СОДЕРЖАНИЕ
Введение. Цель и содержание диссертации......................4
1. Обзор литературы.........................................7
I. I Освоение континентальных шельфов России .... 7
1.2 Современные глубоководные стационарные платформы . 13
1.3 Методы определения динамической реакции глубоководных сооружений...............................18
1.3.1 Применение метода Ритца........................18
1.3.2 Определение спектров поперечных сил и изгибающих моментов морских конструкций .... 22
1.4 Теоретические и экспериментальные исследования волновых воздействий...................................27
1.5 Теоретические и экспериментальные исследования ветровых воздействий...................................31
1.6 Описание сейсмического воздействия,
задание сейсмического ускорения грунта..................44
2. Собственные колебания глубоководной платформы . . 46
2.1. Построение конечноэлементной модели,
определение матриц жесткости и инерции.....................46
2.2. Определение собственных частот и форм
методом итераций в подпространстве......................68
2.3. Влияние присоединенной массы воды..................72
3. Колебания ГНСГ1 под действием природных нагрузок . . 76
3.1 Моделирование ветрового, волнового и
2
сейсмического нагружений..................................76
3.2. Вынужденные колебания ГНСП под действием вегра, волн и сейсмики...........................................79
4. Статистическая оценка показателей надежности
глубоководной платформы...................................92
4.1. Понятие надежности применительно к ГНСП . . . .92
4.2. Оценка функции надежности............................94
4.3. Оценка сейсмического риска..........................107
4.4.Оценка риска от действия ветра и волн................119
4.5. Оценка риска от сочетаний ветровой, волновой и сейсмической нагрузок.................................129
4.6. Общий риск ГНСП от природных воздействий.
Основные выводы..........................................138
Заключение..................................................142
Список использованной литерату ры...........................144
3
Введение. Цель и содержание диссертации
Предпосылками к изучению риска глубоководных нефтедобывающих стационарных платформ (ГНСП) от природных воздействий стали, во-первых, исследования по оценке показателей надежности сооружений и конструкций, проводимые на кафедре Динамики и прочности машин Московского Энергетического Института [15-17]. Во-вторых, возникла необходимость проверить эффективность разработанных методов применительно к такому важному классу высоконадежных сооружений, как глубоководные платформы. В-третьих, не вызывает сомнений актуальность проблемы оценки конструкционного риска - вероятности выхода из строя объекта, при действии природных нагрузок на протяжении срока службы. Оценка величины риска позволяет установить паритет между достижением приемлемого уровня надежности сооружения и его стоимостными показателями. С этой точки зрения риск - в большой степени понятие экономическое; правильно оценить риск важно не только для инженеров-расчетчиков, но и для владельцев шельфовой техники и страховых компаний.
В начале работы над диссертацией была поставлена задача -дать максимально приближенную к реальной оценку риска глубоководной платформы от действия ветровых, волновых и сейсмических нагрузок на протяжении всего срока её службы. Реалистичность оценки риска в данной работе обоснована следующими положениями:
- отказ от распространенной детерминированной квазистатической постановки задачи [20,43,75], которая не принимает в расчет динамичного поведения уникального сооружения с массивной палубной частью и случайного характера внешних сил; решение за-
4
дачи динамики с учетом внешнего и внутреннего демпфирования и случайного характера нагрузок;
- формирование вектора нагрузки с использованием реализаций ветрового, волнового, сейсмического воздействий, полученных по заданным спектральным плотностям методом статистического моделирования;
- проведение численного эксперимента для наиболее вероятных опасных вариантов нагружения и исследование динамической реакции ГНСП;
- прогнозирование риска для каждого варианта нагружения с большой точностью методом экстраполяции эмпирического распределения в область редких событий;
- задание наиболее вероятных природных условий (метеорологических, сейсмических) в месте расположения платформы в течение всего срока службы; использование этих данных при расчете интегрального риска.
В отечественной и зарубежной литературе мало обсуждаются вопросы, связанные с оценкой надежности морских платформ при природных воздействиях. Чаще всего рассматривают только один вид нагрузки на сооружение, например, только волновые или ледовые [3,20,43,75]. Сведений об оценке конструкционного риска глубоководных платформ и надежности при опасных сочетаниях ветровых, волновых и сейсмических нагрузок в литературе найдено не было. Попытка исследовать эти проблемы в совокупности определила новизну диссертации.
