Петров системы стабилизации буровых судов. Анализ поведения подвижного объекта в замкнутом пространстве
БУРОВОЕ СУДНО (а. drilling vessel; н. Воhrschiff; ф. navire de forage; и. barсо perforador) — плавучее сооружение для морского бурения скважин, оборудованное центральной прорезью в корпусе, над которой установлена , и системой для удержания судна над устьем скважины.
Впервые бурение с применением бурового судна начато в Атлантическом океане в 1968 (с американского судна "Гломар Челленджер"). Современные буровые судна (рис.), как правило, самоходные, с неограниченным районом плавания. Водоизмещение бурового судна 6-30 тысяч т, дедвейт 3-8 тысяч т, мощность энергетической установки, обеспечивающей буровые работы, позицирование и ход судна, до 16 МВт, скорость хода до 15 узлов, автономность по запасам 3 месяца. На буровом судне применяются успокоители качки, позволяющие вести бурение скважин при волнении моря 5-6 баллов; при большем волнении бурение прекращается и судно находится в штормовом отстое со смещением от скважины (расстояние до 6-8% от глубины моря) или бурильная колонна отсоединяется от устья скважины. Для удержания бурового судна в заданной точке бурения в пределах, допускаемых жёсткостью колонны бурильных труб, применяют 2 системы позицирования: статическую (с использованием заякоривания судна) и динамическую стабилизацию (с помощью гребных винтов и подруливающих устройств).
Якорная система используется для бурового судна при глубине моря до 300 м; включает тросы и цепи, специальные якоря массой 9-13,5 т (8-12 штук), якорные лебёдки с усилием по 2МН, оборудованные контрольно-измерительной аппаратурой. Расстановка якорей и их уборка производятся со вспомогательных судов. Для увеличения манёвренности и сокращения времени работы при уходе с точки бурения используют т.н. якорные системы круговой ориентации судна (специально встроенная в центре корпуса судна турель с площадкой, на которой смонтировано всё якорное устройство, включая лебёдки). Удержание бурового судна на позиции с помощью системы динамической стабилизации применяется для судов любого класса при глубине моря свыше 200 м и осуществляется автоматически (или вручную) посредством измерительного, информационно- командного и движительно-рулевого комплексов.
В измерительный комплекс входят приборы акустической системы, которые используются для стабилизации судна в режиме бурения, при выводе судна на скважину, для определения положения водоотделяющей колонны относительно устья скважины. Работа акустической системы основана на регистрации импульсов, посылаемых от донных маяков, располагаемых вблизи устья скважины, и их приёмке гидрофонами под днищем судна. В качестве дублирующей системы применяют инклинометр. В информационно-командный комплекс входят 2 вычислительные машины, получающие одновременно информацию о положении судна и состоянии окружающей среды; при этом одна из них работает в командном режиме, управляя двигателями, вторая (резервная) — автоматически (при выходе из строя первой). Движительно-рулевой комплекс включает главные движители судна, подруливающие устройства и систему управления ими. Усилия продольного упора на судне создаются гребными винтами регулируемого шага, поперечного — специальными винтами регулируемого шага, устанавливаемыми в поперечных тоннелях в корпусе судна. Изменение величины и направлений упоров осуществляется регулированием шага винтов по команде вычислительной машины или вручную с пульта управления движительной системой.
Буровое судно оборудуется также пультом управления, который предназначен для контроля за положением судна и водоотделяющей колонны в режиме автоматической стабилизации, и дистанционным ручным управлением при постановке судна на позицию. Разновидность бурового судна — т.н. шлангокабельные суда, предназначенные в основном для инженерно-геологического бурения на глубине 200 метров при глубине моря до 600 метров. Они оборудуются системой динамической стабилизации, гибким шлангокабелем, благодаря чему требования к смещению судна относительно устья скважины предъявляются менее жёсткие, чем при использовании бурильных труб.
Описаны системы, обеспечивающие удержание буровых судов в заданной точке океана. Приведены алгоритмы и программы расчета оптимальных с учетом статистических характеристик возмущающих воздействий в условиях Мирового океана.
