Совершенствование нормативной базы на системы райзеров объектов освоения месторождений российского арктического шельфа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.23, кандидат технических наук Квасняк, Анна Дмитриевна

• Квасняк, Анна Дмитриевна
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Квасняк, Анна Дмитриевна

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ОБЗОР НОРМАТИВНОЙ БАЗЫ.

1.1 Стандарты в области морской нефтегазодобычи.

Международная организация по стандартизации (International Organization for

Standardization - ISO).

Американский нефтяной институт (American Petroleum Institute - API).

Канадская ассоциация по стандартизации (Canadian Standards Association - CSA).

Стандарты системы NORSOK.

Система стандартов DNV.

Российская система стандартизации (ГОСТ Р).

1.2 Анализ уровня гармонизации стандартов на морскую нефтегазодобычу.

ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ВОПРОСА ГАРМОНИЗАЦИИ СТАНДАРТОВ.

2.1 Анализ подходов гармонизации стандартов.

2.2 Предложения по методологии процесса гармонизации стандартов.

ГЛАВА 3 ПРАКТИКА ОСВОЕНИЯ МОРСКИХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПОДВОДНЫХ ДОБЫЧНЫХ И РАЙЗЕРНЫХ СИСТЕМ.

3.1. Концепции освоения морских месторождений нефти и газа.

3.2. Мировые проекты и передовые технологии освоения морских месторождений нефти и газа с применением подводных добычных систем и плавучих технологических комплексов.

3.2.1 История развития добывающего флота.

3.2.2 Первый российский проект с применением плавучей добывающей установки FPU

3.2.3 Технологии райзеров и гибких труб.

3.3. Особенности эксплуатации нефтегазовой техники в условиях арктического шельфа.

ГЛАВА 4 АНАЛИЗ ПОДХОДОВ К СТАНДАРТИЗАЦИИ СИСТЕМ РАЙЗЕРОВ.

4.1 Обзор мировой практики стандартизации райзерных систем.

4.2. Сравнительный анализ стандартов на динамические райзеры (DNV-OS-F201, ISO 13628-12, API RP 2ND).

4.2.1 Область распространения и структура стандартов.

4.2.2 Подходы к проектированию систем райзеров.

4.2.3 Требования к нагрузкам на системы райзеров.

4.3. Выводы по сравнительному анализу стандартов на динамические райзеры.

ГЛАВА 5 МЕТОДИКА УЧЕТА ЛЕДОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ В СТАНДАРТАХ НА СИСТЕМЫ РАЙЗЕРОВ.

5.1 Виды ледовых образований и их воздействий на нефтегазовые технологические комплексы на арктическом шельфе.

5.2 Снижение риска негативного ледового воздействия на объекты обустройства морских месторождений.

5.3 Оценка воздействия морского льда на системы райзеров.

5.3.1 Способы защиты райзеров от воздействия ледяного покрова.

5.3.2 Методика проектирования райзерной системы в ледовых условиях с заданным уровнем надежности.

5.3.3 Анализ возможности попадания льда в зону райзера.

5.3.4 Анализ опасности повреждения райзера льдом.

ГЛАВА 6 ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО ГАРМОНИЗАЦИИ СТАНДАРТОВ НА СИСТЕМЫ РАЙЗЕРОВ С УЧЕТОМ ОСОБЕННОСТЕЙ РОССИЙСКОГО АРКТИЧЕСКОГО ШЕЛЬФА.

6.1 Подведение итогов проведенных исследований по гармонизации стандартов.

6.2 Предложения по стандартизации требований к ледовым нагрузкам на системы райзеров, исходя из специфики российского арктического шельфа.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование нормативной базы на системы райзеров объектов освоения месторождений российского арктического шельфа»

Актуальность работы. С учетом темпов освоения углеводородных ресурсов шельфа в России существует необходимость разработки комплекса стандартов на процессы и технические средства обустройства морских нефтегазовых месторождений. На сегодняшний момент в России отсутствуют стандарты на такой сугубо морской вид техники, как райзеры. В международной практике накоплен серьезный опыт стандартизации в области морской нефтегазодобычи. Тем не менее, прямое применение международного опыта по стандартизации райзерных систем не обосновано в силу специфики российского арктического шельфа.

Объектом исследования является нормативная база и особенности стандартизации систем райзеров, предназначенных для эксплуатации в условиях российского арктического шельфа.

Цель работы заключается в совершенствовании нормативной базы, выявлении особенностей и разработке научно-обоснованных предложений по стандартизации систем райзеров с учетом специфики российского арктического шельфа.

Основные задачи исследования:

- Обзор международной, зарубежной и отечественной нормативной базы в области морской нефтегазодобычи.

- Разработка методологии процесса гармонизации стандартов.

- Анализ практики освоения морских месторождений с применением подводных добычных и райзерных систем и особенностей эксплуатации нефтегазовой техники в условиях арктических морей.