Диссертация состоит из 4 глав. Первая глава содержит обзор литературы по теме, в ней освещены общие направления развития современной шельфовой техники и перспективы шельфовой нефтедобычи в России, выбирается объект исследования. Подробно опи-
5
саны общепринятые подходы к определению динамической реакции глубоководных платформ на примере применения метода Ритца и использования спектрального анализа. Проведен анализ современных теоретических и экспериментальных исследований случайных ветровых, волновых и сейсмических нагрузок на морские сооружения.
Вторая глава посвящена исследованию собственных колебаний платформы, описано построение конечно-элементной модели, матриц жесткости и инерции, определены собственные формы и частоты конструкции, исследовано влияние присоединенной массы воды на собственные колебания.
В третьей главе изучаются вынужденные колебания платформы под действием природных нагрузок, описывается методика статистического моделирования ветровых, волновых и сейсмических воздействий, анализируются напряжения и перемещения в конструкции в зависимости от скорости ветра и величины сейсмического ускорения грунта.
В четвертой главе проводится прогнозирование показателей надежности, вводится понятие надежности применительно к глубоководной платформе, описывается вероятностно-статистический метод оценки величин сейсмического риска, риска от ветровых и соответствующих волновых нагрузок и риска от их опасных сочетаний за срок службы сооружения; рассчитывается общий риск от природных нагрузок, приведены основные выводы.
6
1. Обзор литературы
1.1. Освоение континентальных шельфов России
В настоящее время отечественная морская нефтегазовая добыча переживает третий этап в истории своего развития, если принять за точку отсчета разработку месторождений на Каспийском шельфе (1904-1912 г.г.). К девяностым годам, когда в СССР был освоен Черноморско-Азовский бассейн и Балтийское море, морская нефтедобыча сформировалась как самостоятельная отрасль. На рис. 1.1 показаны типичные для этих регионов действующие стационарные нефтедобывающие платформы, разработанные Всесоюзным научно-исследовательским и проектно-конструкторским институтом по проблемам освоения ресурсов нефти и газа на континентальном шельфе (ВНИПИморнефтегаз) Накануне 2000 г. Российская Федерация делает первые шаги к освоению арктических и дальневосточных нефтеносных шельфов. Основным тезисом третьей международной конференции «Освоение шельфа арктических морей России» (1997 г.) стало положение о том, что в XXI веке добыча нефти в северных морях будет основой развития Российской Федерации [76].
Мировая тенденция постепенного смещения добычи углеводородного сырья с суши на море очень медленно находит подтверждение в нашей стране, хотя потенциальные запасы нефти на российских шельфах оцениваются в 13 млрд.т., что составляет 20,9% от суммарных ресурсов (таблица 1.1) [76]. Отчасти это связано с наличием достаточных ресурсов природного сырья на континенте, отчасти с необходимостью огромных капи гало-вложений в разработку
шельфов. Несмотря на это, в 1999 г. подходят к завершению гсоло-
7
го-поисковые работы в Печорском море на месторождениях Варан-дей-море, Медынское, Северо-Долгинское, Южно-Долгинское, Алексеевское, Гуляевское. В 1997 г. на месторождениях Варандей-море и Медынское получена первая нефть. До 2005 года планируется начать разработку самого богатого шельфового месторождения России - Приразломного (Печорская губа), запасы которого оцениваются в 65,3 млн. тонн нефти, а это составляет $3,5 млрд1. В соответствии с «Программой изучения и комплексного освоения углеводородных ресурсов шельфов дальневосточных морей», принятой Минтопэнерго в 1995 г., изучаются шельфы Охотского, Берингова, Японского морей. С точки зрения разработки наиболее перспективными из дальневосточных шельфов считаются Хабаровский и Магаданский с глубиной залегания от 100 м, Камчатский - с глубиной залегания 20-50 м. Программа рассчитана на долгосрочную перспективу (до 2015 г.) и является единственным решением проблемы дефицита топлива на Дальнем Востоке [9].
Таблица 1.1
Суммарные запасы нефти в России
Всего по суше 79,1%
Всего по шельфу 20,9%
шельф Баренцева моря 5,0%
шельф Карского моря 5,5%
шельф Охотского моря 2,9%
Уникальность предстоящих работ по освоению дальневосточных и северных шельфов не имеет аналогов в мире. Средняя гемпе-
’ Ж>рнал «Деньги», №8, 1999. с.25-26
8
ратура зимой в нефтеносных районах Карского и Баренцева моря составляет -30°, сила ветра - до 44 м/с, высота волн - до 24 м, ледовый период равен 166 дней, глубина моря - 200-380 м, при этом следует учитывать наличие движущихся ледовых полей и айсбергов массой до 500 тыс. тонн. В дальневосточном регионе к неблагоприятным синоптическим условиям добавляются сейсмические нагрузки.