Книга рассчитана на инженеров и научных работников, занятых созданием средств освоения Мирового океана.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие
Глава первая. Проблемы стабилизации движения судов различных типов
§ 1. Технические средства добычи полезных ископаемых Мирового океана
§ 2. Основные типы
§ 3. Силы, порождаемые волнением моря, и динамика движения в горизонтальной плоскости
§ 4. Силы, порождаемые ветром и течением
Глава вторая. Характеристики возмущающих воздействий
§ 1. Статистические характеристики случайных процессов
§ 2. Корреляционная функция
§ 3. Спектральная плотность мощности
§ 4. Энергетический спектр морского волнения и проблема малых частот
§ 5. Рекомендуемая аналитическая аппроксимация энергетического спектра возмущающих воздействий
Глава третья. Синтез оптимальных односвязных систем стабилизации и слежения
§ 1. Алгоритмы построения оптимальных операторов
§ 2. Проблема синтеза оптимальных систем управления и ее решение
§ 3. Физический смысл оптимального управления при случайных возмущающих силах
§ 4. Сопоставление с традиционными методами теории автоматического управления
§ 5. Поведение управляемых систем при отклонениях параметров от расчетных значений
§ 6. Обеспечение устойчивости при вариациях параметров и дополнительных технических требований к управляемой системе
§ 7. Гарантирующие регуляторы
§ 8. Оптимальное управление при ограничениях на модуль управляющего воздействия
§ 9. Управление по компромиссным критериям
§ 10. О составлении уравнений систем управления; декомпозиция систем; учет постоянной составляющей в возмущающем воздействии
§ 11. Общая характеристика методики синтеза и важнейших приложений
Глава четвертая. Оптимизация многосвязных систем управления
§ 1. Математические модели многосвязных систем управления
§ 2. Управление многомерными системами. Модальное управление
§ 3. Проблема оптимизации многомерных линейных систем
Глава пятая. Расчет оптимальных систем стабилизации для буровых судов
§ 1. Расщепление многомерной системы управления на одномерные системы
§ 2. Движение бурового судна при различных законах стабилизации
§ 3. Оптимизация по различным критериям качества
§ 4. Коррекция и реализация регуляторов
Глава шестая. Техническая реализация систем стабилизации положения буровых установок
§ 1. Средства информации систем автоматической стабилизации
§ 2. Средства активного удержания буровых судов в заданной точке
§ 3. Структуры систем динамической стабилизации буровых судов
§ 4. Координированное управление положением буровых полупогружных установок
Заключение
Приложение
Указатель литературы
Современный технический прогресс в области информационных технологий существенно расширяет тактико-технические возможности подвижных
объектов различного назначения. Значительную роль в этом процессе играет решение задач ориентации и навигации объектов на новом качественном уровне. Системы,
решающие на борту эти задачи, объединяются в информационно-управляющие комплексы ориентации и навигации (КОН). Наряду с оптимизацией управляющей части
КОН, общим направлением их развития в последние десятилетия является существенное повышение точности и надежности признано информационные параметры
ориентации и навигации, т.е. совершенствование информационной части КОН. Эти обстоятельства во многом предопределяют рост эффективности и безопасности
эксплуатации подвижных объектов.
Необходимость создания КОН как комплексов, в которых результат в значительной степени достигается за счет обеспечения избыточности информации, оптимизации
ее обработки, оптимизации управляющей части, обусловлено тем, что только конструктивно-технические пути решения задач ориентации и навигации на современном
уровне требований, часто ведут к чрезвычайным расходам, а темпы их внедрения существенно ниже требуемых темпов наращивания информационного обеспечения. В
то же время, другим основополагающим фактом в развитии КОН является переход к ресурсосберегающим технологиям, что позволяет получить существенный выигрыш в
массогабаритных характеристиках аппаратуры, снизить ее стоимость, энергопотребление и повысить надежность. Тут один из основных путей
решения - миниатюризация датчиков, применительно к инерциальным системам наиболее ярко отражается в переходе там, где это целесообразно, к
микромеханическим инерциальным чувствительным элементам. Одновременно совершенствуются и технологии перспективных макродатчиков КОН, частности инерциальных
чувствительных элементов и гравиинерциальних измерителей.
