Устойчивость самоподъемных буровых установок на слабых грунтах

Рассматриваются проблемы обеспечения устойчивости самоподъемных буровых установок на слабых, водонасыщенных грунтах. Показаны риски для сооружения и окружающей среды при их эксплуатации. Эксплуатация инженерных систем и помещений буровых вышек значительно развита в акватории черного моря. Устанавливается оборудование норвежских и германских фирм.

Проблемы обеспеченности энергоресурсами в настоящее время занимают абсолютное большинство стран в мире. Это относится не только к тем государствам, которые не имеют собственных запасов углеводородов, но и к тем, которые разрабатывают свои месторождения. В последние десятилетия ведется активное освоение углеводородных месторождений на шельфе морей, невзирая на то, что такая добыча обходится в 5-8 раз дороже, чем на суше. Уже в настоящее время морская добыча нефти и газа составляет примерно 30% от общей мировой.

Морская добыча нефти и газа во многом отличается от добычи на материковых месторождениях. Она имеет многочисленные особенности и сопутствующие проблемы, которые оказываются труднопреодолимыми. Сюда в первую очередь следует отнести глубину моря на месторождении, гидрогеологические и климатические условия, удаленность месторождения от материковой зоны и т.п.

Разведка и добыча углеводородов на морских месторождениях осуществляется с использованием специальных сооружений – морских платформ. Они могут быть стационарными или мобильными, т.е. использоваться многократно в различных регионах морского шельфа. Опасность использования этих сооружений при слабых грунтах основания повышается.

К мобильным платформам относят самоподъемные буровые установки, позволяющие вести разведочные и добывающие работы не только в различных регионах, но и при различных глубинах моря (в настоящее время уже достигнута стометровая глубина). Это сложные, дорогостоящие сооружения, стоимость которых достигает нескольких сотен миллионов долларов (рис.1)


Рис.1 – Общий вид самоподъемной буровой установки (СПБУ)

Такая платформа состоит из технологической палубы – понтона, который опирается на опорные ноги (чаще всего три или четыре), а нижние части опорных ног свободно опираются на грунт через башмаки (рис.2), равномерно передающие на грунт давление, достигающее 3000-5000 т и более. Площадь каждого башмака – 100-150 м2 [1]


Рис.2 – Опорный башмак ноги

На время транспортировки опорные ноги платформы находятся выше палубы. При установке на точку понтон ориентируют по сторонам света в соответствии с проектом. Затем при помощи спуско-подъемных узлов опорные ноги опускают до соприкосновения с донным грунтом и заглубляют в него. После этого палуба-понтон поднимается вверх по ногам-опорам на заданную высоту выше уровня воды с таким условием, чтобы зазор между днищем понтона и уровнем воды мог обеспечить прохождение штормовой волны обеспеченностью 1% и имел при этом запас 1 м. Затем начинаются технологические процессы.

Основная проблема при эксплуатации такого сооружения – обеспечить его надежность при всех видах силовых воздействий (штормовые волны, ветер, навал судов, сейсмические проявления, оползни и т.п.). Для этого необходимо, чтобы опорные ноги обладали заданной устойчивостью, а опорные конструкции ног обеспечивали вертикальную и горизонтальную несмещаемость, поскольку несоблюдение этого условия может привести к опрокидыванию сооружения, а, следовательно, к человеческим жертвам и экологической катастрофе. [2]

Что грозит при потере устойчивости СПБУ? Если устойчивость опорных ног можно обеспечить за счет конструктивных мероприятий [3], то поведение опорной части в зоне опирания ноги на грунт иногда очень трудно представить, и оценить влияние на надежность сооружения достаточно сложно, особенно при слабых подстилающих слоях грунта.

У опорной части ноги могут произойти размыв грунта в результате подводных течений и штормовых воздействий, просадка опорной части в результате недостаточной прочности грунта морского дна и т.д. Однако зная поведение конкретного грунта при его нагружении, особенно в состоянии сильного водонасыщения, можно прогнозировать последствия, которые произойдут во время эксплуатации сооружения [4].

Водонасыщение слабых грунтов – илов, песков, супесей и др. – резко снижает их механическую прочность. При значительных нагрузках, особенно динамического характера, наблюдаются просадки грунта. Тому имеется много примеров [5, 6].

Известно, что даже на илистые грунты можно опирать сооружения, если гарантировать, что при самых экстремальных силовых воздействиях их несущая способность будет обеспечена.

Выводы. 1. Морская добыча углеводородов на морских месторождениях в настоящее время составляет приблизительно 30% от общей добычи.
2. Наиболее часто разведка, а иногда и добыча углеводородов на шельфе морей осуществляется при помощи самоподъемных буровых установок.
3. Опасность использования этих сооружений при слабых грунтах основания повышается.
4. Предлагаемое конструктивное решение опорных конструкций СПБУ позволяет снизить аварийность этих сооружений.

Stability problems jackup rigs on soft soils are considered. Risks to the environment and buildings at their operation shown. Activities that reduce the risks to the environment and buildings are proposed.

1. Ясюк, В.Н. Самоподъемные плавучие буровые установки [Текст] /В.Н. Ясюк, Б.Р. Лившиц, В.Г. Витрик, Р.С.Яремийчук. – Львов, 2011. – 436 с.
2. Чемодуров, В.Т. Мониторинг окружающей среды при разработке морских месторождений углеводородов [Текст] / В.Т. Чемодуров, К.С. Пшеничная-Ажермачёва // Строительство и техногенная безопасность. Сб. научных трудов. Вып.49. –2014. - с.116-120.
3. Патент №83341 Украина. Плавуча платформа. Опубл. 10.09.2013. Бюл.№17.
4. Гир, Дж. Зыбкая твердь [Текст] /Дж. Гир, Х. Шах. - М.: Мир. Пер. с англ. – 1988. – 230 с.
5. Медведева Е.С. Влияние некоторых факторов на силу проявления газлийских землетрясений [Текст] / Е.С. Медведева. - Строительство в особых условиях. Сейсмостойкое строительство. Серия 14. Вып.8. 1985. – с.27-33.
6. Rosenblauth E. The Mexican earthquake: a first-hand report [Текст] // Civil Engineering. 1986. Vol.56, №1. – pp.38-40.