NO346928B1 - Flytende og nedsenkbar plattform - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en flytende og nedsenkbar plattform, utviklet til bruk som koblingsstasjon til havs for havvindparker og som også kan brukes i olje- og gassutvinning, av typen som omfatter nedre pongtonger, arrangert flere separat eller som sammenhengende, f.eks. i ring, og minst tre søyler som i sine nedre ender er anordnet til pongtongene og som i sine øvre ender er anordnet til å bære en plattformdekkonstruksjon.

Oppfinnelsen er løsningen, proporsjonene og teknikken som muliggjør ideen om en selvinstallerende tyngdebasert plattform på grunt og mellomdypt vann og som gjør den realiserbar i den foreliggende form. At den er realiserbar er bevist gjennom omfattende beregninger, simuleringer og modellforsøk og ved ekstern verifikasjon i et pågående realiseringsprosjekt.

Den flytende og nedsenkbare plattformen er såkalt ”selvinnstallerende” og har blitt utviklet fortrinnsvis for vanndybder fra omkring 15 meter til 60 meter.

Plattformkonseptet er utviklet for høyspenningslikeretter understasjoner (engelsk HV-DC substations) for offshoreindustrien, men er også anvendelig for andre typer av offshoreplattformer uavhengig av funksjonen, for eksempel for olje- og gassutvinning og produksjon.

Plattformkonseptet er en tyngdekraft basert konstruksjon (gravity base structure (GBS)) under drift, og selvflytende i temporære faser.

Kjente og utprøvete fremgangsmåter og elementer har blitt kombinert til et nytt konsept for å komme frem til en teknisk og økonomisk sikker og konkurransedyktig løsning for en rekke av funksjonelle krav som er beskrevet nedenfor. Oppfinnelsen er videre en fullstendig kombinasjon av proporsjonene til plattformkonstruksjonen, den nye måten å sikre kontinuitet mellom søyler og plattformdekkonstruksjon (top side) uten å begrense arrangementet av top side og de tekniske løsningene av nøkkelelementer som er ytterligere beskrevet.

Tidligere kjent teknikk innen området for foreliggende oppfinnelse er selvflytende enheter slik som oppjekkbare plattformer, som er selvflytende med ben som kan senkes ned til sjøbunnen og så benyttes for å jekke opp plattformdekket ut av vannet og fri fra bølger.

Andre eksempler på kjent teknikk er ”gravity base structures” (GBS) som er selvflytende med påmonterte topsides. Slike plattformer har normalt vært benyttet som faste installasjoner på dypt vann.

Andre konstruksjoner er flytere med typisk to pongtongs borerigger og typiske halvt nedsenkbare ringpongtongsproduksjons plattformer. Slike plattformer har søyler og pongtonger, men er dimensjonert for å være optimale som flytende konstruksjoner under drift og således med et forhold mellom volum av søyler og volum av pongtonger som optimaliserer dette. Slike halvt neddykkbare plattformer (engelsk semi submersible) har typisk et forhold mellom pongtongvolum og søylevolum i området 2,4-3,5 som også kan strekke seg opp til over 5.

Flytende konstruksjoner må ha egenperioder over bølgeperiodene med betydelig energi for å ikke komme i resonans med bølgene. En GBS med lite fotavtrykk bør ha så små pongtonger som mulig for å minimere bølgekrefter og være i stand til å oppnå geoteknisk stabilitet.

US 4576518 A omhandler en plattform for bruk i kombinasjon med et fundament som kan festes til havbunnen for å tilveiebringe et fast eller bevegelig marint struktursystem for bruk på utvalgte offshore-lokasjoner. Plattformen er i stand til vekselvis å eksistere i en fast modus hvor plattformen er løsbart koblet til fundamentet, og en flytende modus hvor plattformen er koblet fra fundamentet. Plattformen omfatter et arbeidsdekk og en støttestruktur som inkluderer oppdriftsjusteringsmidler og sikringsmidler. Oppdriftsjusteringsinnretningen omfatter fortrinnsvis ballastjusteringsmidler.

US 4695197 A omhandler en flyttbar offshoreplattform for petroleumsboring og produksjonsoperasjoner beregnet for utplassering i farvann med alvorlige værog isfjellforhold. Strukturen holdes normalt nede av tyngdekraften, men under deballasteringsprosedyren brukes et nedholdingssystem for å holde plattformen på havbunnen frem til plattformen skal flyttes. Plattformen operer på prinsippet om hydrostatikk.