В большинстве случаев информационным ядром современных и перспективных КОН является бес платформенная навигационная система, комплектируемая со спутниковой
навигационной системой. Такой подход наиболее полно проявляется, в частности, в КОН авиационного применения, опыт проектирования которых широко использован
в монографии.
Актуальность темы
Задача вычисление координат подвижного объекта актуальна, т.к. в настоящее время требуется высокая точность и достоверность положения объекта. В связи с этим ведутся исследования по улучшению систем навигации и вывод их на новый, более высокий уровень.
Научная значимость работы
Научная значимость данной работы заключается в разработке более точного метода определения координат подвижного объекта и удержание его в определенном пространстве.
Практическая ценность результатов работы
В ходе выполнения работы после проведения моделирования с улучшенными методами предполагается получить более оптимальный и достоверный метод определения координат и удержание объекта в ограниченном пространстве. Обобщенная структура КОН в виде пяти взаимосвязанных функциональных модулей (Рис.1):
Рисунок 1 - Обобщенная структура комплексов ориентации и навигации.
В приведенной структуре информационной основой КОН является комплекс систем-источников первичной информации (КПИ), измеряющие различные параметры движения и состояния объекта и передают эту информацию в аналоговом или цифровом виде в вычислительный комплекс (ВК). На Рис.1 обозначено: СВОИ - средства ввода и отображения информации. CK - средства контроля подсистем КОН и управляемого объекта. ИУ - исполнительные устройства управления.
Динамическое позиционирование
Системы динамического позиционирования открыли новые возможности для интенсивного развития морских исследований, результаты которых
составляют необходимую научную базу для всех видов использования и освоения Мирового океана.
В зависимости от глубины проведения работ в настоящее время применяют в основном два способа удержания судов в заданном положении: статические системы
позиционирования (якорные системы удержания) и системы динамического позиционирования.
Суда, обладающие высокой мобильностью, незаменимы при выполнении работ по разведке месторождений нефти и газа на значительных площадях морей, когда
требуется частая смена района работ. При глубинах свыше 200 м на судах, как правило, используются динамические системы позиционирования, обеспечивающие
достаточно быструю и простую постановку на заданную точку, возможность ухода с позиции при ухудшении гидрометеорологических условий и высокую точность
удержания судна на месте. Динамическое позиционирование может осуществляться автоматически, полуавтоматически или вручную при помощи команд оператора с
пульта управления системы динамического позиционирования. За рубежом ведущее положение по разработке систем динамического позиционирования занимают
Норвегия и Франция. Впервые такая система была создана французской фирмой и установлена в 1964 г. на исследовательском судне "Terebel". В США разработкой
систем динамического позиционирования занимается фирма «Honeywell». Система этой фирмы впервые была установлена на буровом судне "Glomar Challenger",
построенном в 1968 г. Опыт эксплуатации этих систем на судах «Terebel» и «Glomar Challenger» показал их высокую эффективность. Суда удерживались в
заданной точке при действии ветра и течения с точностью до 3-6 % от глубины.
«Эврика» был первым в мире с автоматическим управлением динамического позиционирования судна. Это был полупогружной, построен нефтяной компанией «Шелл»
для разведочного бурения и начал свою работу весной 1961 года. С одним двигателем мощность для каждого из своих 400 тонн перемещения, он был очень успешным
в принятии ядер до 150 м в морское дно. Усреднения по два места в сутки, она пробурена до девяти в один день на глубине с до 1200 г.
Так как это первая операция динамической системы позиционирования, они прошли долгий путь. Старые аналоговые (одного потока системы) затем пошли и
цифровые компьютеры представлены в двух, а потом и тройным резервированием. Частота отказов прошли путь от нескольких в месяц и более чем 20 процентов
простоя в первый год, на сегодняшний день среднее время наработки на отказ (MTBF) около трех лет для лучших систем.