- Сравнительный анализ подходов и практики стандартизации систем райзеров основных систем зарубежных стандартизации с точки зрения приемлемости их положений для российских арктических условий.

- Разработка методики учета ледового воздействия для целей стандартизации.

- Разработка предложений по гармонизации стандартов на системы райзеров с учетом особенностей российского арктического шельфа.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем. 4

Разработана методика процесса гармонизации стандартов, которая направлена на повышение надежности системы райзеров на стадии проектирования за счет стандартизации процесса оценки вероятности повреждения райзеров льдом.

Разработан алгоритм анализа ледового воздействия на систему райзеров, который учитывает оценку возможности попадания льда в зону райзера и вероятностный подход к оценке безопасности системы райзеров, эксплуатируемых в ледовых условиях. Данный алгоритм направлен на формализацию процесса анализа и учета ледового воздействия в стандартах на системы райзеров.

Основные защищаемые положения:

1. Методика гармонизации стандартов, учитывающая специфику российских условий, в т.ч. арктического шельфа, и особенности эксплуатации систем райзеров в ледовых условиях.

2. Алгоритм оценки и учета ледовых воздействий на систему райзеров с целью внесения его в качестве дополнительных требований в проект гармонизированного российского стандарта на системы райзеров.

3. Вероятностная модель определения уровня безопасности системы райзеров, эксплуатируемых в условиях риска повреждения льдом. Модель направлена на повышение надежности системы райзеров на стадии проектирования за счет стандартизации методики оценки вероятности повреждения райзеров льдом.

4. Рекомендации по стандартизации и рекомендации по способам и средствам защиты райзеров от ледовых воздействий при условии значительной вероятности повреждения райзеров льдом и неприемлемых значениях риска повреждения райзера льдом.

Практическая значимость. Результаты работы внесены в качестве предложений по стандартизации систем райзеров в российский технический комитет №23 «Техника и технологии добычи и переработки нефти и газа». Разработка национальных стандартов на подводные добычные системы, гибкие трубы и райзеры находятся в планах работ по стандартизации Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии Российской Федерации, в связи с этим проделанные автором исследования и полученные выводы способствуют инновационному развитию отечественной системы стандартизации.

Результаты работ имеют практический интерес в качестве предложений по совершенствованию работы Международной организации по стандартизации ISO над стандартами на системы райзеров.

Публикации. Результаты исследований автора отражены в восьми научных публикациях, в т.ч. в двух изданиях, включенных в «Перечень.» ВАК Минобрнауки РФ.

Апробация работы.

Основные результаты и положения настоящей диссертационной работы были доложены на следующих конференциях:

- II Международная конференция «Освоение ресурсов нефти и газа российского шельфа: Арктика и Дальний Восток (ROOGD-2008)», Москва. 17-18 сентября 2008г.;

- Научно-практическая конференция молодых специалистов и ученых «Применение новых технологий в газовой отрасли: опыт и преемственность», п. Развилка, МО, 30 сентября-1 октября 2008 г.;

- VI научно-практической конференции молодых специалистов и ученых ООО «Газпром ВНИИГАЗ»-«Севернипигаз» «Инновации в нефтегазовой отрасли -2009», Ухта, 29 июня - 4 июля 2009г.;

- Восьмая всероссийская конференция молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности», Москва, 6-9 октября 2009г.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, изложенных на 137 страницах машинописного текста, включает 15 таблиц и 27 рисунков. Список литературы содержит 51 наименование.

Заключение диссертации по теме «Стандартизация и управление качеством продукции», Квасняк, Анна Дмитриевна

Выводы по анализу требований основных стандартов на арктические сооружения

Анализ стандартов [26,37,43,31], устанавливающих требования к морским нефтегазовым сооружениям, предназначенным для эксплуатации в арктических условиях, позволяет отметить, что в них уделено значительное внимание учету ледовых нагрузок. Также характерно то, что стандарты CSA [31] и API [26] распространяются только на стационарные сооружения, в то время как ISO [37] и NORSOK [43] распространяются на стационарные и плавучие сооружения.

Следует отметить, что стандарт ISO 19906 [26] вобрал в себя международную практику стандартизации ледовых нагрузок на сооружения, в разработке проекта которого также принимали участие российские специалисты. В планах работ Федерального агентства по техническому регулированию РФ включена разработка российского стандарта на основе ISO 19906.

ISO 19906 является полновесным документом целью, которого является обеспечение надежности эксплуатации морских сооружений в арктических условиях независимо от типа сооружения и характера или комбинации используемых материалов. Тем не менее, в стандарте не уделяется достаточного внимания требованиям в отношении ледовой нагрузки на системы райзеров, в нем лишь упомянуто, что райзеры должны прокладываться таким образом, чтобы избежать воздействия льда.