В профильных организациях, таких как ВНИИНИГ им. Б.Е.Веденеева, ВНИПИморнефтегаз и др., проводятся разработки научно-технических и технико-экономических обоснований проектируемых стационарных сооружений на шельфах северных и дальневосточных морей [5]. Создаются проекты ледостойких платформ [20,31], способных воспринимать нагрузки как от навала ледовых полей, так и от ударов отдельных айсбергов. Так, для Штокмановского месторождения (глубина 320 м) специалистами ВНИПИморнефтегаз было разработано несколько типов глубоководных ледостойких платформ (рис. 1.2). Конструкции платформ для месторождения Приразломное спроектированы с учетом динамического характера ледяных нолей, волн, сейсмических воздействий и гидрологических особенностей данного района (рис. 1.3). В настоящее время ВНИПИморнефтегаз совместно с «Квернер Ойл энд Гэс» (Норвегия) разрабатывает проект лсдостойкой платформы для месторождения Аркутун-Дагинское на шельфе о.Сахатин. Реализация этого проекта позволит изготовить и установить первую в истории России и мировой практике ледостойкую стационарную платформу, устойчивую к высоким сейсмическим нагрузкам.
9
mm
І 2 З
Рис. 1.1.
Действующие платформы типа джакет для незамерзающих морей (Каспийское море,
шельф Вьетнама. Балтийское море)
1 - для глубины моря 150-176 м, 128 скважин. 2 - для глубины 50 м, 16 скважин,
3 - для глубины 46 м, 8 скважин.
Рис. 1.2.
Ледостонкне платформы.
1 - основной вариант Пильтун-Астохскос (ВНИПИ), 2 - основной вариант Луньскос (ВНИ11И), 3 - основной вариант Чайво (Сахалин-1) (Exxon, США, SODF.CO, Япония, ВНИПИ), 4 - Приразломное. Печорское море. Арктический шельф
(В11ИГТИ, Norwegian Contractors), 5 - Сахалин-1 (ВПИЛИ)
10
1 2 3 4 5 6 7
Рис. 1.3.
Типы платформ, разработанные ВНИПИмориефлет для Штокмановскою месторождении. м>6ина 320 м 1 - дискет 2 арочный, 3 - монокон. 4 - колонный. 5 - «Сигара-1». 6 - «Сш ара-2»». 7 - башенный тип с натяжными подкосами
11
-I
iil
6rwrity-base
jlnidura
A
1
CompJIaet
lower
£»3b£*.i- -/•
,. v.-.xVir- .V.W
- v: -'-^v
Рис. 1.4. Основные типы платформ
12
1.2. Современные глубоководные стационарные платформы
По мере освоения нефтяных месторождений на побережьях и мелководьях мира все большее значение приобретают глубоководные нефтедобывающие стационарные платформы (ГНСП), удаленные от мест традиционной добычи. По прогнозам американских ученых до 90% всех морских ресурсов нефти и газа находятся на глубине, превышающей 3000 фт (900 м) [103]. Уже сейчас на глубоководных участках получают 10% от всей морской добычи нефти [48].
В настоящее время в мире наиболее распространены следующие типы глубоководных платформ (рис. 1.4):
- платформа на ферменных опорах (jack up);
- глубоководный джекет (deep-water jacket);
- с гравитационным основанием (gravity base structure);
- башенная повышенной податливости (compliant tower);
- с натяжными опорами (tension leg platform, TLP).
Платформы на ферменных опорах используют для глубин до
200 м, преимущественно на площадках с оптимальными синоптическими условиями.
Платформа с 1равитационным основанием удерживается на морском дне под действием собственного веса массивного основания (глубина до 300-400 м).
Башенная платформа повышенной податливости проектируется для конкретных условий в месте расположения таким образом, чтобы её собственный период значительно отличался от периодов максимальной природной нагрузки. Термин «повышенная податливость» означает, что жесткость основания у таких платформ снижена и собственный период платформы значительно превышает
13
- Київ+380960830922