Развитие успеха системы динамического позиционирования требует средств для проверки производительностей всей системы от контроля для реакции судна
окружающей среды и двигателя сил на корпус. Полное моделирование даст производительность системы с помощью математического анализа, прежде чем любое
оборудование было приобретено. Тогда с помощью детального тренажера системы, можно изменять параметры управления системой, аппаратные характеристики,
дизайн винта или даже конструкции корпуса, чтобы получить те или необходимой эффективности в меняющихся условиях, а также в ответ на внезапный отказ от
компонент системы.
Системы управления
Системы динамического позиционирования, в основном, это положение судна по отношению к намеченной позиции и направляет силу различных
двигателей, чтобы исправить любые ошибки позиции. Без какой либо модуляции тяги и предоставление «мертвой зоны», система будет постоянно
перерегулироваться. Наверное, самая простая практическая система состоит из тяги и момента команды пропорциональной (Р) на сумму местоположения и
направления ошибки:
Диаграмма осей системы приведена на рис 4.1, с началом координат, S, из земных осей в системе входит по-прежнему поверхности воды.
Рисунок 2 - Динамическое позиционирование осей системи.
Математическая модель
Для динамического позиционирования плавучее сооружение, не только горизонтальные движения низкой частоты волны (K = 1), влияние (K = 2)
и рыскания (К = 6) представляют интерес. Двигатель силы должнен балансировать и принимать волны, текущие и ветровые нагрузки. Кроме того, xЎ и Xf, является
медленно меняющимися структуры. Осталось высокочастотные движение волн, которые интегрировались или отфильтровались.
Общий вид трех нелинейных связанных (Эйлера) уравнения движения в горизонтальной плоскости на волнах, качаться и рыскания судна с динамическим
позиционированием - с осями системы определяется по формуле:
Относительная скорость воды и напрвления:
Рис 3 – Моделирование шквального лобового и бокового ветра.
Оптимальная оценка состояния
Прежде чем разрабатывать систему управления динамического позиционирования необходимо вычислить оценку состояний шумов. Обычно это
делается путем применения наполнителя оценкам состояния Кальман и обозначаются Xl, Xh, Xc1, Xw.
Рисунок 4 - Блок-схема системи динамического позиционирования
Методы определения координат объекта
Пcевдодальномерний метод.
Сущность псевдодальномерного метода состоит в определении расстояний между навигационными спутниками и потребителем и последующим расчетом координат
потребителя. Для расчета трех координат потребителя псевдодальномерным методом необходимо знать расстояния между потребителем и минимум тремя
навигационными спутниками. Эти расстояния измеряются между фазовыми центрами передающей антенны навигационного спутника и приемной антенны потребителя.
Измеренное расстояние между i-тым навигационным спутником и потребителем называется псевдодальностью к i-му спутнику. Псевдодальность, вообще говоря, также
является расчетной величиной и вычисляется как произведение скорости распространения электромагнитных колебаний и времени, в течении которого сигнал
спутника по трассе «спутник - потребитель» достигнет потребителя. Это время измеряется в аппаратуре. Измеренная псевдодальность к i-му навигационному
спутнику определяется по формуле:
PRi = c x ti
где PR - измеренная псевдодальность к i-му навигационному спутнику, км;
ti - время распространения сигнала на трассе «i-тый спутник - потребитель» на момент проведения навигационных определений, с;
с-скорость распространения электромагнитных волн в пространстве, км / с.
Уравнение (1) можно записать через координаты i-го спутника и координаты потребителя по формуле:
Где PR- измеренная псевдодальность к i-му навигационному спутнику, км;
(Xi, yi, zi) - координаты i-го спутника;
(X, y, z) - координаты потребителя.
Дифференциальный метод.
Дифференциальный метод определения координат используется для повышения точности навигационных определений, выполняемых в аппаратуре потребителя. В основе
дифференциального метода лежит знание координат опорной точки или системы опорных точек, по которым могут быть вычислены поправки к определению
псевдодальностей навигационных спутников. Если эти поправки учесть в аппаратуре потребителя, то точность расчета, в частности, координат может быть
повышена в десятки раз.