В данной ситуации, исходя из проделанного в предыдущей и текущей главе анализа нормативных документов, можно говорить о недостаточности требований к ледовым нагрузкам на системы райзеров в существующих зарубежных стандартах. В связи с тем, что российские арктические моря отличаются суровыми ледовыми условиями, учет ледового воздействия на системы райзеров имеет серьезное значения в контексте обеспечения безопасной эксплуатации морских месторождений, что требует внесения дополнительных особых положений в российский стандарт на райзеры.

В связи с этим в следующем разделе даны предложения по оценке ледового воздействия на системы райзеров, что позволит учесть особенности арктического шельфа при разработке российский стандартов на системы райзеров.

5.3 Оценка воздействия морского льда на системы райзеров

5.3.1 Способы защиты райзеров от воздействия ледяного покрова

Если в качестве объекта обустройства морского месторождения используется плавучая или стационарная платформа того или иного типа, то морской лед может оказывать на систему райзеров, соединяющих подводные устья скважин с корпусом (палубой) платформы, косвенное и прямое воздействие.

Косвенное воздействие связано со смещением плавучей платформы (например, корабельного типа, FPU - Floating Production Unit) в целом, вызванным действием льда на корпус платформы, которое передается райзеру как элементу системы обустройства месторождения (рис.5.3). Необходимо отметить, что такое косвенное воздействие природных факторов имеет место и в безледных условиях - оно порождается воздействием волн, течений и ветра и учитывается при проектировании. Например, на месторождении Lufeng 22-1 в Южно-Китайском море эксплуатируется FPU «Munin» [44], для которого проектом предусмотрено отсоединение райзерной системы и системы заякорения в случае приближения мощных тайфунов во избежание их повреждения.

Рисунок 5.3 - Концептуальный проект FPU для ледовых условий [20, 42]

Наибольшую опасность в случае ледовых условий представляют айсберги и крупные ледовые образования, такие как торосы. Столкновение с ними может привести как к повреждению корпуса платформы, так и к чрезмерному горизонтальному смещению узла крепления райзера к корпусу, что может вызвать повреждение или полное разрушение самого райзера.

Обе ситуации ведут к нарушению технологических процессов и представляют угрозу общей безопасности деятельности по разработке месторождения. Поэтому при проектировании обустройства месторождения предусматриваются определенные степени защиты и предупреждения ледовых воздействий на сооружение, как, например, мониторинг ледовой обстановки и активное воздействие на айсберги. Приведенный выше анализ стандартов показал, что вопросу защиты арктических морских сооружений от воздействия морского льда уделяется серьезное внимание.

Для стационарных платформ в ледовых условиях возможно применение подхода, при котором райзер конструктивно проектируется с такими параметрами, которые обеспечивают его несущую способность при непосредственном воздействии ледяного покрова, другими словами — в условиях прямого воздействия льда райзер проектируется «в ледовом исполнении». Практическим примером могут служить добычные платформы типа «джекет» (рис. 5.4), применяемые в заливе Бохай (северо-западная часть Желтого моря). Из фотографии видно, что отсутствует какая-либо конструктивная защита райзеров, вследствие чего они сами противостоят непосредственному воздействию дрейфующего льда.

Рисунок 5.4 - Добычная платформа типа «джекет» с ледостойкими райзерами (залив Бохай, Китай [46])

На практике применяется и другой подход, когда «неледостойкие» райзеры размещаются внутри некоторого внешнего защитного ледостойкого корпуса. Примером может служить платформа Кравцовская (рамная конструкция типа «джекет»), с 2004 г. добывающая нефть в Балтийском море (рис.5.5).

Рисунок 5.5 - Добычная платформа Кравцовская типа «джекет» с противоледной защитой райзеров (слева) [23]

А, например, в гравитационной платформе Лунская (проекте «Сахалин-2») райзеры помещены внутри одной из опорных колонн, поддерживающих интегральную палубу с технологическим оборудованием (рис. 5.6).

Рисунок 5.6 - Платформа «Лунская-А» (проект «Сахалин-2») [24]

Таким образом, при проектировании райзерных систем для акваторий с ледовым режимом могут быть выбраны различные подходы для защиты райзеров от опасности воздействия льда, которое может быть прямым и (или) косвенным. Для выбора оптимального варианта необходимо оценить соответствующие риски с качественной и количественной точек зрения.

5.3.2 Методика проектирования райзерной системы в ледовых условиях с заданным уровнем надежности

В диссертационной работе основное внимание уделяется разработке подхода к проектированию райзерной системы применительно к риску прямого воздействия льда. В первую очередь это относится к актуальному для российского шельфа случаю использования на месторождении плавучего сооружения корабельного типа, FPU (рис. 5.3), при наличии ледовых условий. В частности, такой вариант рассматривается как основной при освоении Штокмановского газоконденсатного месторождения. При этом с одной стороны, воздействие льда на уровне воды воспринимается корпусом FPU, и поэтому воздействие льда на райзер является косвенным. Но с другой стороны, поскольку существует возможность попадания обломков разрушенного ледяного покрова под днище судна, то имеется опасность реализации и механизма прямого (непосредственного) воздействия льда на систему райзеров. Такой, в некотором смысле, комбинированный случай не нашел отражения в существующих стандартах.

