NO823489L - Flytende offshore-plattform. - Google Patents

Description

Flytende offshore- plattform

Oppfinnelsen angår en flytende offshore-plattform i

stål og/eller betong, av den art hvor minst tre tilnærmet vertikale ben bærer et dekk med utstyr.

For utvinning av petroleumsprodukter til havs benyttes vanligvis faste plattformer, som enten er fastpælet eller står ved sin egen vekt på sjøbunnen. Etterhvert som petroleums-utvinning foretas på større dyp, øker vekten og dermed om-kostningene ved faste plattformer drastisk. Eksempelvis vil en fast plattform i stål, bygget for 300m vanndyp i Nordsjøen, bruke 60-80.000 tonn stål bare i bærestrukturen. I tillegg krever pælene store stålvekter. Her er det antatt at vekten av dekket med utstyr er ca. 30.000 tonn, men stålvekten varierer nokså lite med utstyrsvekten.

Man er derfor nødt til å konsentrere utstyret på et lite antall svært store plattformer, selv om reservoar-forholdene skulle tilsi mere spredt utbygging.

Der er således et behov for en plattform-type som er billigere, og som kan brukes på de større havdyp på felter som vil bli utbygget i fremtiden.

På grunn av disse forhold er det brukt store midler på utvikling av flytende produksjonsplattformer. Disse forbindes med brønnene på havbunnen og med rørledninger osv. gjennom et stigerør.

Det viktigste problem som utviklingen har vært konsentrert om, er reduksjon av plattformens bevegelser i bølger til et nivå som kan tåles av det stigerørsystem som opptar relativ-bevegelsen mellom plattformen og havbunnen. I Nordsjøen er den maksimale bølgen 32 m høy, og den opptrer med ca. 15 sekunders periode. Et skip som ligger tvers på så store bølger, vil bevege seg vertikalt nær 32 m, og bevegelsen i horisontal-retningen er også betydelig. Ingen kjente konstruksjoner av stigerør-systemer kan tåle slike bevegelser.

Sammenlignet med et vanlig skipsskrog vil et halvt ned-senkbart fartøy under slike forhold bevege seg noe under det halve. Slike fartøyer består i prinsipp av en eller flere ned-dykkede pongtonger og et antall søyler som rekker fra pongtongene og gjennom vannflaten til en overbygning som skal være fri av vannet. Forbedringen i bevegelses-egenskapene oppnås ved avstemning av størrelsen av søylene mot pongtongene slik som forklart i det følgende: Som kjent reduseres trykk-pulseringene under en bølge eksponensielt med avstanden fra overflaten, og følgelig er trykk-pulseringene alltid større på oversiden av en neddykket pongtong enn på undersiden. En frittflytende pongtong vil bevege seg med vannet på pongtongens dyp som følge av denne forskjellen, men om man ved hjelp av søylene som rager gjennom vannflaten, reduserer flaten på oversiden av pongtongen, kan kreftene, som er lik produktet av trykk og areal, på oversiden reduseres til nær samme størrelse som på undersiden av pongtongen, slik at akselerasjonene og bevegelsen av pongtongen i vertikal-retningen blir mindre enn for det omgivende vann. Denne reduksjonen av vertikalbevegelsene kommer i tillegg til den reduksjon som skyldes at pongtongen befinner seg på dypere vann enn de fleste skipsskrog. Man må unngå resonans for bølgeperioder som finnes til havs, og dette setter grenser for i hvor stor grad man kan utnytte avstemningsmulighetene.

Den første flytende produksjonsplattform som er bygget,

er strekkstagplattformen til Hutton-feltet. Skroget er her utformet som et halvt nedsenket fartøy for å redusere de krefter som må opptas av strekkstågene. Ved hjelp av strekkstagene har man her praktisk talt eliminert vertikalbevegelsene, og plattformen beveger seg i sjøgang på en kuleflate med sentrum i forankringen i bunnen.