Аппаратура, входящая в состав наземного функционального дополнения состоит из контрольно-корректирующих станций, ОВЧ канала передачи данных в соответствии
с рисунком 5. Бортовой навигационный GNSS приемник и приемник ОВЧ сигналов установленные на борту подвижного объекта.
Рисунок 5 - Контрольно-корректирующая станция
Разница между расчетной и измеренной псевдодальностями является поправка псевдодальности соответствующего навигационного спутника. Учет в аппаратуре потребителя этой разницы и позволяет повысить точность навигационных определений. В практических системах потребителю передается скорость изменения поправок псевдодальностей, с применением которых производится расчет скорректированных псевдодальностей.
Заключение
Выполненные исследования, результаты которых изложены работе, позволяют решить актуальную задачу формирования математической модели
судна, оборудованного СДП, на ранних стадиях исследовательского проектирования. К наиболее существенным можно отнести следующие результаты работе:
1. Аналитические описания гидроаеродинамичних характеристик судна.
2. модель неизменной части системы управления динамическим позиционированием судна, что позволяет:
- Обеспечить проверку обоснованности принятия предварительных решений;
- Способствовать формированию необходимой базы данных для автоматизации проектирования и накоплению личного опыта проектировщика;
- Послужить основой для разработки математического обеспечения автоматизированной системы исследовательского проектирования СДП;
- Усовершенствовать процесс разработки СДП, снизить трудозатраты и время на проектирование;
- Повысить эффективность разрабатываемой модели.
3. Главный алгоритм управления динамическим позиционированием, определяющий основные вычислительные операции вычислительного устройства.
4. Функционально-принципиальную схему СДП, которая определяет необходимые функциональные элементы системы и характер взаимных связей между ними.
5. Требования к измерительной подсистемы СДП, в общем, и к измерителей, в частности, которые определяют состав и структуру функциональной схемы измерительной подсистемы.
6. Методику формирования математической модели неизменяемой части системы управления динамическим позиционированием судна на этапе исследовательского проектирования.
Рисунок 6 - Имитационное моделирование судна
(анимация: 124 Кб, 3 кадра, задержка 3с, повтор кадров 4 раза)
С использованием разработанной методики выполнена имитационное моделирование судна, оборудованного СДП. Результаты моделирования практически подтвердили верность методики. Выполненные исследования убедительно показали реальную возможность сформировать математическую модель судна, оборудованного СДП, в условиях неполной и неточной информации, когда объект управления реально еще не существует, а информация о системе минимальна.
Примечание
При написании данного реферата выпускная работа магистра еще не завершена. Дата окончательного завершения работы: 1 декабря 2011 г. Полный текст работы и материалы по теме работы могут быть получены у автора или его научного руководителя после указанной даты.
Список литературы
- Структура и принципы работы систем динамического позиционирования
Сложные в техническом отношении, весьма дорогостоящие и связанные со значительным риском операции по разработке месторождений нефти и газа шельфовых зон морей и океанов включают целый комплекс взаимосвязанных этапов.
Разведочные работы. Проводимые с целью определения местонахождения геологических структур, в которых возможно скопление нефти и газа, разведочные работы осуществляют в три фазы:
Региональные исследования с целью выделения перспективных геологических информаций;
Изучение общих черт геологического строения, оценка перспектив нефтегазоносности и подготовка площадей геологогеофизическими методами к поисковому бурению;
Подготовка месторождений (залежей) к разработке с подсчетом запасов по промышленным категориям.
В первый фазе используют методы гравиметрической и магнитной разведки, включая фотографирование поверхности Земли со спутников и измерения при помощи средств инфракрасной техники.
Во второй фазе производят поисковые и. детальные геолого-геофизические работы. Для этих целей используют другие методы разведки - сейсмические исследования, изучение проб, взятых со дна моря. Вторая фаза включает также структурное и параметрическое бурение.
