно,существует острая необходимость строительства как ледостойких, так и экономичных морских платформ. Исследовательской группой был проведен усталостный  анализ на Бохайском море, вызванной льдом который будет использован для вертикальных оболочечных сооружений в Бохайском море. Предложенный подход к анализу усталости, вызванной льдом,  может быть приложен к другим вертикальным структурам и в субарктических районах. Главная проблема предлагаемого метода анализа усталостной долговечности, вызванной льдом, заключается в следующем: учесть  усталостную ледяную нагрузку а также факторы окружающей среды вызывающие изменения во льду [2].

Филановский (Россия). Месторождение имеет уникальную геологию,с высокопроницаемыми коллекторами, дающими рекордно высокие начальные дебиты. С 2018 года добыча на месторождении находится на проектном уровне плато-6 млн тонн сырой нефти в год. Разработка месторождения состоит из трех этапов. Инфраструктура фазы 1, введенная в эксплуатацию в 2016 году, включает в себя ледостойкую стационарную платформу, платформу жилых помещений, блок стояков и центральную технологическую платформу. Фаза 2, введенная в эксплуатацию в 2017 году, включает в себя ледостойкую стационарную платформу и платформу для жилых помещений. Фаза 3, введенная в эксплуатацию в 2019 году, включает устьевую платформу (миниплатформу) [3].

         Буфорт Си (Канада). Мобильный арктический кессон «Моликпак» (MAC) был развернут в канадском море Буфорт в 1984 году. Он был разработан компанией Gulf и состоял из непрерывного стального кольцевого пространства, установленного на автономной конструкции палубы. Внешняя конструкция «Моликпака» рассчитана на экстремальные ледовые условия. Конструкция могла работать без бермы на глубине от 9 до 21 м. На больших глубинах конструкция была спроектирована так, чтобы располагаться на подводной берме. Ядро затрубного пространства было заполнено песком, который обеспечивал более 80% проектного горизонтального сопротивления. Для достижения полного расчетного горизонтального сопротивления при динамической нагрузке потребовалось уплотнение гидравлически размещенного сердечника. Также как и многие другие оффшорные суда, «Моликпак» использовал воду в качестве балласта [4].

Беспилотные нефтяные платформы становятся все более популярными среди нефтедобывающих компаний благодаря своей автономной работоспособности, экономичности и экологичности. Например, беспилотные нефтяные платформы используются в различных нефтедобывающих странах, таких как Норвегия, Великобритания, ОАЭ и других. В некоторых странах на автономные платформы приходится более половины от общего числа платформ. Более того, внедрение технологии в Северо-Каспийском регионе могло бы решить вопросы технико-экономического обоснования добычи на некоторых месторождениях нефти. Фактически, большинство этих стран добывают нефть в незамерзающих морских условиях, где ледовая нагрузка не учитывается, в то время как в северной части Каспийского моря наблюдается сезонное образование льда на поверхности моря. Следовательно, до реализации идеи необходимо предложить новую ледостойкую беспилотную нефтяную платформу, которая сможет выдерживать возможные ледовые нагрузки в Северном Каспии.

 Предлагаемая концепция платформы состоит из ледостойкой моно-башенной конструкции с интегрированным модулем и всасывающим основанием, также закрепленным к морскому дну с помощью свай. Настоящие  детали конструкции являются основой и новизной предлагаемой системы.

 

2         Методология

Международная организация по стандартам - это всемирно известная независимая неправительственная организация, которая разрабатывает и обеспечивает общие стандарты для разных стран. Для расчета ледовых нагрузок на конические морские конструкции существует стандарт ISO: 19906: 2010 «Морские конструкции в Арктике в нефтяной и газовой промышленности». Таким образом, оценка ледовой нагрузки на конструкцию платформы полностью основана на стандарте ISO: 19906: 2010. Согласно стандарту такие конические конструкции должны выдерживать ледовую нагрузку в горизонтальном и вертикальном направлениях с некоторым запасом прочности. Простая схема взаимодействия льда и конструкции между морским льдом и конструкцией с наклонной поверхностью представлена на рис.1

Рисунок 1. Компоненты ледового воздействия на наклонной конструкции для двумерного условия

Символы:

Наклонная грань конструкции

α Наклон грани конструкции от горизонтали

B наступающий ледяной щит

F_H горизонтальная составляющая ледового воздействия

N нормальная составляющая реакции на воздействие льда на конструкцию

F_V вертикальная составляющая воздействия льда

μ коэффициент трения ледяной конструкции

 

На рисунке 1 изображены компоненты действия ровного льда для двумерного взаимодействия с восходящей структурой.