Опасность прямого воздействия льда на райзеры возрастает в случае ледовых полей высокой сплоченности, появление которых вероятно в арктических акваториях. Рассмотрим следующий типичный сценарий воздействия ледяного поля на корпус плавучей платформы. Ровный сплошной лед под действием внешних сил (течение, ветер) надвигается на сооружение и разрушается, взаимодействуя с корпусом, что приводит к образованию битых ледяных полей вокруг платформы. При этом возникает опасность того, что образующиеся обломки могут оказаться в области райзеров и создать угрозу целостности и работоспособности системы райзеров.

На рисунке 5.7 предлагается алгоритм, который описывает методику анализа ледового воздействия на систему райзеров для рассмотренного сценария (отметим, что методика применима и в случае стационарных платформ, а не только плавучих). Предложенная схема основана на вероятностном подходе, учитывает фактор случайности при возникновении ледовых угроз и позволяет определить надежность райзерной системы, эксплуатируемой в ледовых условиях.

Рисунок5.7-Алгоритм оценки воздействия льда на райзерную систему

Методика выбора конструктивных параметров райзерной системы по критерию допустимого риска имеет итерационный характер и основана на последовательном анализе риска райзерной системы при данных конструктивных параметрах.

Сначала выбираются номинальные значения параметров конструкции райзеров без учета ледовых нагрузок, исходя из производительности системы и обеспечения технологических параметров добычи. Т.е. можно говорить о том, что на исходной стадии проектирования выбрана конструкция системы райзеров, наиболее подходящая для данного способа обустройства месторождения и режима эксплуатации, причем предполагается, что не предусмотрено дополнительной степени защиты от ледового воздействия, которую можно представить в виде запаса надежности к.

Под запасом надежности в данном случае понимается абстрактная характеристика, которая может учитывать, например, специальные средства защиты или конструктивные изменения райзера, утолщение или повышение прочности стенки райзера. Когда речь идет о номинальных конструктивных параметрах райзера, то запас надежности приравнивается к единице: к=1.

Далее, следуя схеме анализа (рис.5.7), переходим к рассмотрению ледовых условий в регионе, где предполагается эксплуатация плавучей добычной системы. На данном этапе требуются данные о ледовом режиме в регионе, которые, как правило, основаны на многолетних наблюдениях и представлены в вероятностном виде. В общем случае данные должны включать следующее:

- толщину ровного льда и пространственные характеристики; прочностные характеристики льда;

- скорость дрейфа льда; частоту появления ледяных полей в регионе и т.д.

После того как получены данные о ледовом режиме в регионе, необходимо оценить возможность попадания льда в зону райзера. Это, в первую очередь, зависит от способа обустройства месторождения, т.е. от типа применяемого сооружения. Например, в случае неглубоководных акваторий месторождения могут обустраиваться с применением, во-первых, стационарных платформ гравитационного типа (как на Сахалине). В этом случае системы райзеров спрятаны внутри колонн основания (или всего корпуса - для платформ кессонного типа). Другим вариантом в неглубоководных акваториях является применение платформ рамного типа как на месторождении Кравцовское в Балтийском море) в сочетании с установкой дополнительной внешней защиты именно для райзерной системы. В обоих вариантах райзеры не подвержены прямому воздействию льда.

В рамках данной работы основное внимание уделяется способам обустройства месторождения с применением технологических судов (как, например, предполагается на Штокмановском месторождении в Баренцевом море [38]), когда система райзеров подсоединяется к судну посредством турели и располагается непосредственно в водном пространстве между днищем судна и дном моря. В таких случаях существует опасность попадания обломков битого льда под судно. Вследствие этого необходимо проведение инженерного анализа, основанного на механике разрушения ровного льда при его взаимодействии с сооружением, и оценка возможности попадания обломков льда в зону райзера. Ниже, в п. Анализ возможности попадания льда в зону райзера предложена соответствующая инженерная методика для случая плавучей платформы корабельного типа (FPU).

Далее, следуя схеме рисунка 5.7, если доказана возможность попадания льда в зону райзера, то необходимо проведение анализа опасности повреждения райзера льдом.

Анализ опасности повреждения райзера льдом должен основываться на инженерных расчетах всех возможных сценариев взаимодействия райзера со льдом, учитывая вероятность повреждения райзера льдом определенной толщины h. Очевидно, что чем больше толщина льда, тем выше вероятность повреждения райзера с заданными параметрами. При этом логично предположить, что лед, только начиная с определенной толщины, может повредить райзер (образовавшийся тонкий лед, даже попадая в зону райзера, не представляет для него опасности), тогда как лед максимальной толщины (h max) со стопроцентной вероятностью повредит райзер «неледостойкого» исполнения.