Третья фаза разведочных работ является завершающей и ведет к открытию месторождения (глубокое разведочное бурение). При этом производят оконтуривание месторождения, испытание скважин и подсчет запасов нефти и газа.
Элементы гидрогеологического режима
Освоение морских нефтяных и газовых месторождений коренным образом отличается от разведки и разработки их на суше. Большая сложность и специфические особенности проведения этих работ в море обусловливаются окружающей средой, инженерно-геологическими изысканиями, высокой стоимостью и уникальностью технических средств, медико-биологическими проблемами, вызванными необходимостью производства работ под водой, технологией и организацией строительства и эксплуатации объектов в море, обслуживанием работ и т. п.
Особенностью континентального шельфа нашей страны является то, что 75% акваторий расположено в северных и арктических районах, которые продолжительное время покрыты льдами, а это создает дополнительные трудности в промышленном освоении. Окружающая среда характеризуется гидрометеорологическими факторами, определяющими условия проведения работ в море, возможность строительства и эксплуатации нефтепромысловых объектов и технических средств.
Основные из них:
уровень воды
ледовый покров морей
химический состав воды и др.
температурные условия
волнения
Учет этих факторов дает возможность оценить их влияние на экономические показатели поисково-разведочных работ и морской добычи нефти и газа. Строительство морских нефтепромысловых сооружений требует проведения инженерно-геологических изысканий морского дна. При проектировании фундаментов нефтепромысловых сооружений особое внимание уделяют полноте и качеству инженерно-геологических изысканий грунтов на месте и в лабораториях. Достоверность и полнота данных в значительной мере определяют безопасность эксплуатации сооружения и экономичность проекта.
С увеличением глубин моря резко возрастает стоимость разработки месторождений. На глубине 30 м стоимость разработки в 3 раза выше, чем на суше, на глубине 60 м - в 6 раз и на глубине 300 м - в 12 раз.
В последние годы проводятся большие научно-исследовательские работы и опытно-промышленная эксплуатация, как отдельных узлов, так и целых комплексов оборудования подводной эксплуатации скважин. Особого внимания заслуживает подводная эксплуатация морских месторождений в ледовых условиях. Это обусловлено устранением возможных действий льдов на технические средства, уменьшаются навигационная опасность, пожароопасность и обеспечивается экономичность разработки месторождения.
Проблемой пока являются прокладка и особенно обследование, и ремонт подводных трубопроводов в межледовый период. Эксплуатация морских технических средств, и в основном техники для подводных методов разработки, требует обеспечения безопасного ведения подводно-технических работ при ремонте и осмотре подводной части плавучих средств и гидротехнических сооружений. Наряду с решением технических вопросов необходимо решать ряд задач по медико-биологическому обеспечению жизнедеятельности человека, в том числе в экстремальных условиях, а также задач медико-технических аспектов тепловой защиты жизнедеятельности человека при проведении работ под водой.
Разведка и разработка морских нефтяных и газовых месторождений - сложные в техническом отношении операции, весьма дорогостоящие и связанные со значительным риском. Основные проблемы при освоении этих месторождений - проблемы техники и технологии производства этих работ.
Работы по разведке и разработке морских месторождений обычно ведутся в два этапа:
На первом этапе производятся геологоразведочные работы в межледовый период, и в этом случае, возможно, применять технику, которая работает в умеренных зонах.
На втором этапе, при разработке месторождений, т. е. добыче, подготовке и транспорте нефти и газа, вследствие непрерывного производственного цикла, при котором процесс должен вестись круглый год, в том числе зимой, когда море покрыто льдом, требуется уникальная и надежная техника, технические и технологические параметры и конструктивные решения которой обусловливаются требованиями высокой надежности, долговечности, обеспечивающими безопасность работ в каждом конкретном районе.
Одно из основных условий успешного решения проблемы обустройства- наличие достаточной по объему и качеству информации об окружающей среды. Темпы роста данных наблюдений в мировом океане весьма высоки, что обеспечивает удвоение объема накапливаемой информации каждые 5-6 лет. Благодаря быстрому развитию космических средств наблюдений ожидается, что в ближайщем будущем продолжительность увеличения информации, возможно, несколько уменьшится.