Горизонтальная и вертикальная составляющие воздействия льда определяются уравнением 1:

 

(1)

(2)

где
N - составляющая, нормальная к поверхности конструкции;
α - угол наклона поверхности конструкции от горизонтали, радиан;
μ - коэффициент кинетического трения между льдом и поверхностью конструкции.
Отношение между вертикальной и горизонтальной составляющими задается уравнением

(3)

где

(3.1)

Горизонтальная составляющая общей силы зависит от различных переменных:

(4)

H_B - разрывная нагрузка;

H_P - составляющая нагрузки, необходимая для проталкивания листового льда сквозь обломки льда;

H_R - нагрузка, которая толкает ледяные глыбы вверх по склону через ледяной обломок;

H_L - нагрузка, необходимая для подъема обломков льда на надвигающийся ледяной покров перед его разрушением;

H_T - нагрузка для поворота ледяной глыбы на вершине склона.

 

H_B зависит от диаметра ватерлинии линейно, если такие переменные, как плотность воды и толщина ледяного покрова, будут увеличиваться, поэтому разрушающая нагрузка будет увеличиваться нелинейно. С увеличением толщины ледяного покрова, который является частью значения L_c, L_c тоже будет увеличиваться. Это означает, что разрушающая нагрузка сильно зависит от толщины ледяного покрова.

 

(5)

где

w - диаметр конуса по ватерлинии или ширина наклонной конструкции;

h - толщина ледяного покрова;

ρ_w - плотность воды;

g - ускорение свободного падения;

 

(6)

где

E - модуль упругости;

v - коэффициент Пуассона для льда, обычно равный 0,3;

 

H_P - это составляющая нагрузки, необходимая для проталкивания листового льда сквозь обломки льда. Зависимость H_P от переменных, которые входят в уравнение, нелинейна, за исключением пористости ледяных обломков и отношения углов их касательных значений.

(7)

где

ρ_i - плотность льда

h_r - высота щебня;

μ_i - коэффициент трения льда о лед;

е - пористость ледяной крошки;

θ - угол между обломками и горизонтом.

(8)

Где

(9)

Компонент нагрузки H_L определяется следующим уравнением:

(10)

где

c - угол сцепления, ϕ - угол трения ледяной обломки. Величина нагрузки, необходимая для поворота блока в верхней части блока или H_T, определяется уравнением:

(11)

 

Из уравнений (9), (10) и (11) можно увидеть, что существует линейная зависимость между расчетными значениями и диаметром ватерлинии (w), который является одним из наиболее важных параметров конструкции, а также гравитационной постоянной (g) и плотности льда (ρ_i). Чтобы учесть сжимающее напряжение внутри ледяной глыбы, вызванное горизонтальной силой, вычисленное значение подставляется в следующее уравнение, которое обновляет результаты прочности на изгиб:

(12)

 

где σ_f - начальная прочность на изгиб, а l_c - общая длина окружной трещины. Где σ_f рассчитывается следующим образом:

(13)

где v_b:

                                                        

(14)

где T в ℃. Кроме того, l_c рассчитывается по следующей формуле:

(15)

учитывая, что L_c является постоянным, из уравнения (13) очевидно, что один из параметров, определяющих длину ледяных блоков, которые образуются в результате столкновения дрейфующего морского льда и конструкции платформы, окружная трещина (l_c), пропорционально зависит от диаметра ватерлинии конструкции.

Основная цель этого отчета - разработать инструмент / каталог для расчета ледовой нагрузки на основе экологических параметров северной части Каспийского моря в зависимости от двух основных проектных параметров платформы: α уклона поверхности конструкции от горизонтали и w, который представляет собой диаметр ватерлинии конус или ширина наклонной конструкции.

Для разработки инструмента расчета ледовой нагрузки был разработан код MATLAB на основе информации, представленной в стандарте ISO: 19906: 2010. Для пробного запуска два различных проектных параметра, такие как угол наклона и диаметр ватерлинии, были заданы в следующих диапазонах:

	Минимум	Mаксимум	Номер образца
– угол наклона структуры поверхности от горизонтали	11°	85°	100
w - диаметр конуса по ватерлинии или ширина наклонной конструкции	5 м	20 м	100

 

Для заданных проектных параметров код MATLAB дал минимальное значение для полной силы (T = √ (F_H ^ 2 + F_V ^ 2)) 4,5485 × 10 ^ 6 Н при расчетных значениях 48,3737 ° и 5 м. Поскольку существует линейная зависимость между силой и диаметром ватерлинии, очевидно, что минимальный диаметр ватерлинии приводит к минимальной силе.

Верификация

Для правильности захода на посадку проверка должна выполняться с максимальными значениями силы.