Målene med foreliggende oppfinnelse kan således oppsummeres som følgende:

- ingen ytterligere sikring av fundamentering, i likhet med peling eller forankring, er nødvendig

- selvinstallerende, det vil si uten bruk av spesielle fartøy eller utstyr, i sjøtilstand betyr det selvflytende.

- Vær tolerant under installasjon for å minimere risiko for venting på vær - enkel fjerning ved slutten av dens levetid,

- tolerant og robust under installasjon av tungt utstyr,

- manøvrerbar med liten tauemotstand,

- kan ferdigstilles ved et verft og frakte en komplett top side til feltet,

- transporterbar på typiske tungløfteskip,

- minimal bruk av fast ballast på stedet,

- minimalisere understruktur (substructure) når ingen lagring er påkrevet, - understruktur skaper ingen begrensning for top side arrangement,

- teknisk og økonomisk konkurransedyktig for grunne vanndyper

15-50 meter,

- minimal utvaskingseffekt,

- minimalt behov for sjøbunnsprepareringer,

- minimalt/ikke behov for vedlikehold/inspirasjon av underkonstruksjon eller underkonstruksjonssystemer under operasjon,

- skal kunne konstrueres ved et antall av eksisterende verft,

- fleksible hensyn til ferdigstillelsesstrategi ved konstruksjonen, og alt sammenstilt ved et verft, eller separat,

- enkle og sikre og prøvede marineoperasjoner,

- to kammerskadekriteria for mindre risiko i prosjektet.

Målene med foreliggende oppfinnelse oppnås ved en flytende og nedsenkbar plattform ifølge det selvstendige krav 1.

Foretrukne utførelsesformer er videre utdypet i kravene 2 til og med 6.

Den flytende og nedsenkbare plattformen ifølge oppfinnelsen skal videre forklares med henvisning til figurene, hvor

figur 1a og 1b viser utførelsesformer av henholdsvis en typisk høyspenningstasjonsutforming (HV-DC substation) og en GBS med dobbel pongtong eller med ringpongtong,

figur 2a og 2b viser alternative utforminger og konfigurasjoner som benytter prinsippene ifølge foreliggende oppfinnelse,

figur 3a, 3b og 3c viser egenperioder for tidligere kjente plattformkonstruksjoner (dvs. kjent teknikk) i de forskjellige faser henholdsvis flytende på pongtonger, flytende med pongtongene dykket på vei ned og pongtongene nær bunnen, figur 4a, 4b og 4c viser egenperioder for plattformkonstruksjonen i de forskjellige faser henholdsvis flytende på pongtonger, flytende med pongtongene dykket på vei ned og pongtongene nær bunnen,

figur 5 viser en utførelse av plattformen i en fase hvor plattformdekkonstruksjonen er transportert på en lekter som flytes inn mellom søylene for montering av plattformdekkonstruksjonen til søylene,

figur 6a og 6b viser plattformen under transport på et tungløftefartøy, figurer 7a, 7b og 7c viser et forenklet vannballastsystem ifølge foreliggende oppfinnelse,

figurer 8a og 8b viser et forenklet ballast og fjerningssystem for fast ballast ifølge foreliggende oppfinnelse,

figur 9a, 9b, 9c og 9d viser trinnvis et eksempel på prinsipper for fundamentering av plattformen,

figurer 10a, 10b og 10c viser et eksempel på hvorledes plattformene kan manøvreres og installeres ved bruk av kun taubåter,

figur 11a, 11b, 11c og 11d viser hydrostatisk uskadet og skadet stabilitet i alle faser og alle dypganger med full plattformdekksvekt,

figur 12 viser bokstopper på utsiden av plattformdekkets hovedboks, og figur 13 viser en tabell over strukturelle volumforhold for foreliggende plattform og kjente plattformer.