Тщательное изучение гидрометеорологических условий наиболее необходимо при осовении нефтяных и газовых месторождений. Это обусловлено тем, что гидротехнические сооружения строятся и эксплуатируются в незащищенных акваториях в тяжелых погодных условиях. В экстремальных условиях окружающей среды сооружения должны выстоять и не разрушиться от воздействий стихии и обеспечить надежность в работе на весь период эксплуатации месторождения (25-30 лет).
На разных этапах проектирования разработки нефтяных и газовых месторождений требуются различные объемы гидрометеорологической информации.
На этапе проектирования морских нефтепромысловых сооружений требуются более детальные и в больших объемах данные для определения мест и схемы размещения на площади месторождения гидротехнических сооружений и степени воздействия среды на них. Сюда входят следующие исходные данные:
Максимальная высота волн и соответствующий им период;
Максимальные значения скорости ветра и течений;
Экстремальные изменения уровня воды с учетом приливов и штормовых нагонов;
Ледровые условия;
Режимные распределения высот, периодов и параметров волн, волн по румбам, скорости и направления ветров и течений;
Профили течений, спектра ветра и волн, групповые свойства волн;
Ход скорости ветра и параметры волн в типовых и наиболее жестких штормах.
Ветровой режим – основной метеорологический фактор, влияющий на такие гидрологические элементы, как волнение, течение, дрейф льда и т.д. Силу ветра и влияние ее на гидрометеорологическое состояние водного бассейна принято определять по шкале Бофорта.
Морские течения - поступательное движение масс новой суши и т.д. Морские течения, оказывающие большое влияние на циркуляцию атмосферы и климат в различных частях земного шара, вызваны трением ветра о поверхность моря, неравномерным распределением солености (а, следовательно, и плотности) воды, изменением атмосферного давления, происходящем за счет притока и оттока морских вод. Различаются морские течения по степени устойчивости: изменчивые, временные, периодические (сезонные), устойчивые; по расположению: глубинные поверхностные, придонные; по физико- химическим и температурным свойствам.
Волной именуется распространение колебаний (возмущений) в любой деформированной среде. Из много численных типов волн существенно роль играют ветровые и гравитационные. Наиболее важными для расчетов параметрами являются их длина, высота и частота.
Исследования окружающей среды ведутся по специальным методикам и рекомендациям, разработанным специальными организациями, обществами и ведомствами с учетом требований отраслей. Фундаментальными исследованиями занимаются государственные организации, ассоциации и т.п.
Контрольные вопросы:
1.В чем заключается сложность освоения морских месторождений?
2. Чем характеризуется окружающая среда?
3. Что входит в гидрометеорологические факторы?
4. Какие исходные данные нужны для проектирования нефтегазовых сооружений не море?
5. Дайте определения ветровому режиму, морским течениям и волнам.
Основное назначение систем стабилизации БС - предотвращение его горизонтальных смещений от устья скважины на величины выше допустимых во избежание поломки обсадных и бурильных труб. В то же время некоторые типы систем стабилизации при правильной технологии их использования обеспечивают также существенное уменьшение качки БС.
Влияние типа и параметров системы стабилизации судна на его качку и дрейф
Основное назначение систем стабилизации БС - предотвращение его горизонтальных смещений от устья скважины на величины выше допустимых во избежание
поломки обсадных и бурильных труб. В то же время некоторые типы систем стабилизации при правильной технологии их использования обеспечивают также
существенное уменьшение качки БС.
Стабилизация БС при помощи закольных свай полностью исключает его дрейф и уменьшает качку. Однако область эффективного использования закольных свай
ограничена глубинами воды до 8 м и волнением моря до 3 баллов.
Якорная система проявляет максимальную удерживающую способность при горизонтальном приложении к якорю усилия от троса. Установлено, что если угол
приложения нагрузки больше 12° от горизонтали, то удерживающая способность якоря значительно уменьшается. Если принять, что якорный трос вытянут в
прямую линию, то его длина для получения такого угла наклона должна быть в 4,8 раза больше глубины воды в месте бурения.