Приведенные соображения можно выразить в терминах и моделях теории вероятности. Пример реализации данного подхода приведен ниже в п. Анализ опасности повреждения райзера льдом. Результатом применения соответствующей методики является значение вероятности неповреждения (т.е. надежности) райзера с заданными конструктивными параметрами при данных ледовых условиях.

Поскольку в рамках современных подходах к проектированию в качестве определяющего критерия используется не только уровень вероятности повреждения сооружения и его элементов, но и количественные характеристики риска (который определяется как «Сочетание вероятности нанесения ущерба и тяжести этого ущерба» [9]), то представляется обоснованным на этом же этапе выполнить анализ последствий повреждения райзерной системы. Эта задача, для решения которой необходимы методы механики прочности и разрушения, а также физические модели истечения продукта из поврежденного райзера, требует отдельных исследований и не рассматривается в диссертационной работе.

Теперь, когда получены количественные оценки риска повреждения райзеров льдом, они могут быть сопоставлены с критериальными значениями, определяющими границу между допустимым и недопустимым риском. Если риск превышает допустимый уровень, то — следуя схеме рис. 5.7 — необходимо внести изменения в конструкцию проектируемой райзерной системы. Например, можно увеличить толщину стенок райзера, но возможен и кардинальный вариант - установить дополнительную конструктивную защиту.

После этого переходим к следующему шагу итерационного процесса выбора конструктивных параметров райзерной системы и т.д. — до попадания в завершающую стадию алгоритма: «Проект райзера отвечает условиям эксплуатации в ледовых условиях», т.е. до достижения приемлемого уровня надежности и риска.

5.3.3 Анализ возможности попадания льда в зону райзера

В данном разделе предлагается инженерный подход для оценки возможности попадания обломков льда в зону узла подсоединения райзеров к днищу плавучего сооружения корабельного типа, FPU. На рисунке 5.8 показана схема взаимодействия ледяного покрова с наклонным бортом FPU.

Надвигающееся

Рисунок 5.8 — Расчетная схема взаимодействия ровного льда с корпусом судна

Для определения возможности попадания льда под днище судна в настоящем разделе предлагается приближенная методика оценки глубины, которую могут достичь обломки льда, заталкиваемые вниз вдоль борта судна надвигающимся ледяным полем. Методика не требует сложных вычислений и основана на известных решениях об определении нагрузки на сооружения с наклонной гранью, когда лед заталкивается вверх (рисунок 5.9 [1]). Предлагаемый подход основан на том факте, что с математической точки зрения обе задачи подобны и отличаются лишь тем, что в случае FPU продвижению обломков препятствует архимедова сила, направленная вверх, в то время как в классической задаче о наползании льда на наклонную преграду продвижению обломков препятствует сила тяжести. Поэтому можно использовать расчетные формулы, полученные для второго случая, но с заменой одной силы на другую. с наклонной плоскостью [1]

Поведение ледяного покрова адекватно описывается с помощью модели изгиба пластин, опирающихся на упругое (винклеровское) основание (см., например, [1,30]). В задаче взаимодействия ледяного поля с преградой в ледяной пластине возникает сжимающая продольная сила. Поэтому для исследования соответствующих задач следует применять уравнения продольно-поперечного изгиба пластин на упругом основании. Для простоты в указанных работах ограничиваются балочным приближением, и результирующие определяющие соотношения записываются для балки единичной ширины (см. рис. 5.9) [1,30].

Fo =

Для расчета продольной силы Бо в ледяной балке, действующей в горизонтальном направлении на преграду в момент первого излома, в работах [1,30] предлагается следующее выражение: /,2 .т/4 Л а еп е '

Щ(р + <Р)

1) где

Бо - сжимающая сила, с^- прочность льда на изгиб; 11 - толщина льда; + W 61 = Eh* ^

12Р wgj

- характерный радиус изгиба ледяной балки;

Е - модуль упругости льда; pw - плотность воды; g — ускорение свободного падения;

W=pice g h b L — общий вес обломков льда в нагромождении;

Pice - плотность льда;

L =Н / sin р - общая длина нагромождения льда при условном предположении, что они набиваются в один слой;

Н - высота, на которую способны подняться обломки льда;

3 - угол наклона плоскости к горизонту; р = агс^ -угол трения; р. - коэффициент трения.

Выражение (1) описывает максимально возможную величину силы F0, заталкивающей лед вдоль преграды в рамках изгибного механизма разрушения ледяного поля. Очевидно, что эта величина не может превысить предельного значения, соответствующего предельному состоянию ледяного покрова по критерию прочности льда на сжатие в поперечном сечении, т.е. когда:

F0= ат S, (2) где gt - прочность льда на сжатие.

Оценим способность ледяных обломков заползать вдоль поверхности препятствия, исходя из ледовых условий Штокмановского месторождения, используя выражения (1) и (2).