Med henvisning til figurene er en flytende og nedsenkbar plattform 1 vist. Plattformen 1 omfatter nedre pongtonger arrangert separat eller sammenhengende f.eks. i ring 5 og minst 3 søyler 10 som i sine nedre endeområder er anordnet til pongtongene 5 og i sine øvre endeområder er anordnet til en plattformdekkonstruksjon 15. Et forhold mellom volum av pongtongene 5 og volum av søyler 10 er for de viste utførelser av plattformen 1 i området 0,8-1,5. Resultatet av dette volumforholdet kan sees i figur 3a, 3b og 3c og figurer 4a, 4b og 4c som henholdsvis viser hivbevegelse- overføringsfunksjoner for kjente flytende produksjons og borerigg semiplattformer og foreliggende plattformkonsept. Figurene viser at det er en klar forskjell i de flytende bevegelseskarakteristikker mellom eksisterende semier og plattformen ifølge foreliggende oppfinnelse. Det vises i denne forbindelse videre til tabell 13 som viser forholdene mellom volum av pongtonger og volum av søyler for fem forskjellige versjoner av foreliggende plattformkonsept (det vil si de første fem øverst i tabellen), og sammenlignet med seks kjente flytende semikonstruksjoner (det vis si de seks nederste i tabellen). Volumforholdet av pongtong/søyler varierer fra 0,83 til 1,38 for foreliggende plattformkonsepter mens volumforholdet for de kjente konstruksjoner varierer fra 2,45 til 5,55.

Plattformdekkonstruksjonen 15 er videre anordnet med en ytre boksstopper 20 i plattformdekkonstruksjonens nedre område for innfesting mellom søyler 10 hvorved kontinuitet mellom søyler 10 og plattformdekkonstruksjonen 15 er sikret.

Ytre bokstopper er lukket i alle 6 flater, som treffer dekksnivåer på toppen og bunnen, og som da overfører alle krefter fra søylene over i dekk og sideskott i dekksboksen via i-planet kontinuerlig kraftgang.

Et overgangselement 12 er videre anordnet på de øvre endeområder av søylene 10. Søylene 10 kan videre ha en konisk utforming. Med henvisning til figur 7a, b, c og figur 8a og b er plattformen 1 vist anordnet henholdsvis med et forenklet vannballast og fastballastsystem som for øvrig ikke krever vedlikehold i løpet av plattformens levetid.

Plattformkonseptet er selvflytende med stabilitet til å bære toppside fullstendig installert og kontrollert ved kai, fra sammenstillingsverftet til offshorestedet ved tauing i sjøen uten behov for etterinstallasjon av moduler eller utstyr. Ballastsystemet som omtalt ovenfor benyttes for å ballastere plattformen 1 ned for å lande på bunnen for drift.

Installasjon er så gjort uavhengig av kranfartøy eller annet spesialisert fartøy, og omfanget av kostbar offshore sammenstilling ”hookup” og ferdigtesting ”commisioning” er begrenset til hva som kun kan testes under virkelig opererende forhold for plattformsystemene som høyspenningstester for ”HV-DC substations” og olje- og gassproduksjon fra virkelige brønner.

Bevegelsesresponsen under installasjon, fra miljøbelastning, bølgestrøm og vind, er fordelaktig og gjør konseptet mer værtolerant under installasjon enn eksisterende konsepter. Konseptet er preparert slik at den massive ballast kan fjernes og ballastsystemet er opererbart uten vedlikehold under operasjon ved slutten av plattformens levetid. Videre er fundamentkonseptet slik at ved deballastering har det tilstrekkelig oppdrift til å trekkes bort fra sjøbunnen uten kutting av peler etc. Dette konseptet gjør at plattformen er lett å fjerne og taue til et opphuggings ”decommision” verft ved slutten av dens levetid. Skjørt kan benyttes, lange eller korte avhengig av forholdene på stedet, men i de fleste tilfeller er plattformen således dimensjonert at bunnlinjemoment er lite og oppløft skjer ikke, og det er således ikke noe behov for sugeskjørt, og således ikke noe behov for å anvende overtrykk i skjørtekammerne for fjerning.

Plattformkonseptet er fleksibelt og det kan fabrikkeres og sammenstilles lokalt. Det kan fabrikkeres i andre deler av verden enn operasjonsstedet og transporteres, enten fullstendig sammenstilt eller i flere deler for lokal sammenstilling.

Plattformkonseptet er skalerbart til enhver størrelse og toppside/utstyrsvekt og ikke avhengig av kranfartøykapasitet eller andre begrensninger.

Værtoleransen under installasjon, uavhengigheten av spesielle fartøyer under installasjon, skalerbarheten og fleksibiliteten av prosjektet gjør konseptet robust, konkurransedyktig og med lav risiko både teknisk og økonomisk.