Hutton-plattformen har en utstyrsvekt på 17.000 tonn, og strekket i stagene er ca. 13.600 tonn i stille vann. Bærestrukturen må dimensjoneres for å tåle variasjonene i strekk i stagene under sjøgang, også om et stag skulle gå i stykker,

og veier ca. 30.000 tonn. Deplasementet er derfor ca. 61.000 tonn. Vekten av forankringene og strekkstagene ville være ca. 8.000 tonn for 300 m vanndyp. Det fremgår altså at forholdet mellom nyttelast og total stålvekt er nesten like ugunstig som for en fast stål-plattform for 300 m dyp.

Om det var mulig å erstatte strekkstagene på Hutton-plattformen med vanlig ankring, ville man frigjøre det meste av strekklasten på 13.600 tonn, som teoretisk kunne brukes til utstyr. I tillegg ville de belastninger på bærestrukturen som skyldes strekkstagene, bortfalle, slik at strukturen ville kunne bygges lettere. Derved ville forholdet mellom nyttelast og stålvekt bli bortimot fordoblet.

Dette resonnement, som ikke tar hensyn til praktiske problemer som stabilitet, viser at man ved strekkstag-plattformer må betale en høy pris i form av stålvekt for å minske bevegelsene i bølger. Følgelig leter konstruktører etter andre og mindre kostbare veier til å redusere bevegelsene i sjøgang til størrelser som kan tåles av et stigerør-system.

En kjent konstruksjon er Shells Spar som er installert

på Brent-feltet. Denne er en smal, dyp betongsylinder med mindre diameter nær havflaten enn lengre nede. Den er bygget som en ren lagrings- og lasteenhet. Strukturen holdes oppreist av ballast i bunnen. Det store dypgående reduserer hiv-bevegelsene, og det reduserte tverrsnitt i vannlinjen fører til små horisontal-bevegelser i tillegg. Det synes imidlertid som om man for denne enheten ikke har hatt behov for å utnytte prinsippet for halvt nedsenkbare konstruksjoner fullt ut. En så enkel geometrisk form vil ha meget liten hydrodynamisk demping, slik at den, om den blir satt i bevegelse, vil fort-sette å svinge vertikalt i svært lang tid-. Dette har vist seg å være en ulempe ved konstruksjonen. En annen ulempe, om man tenker seg konstruksjonen brukt som produksjonsplattform, er at den ville trenge svært mye ballast for å bli stabil med stor dekksvekt.

En videreutvikling er Shells Semi-Spar. Denne er en halvt nedsenkbar plattform med avstemt forhold mellom søyler og en sylindrisk pongtong. Ballast i seks ben bidrar til stabiliteten. Disse bena senkes etter at plattformen er tauet på plass. Før dette er gjort har konstruksjonen svært lite dypgående og kan bygges av verft som ligger ved grunt vann. På grunn av at pongtongen ligger relativt dypt, er hivbevegelsen for 15 sekunders bølger redusert til ca. 1/3 av bølgehøyden. Derved kan enheten antagelig brukes for utvinning av olje i Nordsjøen, men ikke for gass som setter større krav til stigerørsystemet.

En annen konstruksjon er leddtårnet. Dette holdes oppreist av flytetanker og ballast, og tårnet forankres til bunnen med et ledd. Ballastmengden kan velges slik at leddet er ubelastet i stille vann, og konstruksjonen kan derved betraktes som en flytende plattform, forankret i leddet. Typen er bygget som lastebøyer og fakkeltårn, og er utført som produksjonsplattformer i betong eller kombinasjoner av betong og stål og som skall eller fagverkskonstruksjoner. Dimensjonene kan avstemmes som for halvt nedsenkbare plattformer for å redusere kreftene på leddet. En ulempe er at leddet er vanskelig å reparere på grunn av størrelsen og plasseringen. En leddtårn-plattform for ca. 38.000 tonn nyttelast og 300 m vanndyp vil ha en stålvekt på ca. 32.000 tonn utenom bunnledd og fundament. Den vil ha flottører på ca. 100.000 m volum på ca. 100 m dyp og ca. 32.000 tonn ballast. Forholdet mellom nyttelast og stålvekt er altså omtrent like gunstig som for den tenkte halvt nedsenkbare plattform, til tross for den ekstra oppdrift pga. ballasten. Dette skyldes at et dypt fagverk med moderat bredde er en effektiv form for å motstå bølgekreftene.