Исходные данные: h=l,5 м; b = 1 м (удельный расчет - на единицу ширины ледяного поля); ат= 1,03 МПа;

Gf = 0,4 МПа;

Е = 5 109 Па; pw = 988 кг/м3; pice = 917 кг/м3; i = 0,25, ф = arctg 0.25 = 15°;

3 = 55°; g = 9,81 м/с2;

1 = f Eh'5

12р wg; =20м.

Расчет: стт hb = ~ г 2 „.т/4 jj-h е '

61 Pice§hbL

1,03-10® -1,5.1 =

0,4-106 -1,5^ -е tg {Р + <р)

2 . „Ф

6-20

Отсюда L=45,0 м, Н=36,9 м. 917 • 9,81 ■ 1,5-1 • Z tg(55 + 15)

Полученные значения превышают известные из практики, но совпадают по порядку. Из практики известно, что лед способен образовывать нагромождения высотой 10 и более метров (по некоторым источникам — до 20 м). Объяснение заключается в том, что в силу упрощенного подхода, не учитывались дополнительные факторы, уменьшающие высоту подъема льда. Это, например, потеря устойчивости прямолинейной формы цепочки обломков на наклонной грани. Как правило, на практике на сооружениях применяются специальные конструктивные элементы, которые препятствую поднятию обломков льда выше определенного уровня.

Теперь рассмотрим «обращенную» задачу. В интересующем нас случае взаимодействия ледяного поля с корпусом судна (рис. 5.8) можно обоснованно предположить, что лед будет набиваться под судно гораздо легче, что связано с тем, что вес льда в воде уменьшается почти в 10 раз. Оценим напряжение сжатия, возникающее в ровном льде на поверхности в предположении, что на корпус судна действиет сила, достаточная для заталкивания обломков льда под корпус судна, т.е. на глубину Н=20 м.

При расчетах воспользуемся той же теорией разрушения льда [1,30] только при «зеркальном» отражении расчетной схемы, т.е. когда препятствие находится под острым углом к горизонту и, соответственно, обломки льда заталкиваются ровным льдом под воду (рис. 5.8). В этом случае выражение (1) - после замены силы тяжести, действующей на надводные обломки льда, на выталкивающую силу Архимеда, действующую на подводные обломки, — примет вид: отсюда <?!= 0,077 МПа.

Так как ат =1,03 МПа, то получаем, что напряжение сжатия в надвигающемся ледяном поле, создаваемое силой, способной затолкнуть лед на глубину осадки судна, значительно меньше предела прочности льда на сжатие стт. Это говорит о том, что лед может оказываться под корпусом судна при возникновении незначительных усилий. Следовательно, из проведенного исследования вытекает, что в рассматриваемых условиях имеется высокая вероятность повреждения системы райзеров ледяными обломками и возникает необходимость проведения анализа опасности повреждения райзера льдом.

5.3.4 Анализ опасности повреждения райзера льдом

В этом разделе предложен вариант методики оценки вероятности повреждения райзерной системы ледяными обломками при известных параметрах ледового режима в районе эксплуатации морской платформы в предположении, что известна вероятность повреждения райзерной системы с заданными конструктивными параметрами льдом заданной толщины.

Пусть а) в регионе обустройства месторождения существует вероятность столкновения/взаимодействия судна с ледяными полями с известной плотностью распределения толщины льда \¥11(х) (рис. 5.10) и б) верна гипотеза о том, что вероятность попадания обломков льда в зону райзера при взаимодействии платформы с надвигающимся ледяным полем равна единице (т.е. рассмотрим только крупные ледяные поля). Тогда существует вероятность, О(х) повреждения райзера ледяным полем толщиной х при прохождении одного ледяного поля (рис.5.11). Значение вероятности зависит от многих факторов, включая скорость дрейфующего су, -1,5-1 = V

0,4-106-1,52-ет/4 6-20 (988 - 917) • 9,81 • 1,5 • 1 • 24,45 tg(55 +15) льда и его прочность. Кроме того очевидно, что функция вероятности повреждения райзеров льдом (рис.4.11) определяется и конструкцией райзера и должна выводиться из инженерных расчетов и моделей взаимодействия обломков льда и конструкции райзера. Поэтому определение этой вероятности представляет собой отдельную сложную задачу и не рассматривается в диссертации. шм

Ь таг

Рисунок - 5.10 Плотность распределения толщины ледяных полей в регионе

0(х)

Рисунок 5.11 - Вероятность повреждения райзера при прохождении одного ледяного поля толщиной И для райзерной системы данной конструкции

Представим случайные события прихода ледяных полей как элементы пуассоновского потока с интенсивностью прихода поля X, что часто делается при анализе столкновения морских объектов с различными ледяными полями (см., например, [11]). Но как было отмечено выше, не все поля повреждают райзер. Соответственно, применив инструмент прорежения потока [11], получаем, что интенсивность прореженного потока ледяных полей, т.е. только тех, что повреждают райзер, равна:

М- = г К (3) где г - вероятность повреждения райзера пришедшим ледяным полем, толщина которого имеет случайное значение. При этом важно отметить, что согласно общей теории [11] прореженный поток также будет пуассоновским.