Plattformkonseptet ifølge foreliggende oppfinnelse kan anses som en kombinasjon av en flyter og en GBS. Selvflytende i temporære faser og bunnfast tyngdekraftbasert stabilitet under drift (operasjon). Plattformen har gode flyteregenskaper under temporære faser, minimal tauemotstand ved pongtongdypgang og gunstige bevegelser under installasjon når pongtongene er neddykket.

Fundamentarealet til bruk ved tyngdekraftbasert stabilitet når plattformen er bunnfast, kan tilpasses de lokale forhold. På sjøbunn av sand, er et minimumsareal for å oppnå en vertikal forhåndsbelastning av jorden som øker jordskjærstyrke fordelaktig, mindre neddykket volum er også fordelaktig med hensyn til miljøbelastninger og redusert behov for fast ballast, og her avviker konseptet fra et tradisjonelt stort fundamentareal for GBS.

Konseptet avviker fra typiske halvt neddykkbare plattformer i dens proporsjoner mellom søyler og pongtonger, da konseptet har mindre og lavere pongtonger som er mer optimalisert for innfestingsforholdene på bunnen, idet de fleste gunstige bevegelseskarakteristikker i de flytende faser opprettholdes ved bruk av semi-kanselleringsprinsippet.

Plattformdekkonstruksjonen 15 er anordnet med en sentralboks med arrangementsfrihet uavhengig av søylene 10. Utvendige områder (det vil si de som ligger utenfor søylene 10) kan lukkes med sekundære konstruksjoner, eller som del av hovedkonstruksjonen for å legge til rette for plass for topside utstyr. Strukturell kontinuitet for søyler 10 inn i vertikale skott og dekk i toppside er oppnådd ved anvendelse av ytre bokstopper 20. Konseptet medfører at arrangementsfrihet for den sentrale boks er oppnådd, men på en måte som sikrer strukturell kontinuitet. Avstanden mellom søylene 10 er slik at et stor lekter, typisk med en bredde på 36-40 meter, kan benyttes eller kjøres inn mellom søylene for våt sammenstilling ”wet deck mating”. Plattformkonseptet er også tilpasset slik at plattformen kan transporteres på et typisk tunglastefartøy med bredde 40-50 meter.

Plattformkonseptet medfører også at hydrostatisk stabilitet ved alle dypganger med påmontert topside, vil oppnås. Videre vil også skadestabilitet oppnås med tilstrekkelig små tankvolumer i separerte tanker. For å holde miljøkreftene på konstruksjonen så små som mulige, dvs. neddykket volum holdes på et minimum, og dette oppnås ved bruk av konede søyler og så små pongtonger som mulig.

Fra modelltank testing er det funnet at proporsjonene av søyler og med en lav og liten pongtong minimaliserer hydrodynamisk belastning når plattformen er bunnenfast. Proporsjonene av søylene og pongtongene er også slik at vertikaldynamisk trykk på pongtongene gir et moment i motsatt bølgefase som momentet fra horisontal belastning og således er det en kansellering av bunnlinjemoment som i de fleste tilfeller sikrer at det ikke er noen løft oppover og ikke noe behov for sugeskjørt. Fundamentsarealet er stort nok, men ikke for stort, for å oppnå en viss vertikal kompresjon av jorden og derved geoteknisk stabilitet mot både havbunnskrefter og momenter.

Minimal utvasking er oppnådd ved anvendelse av avrundede pongtongender, og som et alternativ kan ringpongtonger i firkant eller sirkulære former benyttes.

De slanke pongtongene 5 kan avstives ved å benytte permanente avstivere mellom pongtongene og også mellom pongtongene og søylene i plattformens nedre område.

Et vannballastsystem er utviklet som benytter enkle senkekassonger for hver tank og en for vanninntak. Fylling gjøres ved å benytte en neddykkbar pumpe i inntakskassongen (caisson) med en slange inn i kassongen for å fylle tanken. Tømming gjøres ved å senke en neddykkbar pumpe inn i tanken som skal tømmes.

Dette enkle system er robust, sikkert, kostnadseffektivt og kan opereres ved slutten av plattformens levetid uten vedlikehold under operasjonsfasen.

Vannballastsystemet er også slik at det kan motta vann fra hjelpefartøy for å sette fart på ballasteringsprosessen.

Dette konsept avviker her fra en permanent flyter som har et permanent, og en mengde av mer kompliserte ballastsystemer som krever kontinuerlig vedlikehold.