Параметр	Значение
θ	(α-10)°
Трение льда в лед (μi)	0,035
Плотность льда (ρi)	920 kg/m3
Температура льда (T) (минимум)	-42°C
Модуль Юнга льда (E)	6 GPa
φ	40°
Сплоченность льда (в)	7 kPa
Соленость (S)	0,002
Толщина льда (ч)	1.2 m
Высота щебня (час)	20 m
Плотность воды	1000 kg/m3
ускорение	9.81 m/s2
Коэффициент Пуассона (ν)	0.3
Трение между сталью и льдом (µ)	0.03
Пористость щебня	0.4

 

1. Интегрированный модуль может содержать различное оборудование для добычи нефти и газа (манифольды, фонтанное и устьевое оборудование, и т.д.). Основными преимуществами являются:

- легкая конструкция (до 1000 тонн), которую можно устанавливать внутри шахты платформы для использования свободного пространства. Для снижения веса и габаритов модуля можно применять многоствольную систему [3];

- обеспечивает безопасность рабочего персонала во время ремонта. Модуль должен устанавливаться как можно ближе к верхней части горловины платформы для обеспечения доступа к воздуху и безопасной эвакуации персонала при аварийно-спасательных операциях; 

- исключение разливов нефти в море, т.е. в случае утечки промысловой жидкости, все будет собирается внутри шахты, которая должна быть сухой во время эксплуатации;

- можно проводить интеграцию модуля с опорным основанием и тестирование в судостроительной верфи, что также позволит сократить расходы человеко-часов в море.

- экономия в проекте «будущего расширения» за счет исключения необходимости строительства нового опорного основания;

2. Конструкция всасывающего основания в опорной части платформы позволяет быстро и бесшумно проводить установку сооружения на море с помощью системы насосов и инклинометра, которые позволяют центрировать ЛБСП. Есть отдельные компании, которые могут профессионально установить платформу, используя свое оборудование. Данная технология не требует подготовку морского дна и исключает закуп и логистику огромного количества строительного материала (известняк и песчаник), т.е. обеспечивает ресурсосбережение в проекте, а также минимизирует риск нанесения вреда окружающей среде.

Предлагаемая технология должна помочь в привлечении инвестиции в нефтегазовый сектор Северного Каспия.  Для этого требуется провести техническое исследование и технико-экономическое обоснование концепции.

Рисунок 2. 3D-модель основания платформы

 

3         Результаты и анализ

В анализе учтены природные-климатические данные региона. Ледовые и ветровые нагрузки в условиях Северного Каспия с экстремальным значением, т.е. с вероятностью повторения событий 1 раз в 100 лет. Был произведен расчет ледовых нагрузок, которые зависят от угла наклона и диаметра ватерлинии при толщине льда 1.5м.

 

Учитывая разнообразие нефтяных участков в Северном Каспийском регионе, изначально проект включает три типа автономных нефтяных платформ с разными размерами, которые условно называются малыми (диаметр скважины 9 м), средними (диаметр скважины 12 м) и большими (диаметр скважины 15 м), а также всеми моделями. с одинаковым углом наклона 60 °. Таким образом, поскольку эти конструкции имеют разный диаметр ватерлинии, прежде чем перейти к анализу методом конечных элементов, соответствующие ледовые нагрузки для каждой платформы были рассчитаны в специальном инструменте MATLAB, который был разработан ранее.

Для платформы большего диаметра скважины 15 м после первоначального моделирования в программе SolidWorks и ряда модификаций общий вес конструкции составил 1576 тонн, включая сваи и добавку веса 30%. Кроме того, вес верхней части оценивался в 7496 тонн. Ледовые нагрузки, оказываемые на наклонную поверхность, были следующими: F_H = 4,3188*10⁷ Н и F_V = 2,3237*10⁷ Н. Результаты анализа методом конечных элементов показали способность выдерживать ледовые нагрузки при данных обстоятельствах, при этом максимальное напряжение равно 317 МПа при максимальной деформации 32 мм (Рисунки 3 и 4).

Рисунок 3. Распределение механического напряжения для платформы максимального размера (максимальное напряжение 317 МПа)
Рисунок 4. Деформация максимальной платформы (максимальная деформация 32 мм)

Силы реакции для максимальной платформы следующие:

Номер свай	Сила реакции, Н
Pile 1	7.34E+06
Pile 2	3.26E+06
Pile 3	1.87E+06
Pile 4	6.54E+06
Pile 5	5.44E+06
Pile 6	2.15E+06

Следовательно, согласно стандартному расчету API RP 2A, для большой платформы сваи такого размера способны обеспечить достаточную устойчивость и способность выдерживать внешние нагрузки:

Внешний диаметр (D), мм	Тощина стенки (t), мм	Длина свай, м
1067	17	15

Такие сваи имеют несущую способность силой 7,46 МН, что превышает максимальную силу реакции, испытываемую сваями.