Согласно предположению, что поток приходящих ледяных полей является пуассоновским, вероятность прихода за период времени Т ровно 1 полей равна [11]: р = е-яг(ЛТУ й ,1=0,1,. (4)

Очевидно, что используя прореженный поток, т.е. только те поля, которые повреждают райзер, можно утверждать, что событие неповреждения райзера будет иметь место только при условии, что пришло ровно ноль полей способных повредить райзер (т.е. 1=0). Тогда для прореженного потока (см. выражение (3)) вероятность неповреждения (надежность) райзера в течение периода времени Т (обозначим ее Б(Т) ) равна:

5(Г, = = > (5) где г может быть рассчитано по формуле полной вероятности шах

Г= ^к(х)-п(х)с1х (6)

Здесь 110 - наименьшая толщина поля, при которой возможно повреждение райзера заданной конструкции, а Ьпшх - максимальная толщина льда, возможная в данном регионе.

Зная плотность распределения толщины приходящих полей, \Уь(х) (см. рис. 5.10), и функцию распределения вероятности повреждения райзера заданной конструкции пришедшим полем толщиной х, Б(х) (см. рис.5.11), можно вычислить опасность (в терминах вероятности) повреждения проектируемого райзера льдом в зависимости от интенсивности А, потока ледяных полей в данном регионе. Удобно рассматривать период времени один год, тогда А, равно частоте прихода крупных ледяных полей.

В таблице 5.1 приведены значения вероятности неповреждения райзера Б(Т) для некоторых значений частоты появления ледяных полей (АТ) и вероятностей повреждения раизеров льдом с условным делением на допустимые, пограничные и недопустимые.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные исследования позволили получить следующие основные результаты:

1 На основании обзора и анализа международной и зарубежной нормативной базы на системы морских райзеров предложено разработку российских нормативных требований вести на основе международного стандарта ISO 13628-12.

2 Проведенный анализ практики освоения морских месторождений с применением подводных добычных и райзерных систем и особенностей эксплуатации нефтегазовой техники в условиях арктических морей позволил сделать вывод о нецелесообразности прямого применения требований международного стандарта без внесения дополнительных требований к ледовым нагрузкам, исходя из специфики российских природно-климатических условий.

3 Разработана стандартная методика учета ледового воздействия на системы райзеров, основанная на инженерных моделях определения возможности попадания льда в зону райзера и вероятностном подходе к оценке риска повреждения системы райзеров льдом в зависимости от ледового режима в регионе и конструкции райзера.

4 Разработаны предложения по стандартизации и рекомендации по способам и средствам защиты райзеров от ледовых воздействий при условии значительной вероятности повреждения райзеров льдом и неприемлемых значениях риска повреждения райзера льдом.

Выдвинутые в ходе работы предложения по стандартизации требований к учету ледовых нагрузок имеют практическое значение не только для российской системы стандартизации, но также представляют интерес для Международной организации по стандартизации в качестве российских предложений по совершенствованию ISO 13628-12, разработка которого находится в ведении Подкомитета №4 «Буровое и добычное оборудование» Технического комитета ИСО №67 «Материалы, оборудование и морские сооружения для нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Квасняк, Анна Дмитриевна, 2010 год

1. Бородавкин П.П. Морские нефтегазовые сооружения: Учебник для вузов. Часть 1. Конструирование. -М.: ООО «Недра-Бизнесцентр»,2006. -555с.

2. Вяхирев Р.И., Никитин Б.А., Мирзоев Д.А.Обустройство и освоение морских нефтегазовых месторождений. 2-е изд., доп. - М.: Издательство Академии горных наук, 2001. — 459с.

3. Гармонизация стандартов ОТ, ПБ И ООС в отношении работ в Баренцевом море. Основы техники безопасности работ на море. В0гге 1оЬап Рааэке/ Отчет Б1МУ №:112УХ\У9-1/2008

4. ГОСТ Р 1.7-2008 Стандартизация в Российской Федерации. Стандарты национальные Российской Федерации. Правила оформления и обозначения при разработке на основе применения международных стандартов

5. ГОСТ Р 51898-2002 Аспекты безопасности. Правила включения в стандарты

6. Долгосрочная программа работ ТК 23 на период 2009 2012 гг.

7. Е.С. Вентцель, Л.А. Овчаров. Теория вероятности. Задачи и уравнения: -М. Наука, 1973,368с.

8. Квасняк А.Д./ Сравнительный анализ подходов к стандартизации в области проектирования райзерных систем// Управление качеством в нефтегазовой промышленности. М.:2010, №1. - с. 58-61.

9. Основы разработки шельфовых нефтегазовых месторождений и строительство морских сооружений в Арктике: Учебное пособие/ А.Б. Золотухин, О.Т. Гудместад, А.И. Ермаков и др. М.: ГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2000.- 770с.