De fleste kjente konstruksjoner av flytende plattformer

er beregnet på å kunne bygges og fraktes fullt utrustet over grunt vann, siden de fleste verft ligger i elvemunninger. For konstruksjoner beregnet for den norske kontinentalsokkel er dette en unødvendig begrensning, siden det i Norge finnes beskyttede byggesteder med meget store vanndyp helt ut til dyphavet. Dette forhold er utnyttet i Condeep-konstruksjonene for bunnfaste betongplattformer. Ved å utnytte denne geog-rafiske fordelen også for flytende plattformer står man friere i utformingen og kan spare vekt og kostnader.

Hovedformålet med oppfinnelsen har vært å utvikle en flytende produksjonsplattform som påfører stigerøret betydelig mindre belastninger enn de kjente konstruksjoner for flytende plattformer, for å muliggjøre utvinning på dypt vann av gass såvel som olje. Andre formål har vært å unngå de kompliserte, tyngende og kostbare forankrings-systemer som kreves for strekkstag-plattformer, unngå dybdebegrensningen og det sårbare leddet til leddtårnene og unngå risikoen for kantring etter skader som følge av den dårlige stabilitet av konvensjonelle halvt nedsenkbare plattformer.

Ifølge den foreliggende oppfinnelse er hovedformålet oppnådd ved at benas tverrsnittsareal er tilnærmed konstant fra vannlinjen til en dybde nær plattformens dypgående, som under drift er minst dobbelt så stort som den maksimale bølge- høyde i det farvann plattformen er dimensjonert for å operere i. I Nordsjøen er den maksimale bølgehøyde 32 m, og plattformens dypgående skal da være minst 64 m.

Dermed vil bølgene fra overflaten være praktisk talt

fullt neddempet ved plattformens dypgående og plattformens vertikalbevegelser i stormbølger bli meget små. Den del av stigerørsystemet som opptar vertikalbevegelser, kan da forenkles tilsvarende.

Siden strukturen får form som et flytende tårn, blir det mulig å støtte opp stigerøret eller beskytte det ved å føre det gjennom en søyle helt ned til plattformens maksimale dypgående. Fra dette nivå og ned til bunnen er stigerøret ikke utsatt for bølgekrefter, og i tillegg er strømmen på

disse dyp gjerne under halvparten så sterk som strømmen på overflaten. Den frie lengde av stigerøret er redusert med dypgåendet av plattformen, noe som også bidrar til å redusere belastningene på dette. Siden bølgekreftene har en resultant som angriper nær overflaten, vil plattformen som følge av bølger rotere noen grader om et punkt som ligger nær plattformens maksimale dypgående. Derved blir den frie lengden av stigerøret også utsatt for bare meget små •.bevegelser i horisontalplanet som følge av bølgene.

Ved at ankerlinene festes, nær plattformens maksimale dypgående, reduseres videre bølgekreftenes innflytelse på anker-systemet, og det blir derved mulig å bruke strammere ankerliner, noe som reduserer plattformens sideveis forflytning ved vind og strøm. Dette bidrar også til å redusere horisontalbevegelsene i stigerørsystemet.

Om ønskelig, f.eks. om anvendelsen krever mer oljelager enn hva det er plass til i de nederste deler av søylene, kan de nederste deler av strukturen økes i volum slik at de virker på samme måte som pongtongene for en halvt nedsenkbar plattform. I tillegg til å øke lagervolumet vil slike pongtonger redusere plattformens vertikalbevegelser ytterligere.

Plattformen kan bygges på flere måter. Et foretrukket alternativ er å bygge bæfestrukturen og dekket hver for seg og montere disse sammen innenskjærs på et sted med dypt vann langs ruten til det sted plattformen senere skal brukes på.

Bærestrukturen kan bygges som en konvensjonell stål-plattform, sjøsettes, stilles vertikalt og senkes ved å

fylles med vann slik at bare noen få meter av i det minste ett av bena rager over vannflaten.