Для нефтяной платформы среднего размера величины ледовой нагрузки были следующими: F_H = 3,8869*10⁷ Н, F_V = 2,0913*10⁷ Н, при этом максимальный вес был равен 1326 тоннам, включая сваи и запас дополнительной массы 30%. Кроме того, 2404 тонны верхнего строения прибавятся. Результаты анализа методом конечных элементов были следующими (Рисунки 5 и 6):

Рисунок 5. Распределение механического напряжения для платформы среднего размера (максимальное напряжение 314 МПа)
Рисунок 6. Деформация платформы среднего размера (максимальная деформация 28 мм)

Расчеты на платформе среднего размера показало следующие нагрузки реакции сваи:

Номер свай	Сила реакции, Н
Pile 1	3.55E+06
Pile 2	7.52E+05
Pile 3	6.50E+06
Pile 4	3.92E+06
Pile 5	6.07E+06

 

 

Поэтому при расчетах конструкции сваи предлагаются сваи следующих размеров:

Внешний диаметр (D), мм	Тощина стенки (t), мм	Длина свай, м
1067	17	16

         Сваи таких размеров способны выдерживать силу 7,95 МН, что явно больше максимальной силы реакции.

Для платформы небольшого размера MATLAB код дает следующие результаты: F_H = 2,84*10⁷ Н, F_V = 1,53*10⁷ Н. Расчет веса показал 902 тонны с сваями и дополнительным весом 30%. Согласно численному моделированию на платформе ANSYS FEA при заданных нагрузках, эта платформа испытывает максимальное напряжение 241 МПа и деформацию 34 мм (Рисунки 7 и 8).

Рисунок 7. Распределение механического напряжения для платформы среднего размера (максимальное напряжение 241 МПа)
Рисунок 8. Деформация платформы минимального размера (максимальная деформация 34 мм)

Наконец, расчет сваи для малогабаритной платформы показал следующие результаты:

Номер свай	Сила реакции, Н
Pile 1	1,69E+06
Pile 2	3,28E+06
Pile 3	5,18E+06
Pile 4	5,19E+06
Pile 5	3,28E+06
Pile 6	1,64E+06

Согласно API RP 2A, сваи с характеристиками приведенными ниже могут поддерживать платформу небольшого размера и имеют максимальную пропускную способность 6,37 МН:

Внешний диаметр (D), мм	Тощина стенки (t), мм	Длина свай, м
914	16	15

 

Ледокольная часть всех конструкций больше всего подвержена высоким нагрузкам варьирующихся в диапазоне 200 – 315 МПа, которые значительно превышают допустимые значения 230 МПа. Хотелось бы отметить то, что высокие нагрузки носят локальный характер, поэтому для исключения пластической деформации в локальных местах допустимое напряжение принимается равным пределу текучести материала 345 МПа (толщина стенки 40 мм). Таким образом, конструкция опорного основания платформы считается приемлемым. Вдобавок, полое пространство ледокольных конструкции заполняется бетоном для упрочнения конструкции и увеличения стабильности на морском дне. Эффект влияния бетона на прочность не было включено в данный расчет, поэтому при более детальном рассмотрении прочность конструкции будет намного выше допустимого значения 345 МПа. Подобно максимальным нагрузкам, деформация во всех платформах носит локальный характер, никаких нарушений стабильности платформы не обнаружены. Локальные деформации 32мм (максимальный размер), 28мм (средний размер) и 34мм (минимальный размер) не критичные и могут быть нивелированы за счет упрочнения ребрами жесткости в этих местах и бетонной смесью, заполненной внутри ледокольной конструкции.

Заключение

В ходе данного исследования были проведены обширные исследования новой автономной нефтяной платформы для применения на Северном Каспии. Несмотря на то, что технология автономных нефтяных платформ не нова для нефтегазовой отрасли, она еще не нашла применения в казахстанском секторе Каспийского моря. Такая технология могла бы решить экономические и экологические проблемы, существующие в этом регионе. Новизна предлагаемых платформ заключается в применении всасывающих основ наряду с обычными сваями, которые могут обеспечить улучшенную устойчивость. Во время исследования был выполнен расчет веса, а также ледовых нагрузок с помощью ISO 19906. Анализ методом конечных элементов показал, что эти конструкции могут выдерживать нагрузки, оказываемые ледовыми глыбами, за исключением некоторых экстремальных локальных нагрузок, которые можно легко уменьшить. Кроме того, величины деформации попадают в допустимые пределы. Помимо анализа методом конечных элементов, для каждой отдельной платформы были выполнены расчеты конструкции свай. В целом, предлагаемая новая конструкция автономной нефтяной платформы может в достаточной степени решить существующие проблемы в Северо-Каспийском регионе.

About the authors

Nursultan Alzhanov

Author for correspondence.
Email: n.alzhanov@niikmg.kz

Maksat T. Tleshev

ТОО «КМГ Инжиниринг»

Email: m.tleshev@niikmg.kz

магистр наук по нефтегазовому строительству, эксперт дисциплинарный

Kazakhstan, Нур-Султан

References

Supplementary files