10. Перспективная программа развития национальных стандартов, обеспечивающих их гармонизацию с международными стандартами в научно-технической и производственной сферах на 2008-2012 годы

11. Принятие международных стандартов в качестве региональных или национальных. Р. Вайссингер. М: Мир стандартов, 2006, №6

12. Программа работ Технического комитета по стандартизации ТК 23 «Техника и технологии добычи и переработки нефти и газа» на 2009 год

13. Программа совместных работ ТК 23 «Техника и технологии добычи и переработки нефти и газа» и ТК 357 «Стальные и чугунные трубы и баллоны»

14. Проектирование технических средств для освоения шельфа. Группа компаний Морские и нефтегазовые проекты, 2005.

15. Руководство ИСО/МЭК (ISO/IEC) 21 «Региональное или национальное принятие международных стандартов и других международных документов»

16. Современное состояние технологий подводного компремирования газа при обустройстве морских нефтегазовых месторождений/ Ибрагимов

17. Сайт ЦКБ «Коралл», url: http://www.cdbcorall.cOm/3/31/

18. Сайт компании «Сахалин Энерджи», url: http://www.sakhalinenergy.com/en/imagegallery.asp?p=:imggalmain&s=25

19. Allyn N. (2000): The Use of Codes for Ice Loads on Structures on the Grand Bunks. National Research Council of Canada. PERD/CHC Report 11-38. Ottawa, 150p.

20. API RP 2N Recommended Practice for Planning, Design and Construction Fixed Offshore Structures and Pipeline for Arctic Conditions

21. API RP 2RD Design of risers for floating production systems (FPSS) and tension-leg platforms (TLPS)

22. Bai Y. Elsevier ocean engineering book series. Volume 3. Pipelines and risers: 2001-498p.

23. Bonnemaire B. et al. 2006. Deep whater flexible riser protection/ United States Patent № US 2006/0177272 Al

24. Croasdale K.R. Ice forces on Fixed Rigid Structures. In Working Group on Ice Forces on Structures: A State of the Art Report (T. Carstens, ed.), U.S.A. CRREL Special Report 80-26, ADA-089674, Hanover, New Hampshire, 1980.

25. CSA S471 General Requirements, Design Criteria, the Environmental and Loads. Code for the Design, Construction and Installation of Fixed Offshore Structures

26. Deepwater solutions and records for concept selection/ Offshore Magazine Poster/2009 (№78)

27. DNV-OS-F201 Dynamic Risers

28. Ewidaand J.R. Terra Nova Design Challenges and Operational Integrity Strategy/ Proceedings of the Eleventh (2001) International Offshore and Polar Engineering Conference

29. ISO 13628-1 Petroleum and natural gas industries. Design and operation of subsea production systems. Part 1: General requirements and recommendations

30. ISO 13628-12 Petroleum and natural gas industries. Design and operation of subsea production systems. Part 12: Dynamic production risers (WD)

31. ISO 19906 Petroleum and natural gas industries. Arctic offshore structures (FDIS)

32. Jeremy Beckman, Revised Shtokman development plan reaches presentation phase/ Offshore Magazine/ October 2009 (№ 69)

33. James R. McCaul, Growth of Floating Production Systems Accelerates/ Oil and Gas Journal/ May 2008

34. James R. McCaul, Outlook for floating production systems / Maritime Reporter / August 2003

35. Loset S. et al. 2006. Protection means for flexible risers/ United States Patent № US 7,114,85 B2

36. Loset S. 2005. Field offloading and tankering in ice/ Research report. NTNU. Trondheim

37. NORSOK N-003 Actions and action effects

38. Submerged Turret Production Broshure. Advanced Production and Loading AS. Сайт компании APL. url: http://www.apl.no/aplweb/templates/Level2Page.aspx?id=561.

39. Shkhinek K.N. and Loeset S (1999): Environmental Load Combination For Design of Offshore Structures. Gudmestad, 256 p.

40. Q.J. Yue and L. Li, Ice problems in Bohai sea oil exploitation. В кн.: Proc. 17th Int. Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions (РОАС'ОЗ), Trondheim, Norway, June 16-19, 2003.

41. Worldwide survey of floating production, storage and offloading (FPSO) units/ Offshore Magazine Poster/2007 (№66)

42. Worldwide survey of floating production, storage and offloading (FPSO) units/ Offshore Magazine Poster/2009 (№80)

43. Worldwide Survey of Semi-FPSs and FPUs (excluding FPSOs, SPARs, TLPs) / Offshore Magazine Poster/2008 (№74)

44. Worldwide survey of SPAR, DDCV,and MinDOC VESSELS/ Offshore Magazine Poster/2009 (№76)

45. Yashima N. 1985. Marrine riser protector for use on offshore oil drilling rigs in icy whaters/ United States Patent № 4,505,618