Det ferdig utrustede dekk kan være selvflytende eller båret på en lekter. Etter at dekket er plassert over bærestrukturen, blir vann pumpet ut av denne, som da løfter dekket opp fra vannet eller fra lekteren. Den ferdige plattform kan så taues på plass.

En plattform ifølge oppfinnelsen er skjematisk vist på tegningen. Det dreier seg om en flytende konstruksjon i stål og/eller betong bestående av søyler 1 med horisontale 2 og eventuelt diagonale 3 stag og avsluttet ved et stort dypgående med en eller flere pongtonger 4. Geometrien av pongtongene kan om ønskelig avstemmes mot tverrsnittsarealet av fagverkets søyler på samme måte som for andre halvt nedsenkbare fartøyer. Den øvre del 5 av fagverkets søyler og i det minste de øvre stag er luftfylt til en dybde som gir passende oppdrift. Om ønskelig kan.en del av konstruksjonen utformes som et rør

6 mellom dekket og et punkt godt under vannflaten. Dette rør kan nyttes til å beskytte stigerøret 7 mot krefter fra bølgene. I bunnen av røret kan der monteres et støttelager for stigerøret og eventuelt en innretning til å oppta vinkelbevegelsene mellom plattformen og stigerøret. Plattformen trenger vanligvis fast ballast 8 for å være stabil. Om anvendelsen krever at der holdes et lager av olje, vil pongtongene og de nederste deler av søylene holdes fylt av olje 9 og vann 10 i vekslende forhold. Trimtanker 11 i søylene nyttes til å kompensere for vektendringer. Tankene holdes fylt med gass/olje eller luft/vann i kontrollert forhold. Man kan om ønskelig utnytte trimtankenes volum til å separere gass og vann fra oljen for å spare vekt av separatorer på dekket. Plattformen forankres med et antall ankerliner 12. Om disse festes langt nede på plattformen, vil ankerlinene kunne gjøres vesentlig kortere, kreftene i linene vil variere mindre, og horisontalbevegelsene for stigerøret under plattformen kan bli mindre enn om linene festes høyt oppe. Til gjengjeld vil plattformen krenge mer ved strøm og jevn vind. Denne krengning kan om ønskelig motvirkes ved at væske flyttes mellom trim-

tankene eller lagertankene.

På grunn av høyde/bredde-forholdet og ballasten kan plattformen ikke velte selv om oppdriften helt skulle bortfalle for en av søylene. Kjente metoder kan brukes til å øke sikker-heten, f.eks. oppdeling av oppdriftsvolumet med vanntette skott, fylling av de mest kollisjonsutsatte deler med oppdriftsmiddel og utforming av dekket slik at det er vann-tett om bærestrukturen skulle miste en stor del av sin oppdrift.

Claims (5)

1. Flytende offshoreplattform i stål og/eller betong, av den art hvor minst tre tilnærmet vertikale ben (1) bærer et dekk (13) med utstyr, karakterisert ved at benas tverrsnittsareal er tilnærmet konstant fra vannlinjen til en dybde nær plattformens dypgående som under drift er minst dobbelt så stort som den maksimale bølgehøyde i det farvann plattformen er dimensjonert for å operere i.

2. Flytende offshoreplattform ifølge krav- 1, r a k - terisert ved at der som del av konstruksjonen er anordnet et rør mellom plattformdekket og et punkt som ligger så dypt at bølgekreftene er praktisk talt fullt neddempet, og at dette rør nyttes til å beskytte den øvre del av det stigerør som forbinder plattformen med utstyr på bunnen.

3. Flytende offshoreplattform ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at plattformens stabilitet er øket ved hjelp av fast ballast.

4. Flytende offshoreplattform som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at plattformens største horisontaldimensjon ved vannlinjen er høyst halvparten av dens dypgående.

5. Flytende offshoreplattform ifølge et av.de foregående krav, karakterisert ved at trimtankene er utformet som separeringstanker for gass, vann og olje.