Et fast ballastsystem er utviklet som kan motta en slamblanding av vann og sand eller knust stein i en eller flere enkle tilkoplingspunkter og med et innvendig fordelingssystem med et minimum av bøyer i det innvendige rørsystem, og som bruker andre tanker som utfellingstanker for overflytende vannbehandling før utslipp i sjøen.

Et lukesystem for adkomst for neddykkbare slampumper har også blitt utviklet. Dette er ment å benyttes for fjerning av fast ballast for ”decommisioning” ved slutten av plattformens levetid. Denne kombinasjonen er ny.

Tre forskjellige fundamentkonsepter har blitt utviklet for konseptet.

1. Skjørt som penetrerer det øvre jordlag med slamming (groating) ved å benytte en betongblanding, av hulrom i skjørtkammeret for jevn fundamentkontakt. Dette er løsningen som benyttes for de fleste GBS`er.

2. Grusseng pluss ribber på undersiden av pongtong som kombinerer fundament og utvaskingsbeskyttelse. Med henvisning til figur 9a, b, c og d er installasjonssekvensen for grusseng, vist. Ribber er anordnet på undersiden av pongtongene for å oppnå nødvendig friksjon mellom stål og grus.

3. Grusseng pluss skjørt. Ved anvendelse av lengre skjørt ved perimeteren som vil penetrere en grusseng ned til sterkere jordlag og bekjempe geoteknisk bruddmekanisme til dype lag, er en mulighet som vil redusere behovet for fast ballast. Optimal form for hydrostatisk stabilitet oppnås ved å benytte store nok søyler, med en stor nok avstand, men ved å holde volumet ved et minimum ved å benytte konede søyler.

Et redundant strukturelt system er konstruert, med mer enn normal kontinuitet av lastbærende struktur, med reduserte trinn i stivhet for lokale strukturer og med mer enn typisk reservekapasitet i mulige lastveier som fremdeles er forutsigbare med normal utforming og analysetilnærminger. Det er benyttet en kombinasjon av platestrukturer ved bruk av bærebjelker, bjelker, fagverk og plateavstivere for å komplettere et effektivt hovedstrukturelt system med behovet for underavdelere, enten vanntett i understrukturen eller lufttett for luftbehandling av rom i topside.

Plattformkonseptet er konstruert for enkle og sikre marinoperasjoner, og det vises i denne forbindelse til figur 10a og b.

Claims (6)

PATENTKRAV

1. Flytende og nedsenkbar plattform (1), fortrinnsvis for olje- og gassutvinning, av typen som omfatter nedre pongtonger (5) arrangert separat eller sammenhengende f.eks. i ring og minst tre søyler (10) som i sine nedre endeområder er anordnet til pongtongene (5) og som i sine øvre endeområder er anordnet til en plattformdekkonstruksjon (15), hvor et forhold mellom volum av pongtongene (5) og volum av søylene (10) er i området 0,8-1,5;

k a r a k t e r i s e r t v e d a t plattformdekkonstruksjonen (15) er anordnet med ytre bokstopper (20) i plattformdekkonstruksjonens nedre område for innfesting mellom søyler (10), hvorved kontinuitet mellom søyler (10) og plattformdekkonstruksjonen (15) er sikret uten å sette restriksjoner for det indre dekksarrangementet.

2. Flytende og nedsenkbar plattform (1) ifølge krav 1,

k a r a k t e r i s e r t v e d a t overgangselementer (12) er anordnet på de øvre endeområder av søylene (10).

3. Flytende og nedsenkbar plattform (1) ifølge krav 1 eller 2

k a r a k t e r i s e r t v e d a t søylene (10) er koniske.

4. Flytende og nedsenkbar plattform (1) ifølge ethvert av de foregående krav, k a r a k t e r i s e r t v e d a t plattformen (1) er fundamentert direkte på havbunnen.

5. Flytende og nedsenkbar plattform (1), ifølge ethvert av de foregående krav, k a r a k t e r i s e r t v e d a t plattformen (1) er anordnet med vedlikeholdsfritt temporært ballasteringssystem, bestående av enkle kassonger med tilgang til hver tank og sjø, og med et temporært distribusjonssystem mellom kassongene, og hvor temporære nedsenkbare pumper er anvendt for å fylle og tømme tankene med vann, og hvor en ekstern flenskobling et anvendt for å fylle med solid ballast.

6. Flytende og nedsenkbar plattform (1), ifølge ethvert av de foregående krav, k a r a k t e r i s e r t v e d a t pongtongene (5) har en avrundet form.