Однако никакими усилиями наклонно направленный трос невозможно вытянуть в прямую линию, под действием силы тяжести он всегда провисает, и это уменьшает
угол наклона его при подходе к якорю. Поэтому длину заброшенного в воду якорного троса рекомендуют принимать при безветренной погоде, отсутствии сильных
течений и колебаний уровня воды больше глубины акватории в 3-4 раза, а при работе в неблагоприятных погодных условиях - в 2-3 раза. Для увеличения
удерживающей силы и улучшения амортизационных свойств якорной системы рекомендуется к якорному тросу в нескольких метрах от якоря подвешивать специальный
груз или между якорем и тросом устанавливать тяжелую цепь длиной 2-3 м.
Сила внезапных нагрузок от ветра и волнения расходуется прежде всего на уменьшение провеса якорного троса. Одновременно с уменьшением провеса троса увеличивается сила его натяжения, которая создает момент, препятствующий наклону судна. Таким образом, длинный якорный трос демпфирует внезапные нагрузки и уменьшает бортовую, килевую и вертикальную качку судна.
Успокоители качки судов
Работа успокоителей качки судов основана на том, что они создают стабилизирующий момент только при возникновении отклоняющего момента, т.е. когда судно
уже получило угловое наклонение, отличающееся от его значения на тихой воде. Поэтому полностью исключить качку БС успокоители не могут. Тем не менее
успокоители качки частично компенсируют возмущающий момент при качке судна, вследствие чего уменьшаются ее амплитуда, скорость и ускорение. Это
благоприятно сказывается на работе судовых механизмов и самочувствии находящихся на судне людей.
По принципу управления работой успокоители качки делятся на пассивные и активные. Пассивные не имеют искусственного управления стабилизирующим моментом
и не требуют каких-либо специальных источников энергии. Активные успокоители осуществляют изменение стабилизирующего момента с помощью специальных
механизмов. В качестве успокоителей качки используют боковые и торцевые кили, управляемые боковые рули, пассивные и активные успокоительные гироскопы и
цистерны.
Боковые и торцевые кили представляют собой длинные пластины, устанавливаемые на корпусе БС ниже ватерлинии. Кили создают дополнительное сопротивление при бортовой и продольной качке и способствуют
значительному уменьшению амплитуды колебаний (на период качки боковые и торцевые кили не влияют). Применение боковых килей рациональной площади приводит к
уменьшению амплитуды бортовой качки быстро движущегося судна на 20 - 30 % (при больших размерах площади килей до 50 %). Конструктивно кили являются
простейшими пассивными успокоителями. Однако их использование приводит к некоторой потере скорости хода судна.
Управляемые бортовые рули представляют собой крылья малого удлинения, которые выступают с обоих бортов судна и снабжены механизмами, обеспечивающими их
поворот, выдвижение из корпуса и уборку внутрь него. Такие рули относятся к активным успокоителям качки. Боковые управляемые рули особенно эффективно
действуют при высокой скорости хода судна, снижая амплитуду бортовой качки в несколько раз. Благодаря этому повышается скорость судна на волнении, несмотря
на то что выдвинутые рули увеличивают сопротивление его движению на тихой воде.
Действие гироскопического успокоителя качки основано на том, что массивный гироскоп при быстром вращении противодействует изменению направления своей
оси вращения в пространстве. Гироскопические успокоители бывают пассивными и активными. Они одинаково эффективно умеряют качку на ходу судна и в дрейфе.
К недостаткам гироскопических успокоителей относятся значительная масса, неудобство расположения, большая стоимость, сложность устройства в
эксплуатации, расшатывание связей корпуса и опасность значительных его повреждений при аварии гироскопа. Как показала проектная проработка, выполненная
американскими специалистами применительно к судну типа AGOR-3 (водоизмещение -1400 т), масса гироскопического успокоителя должна быть около 70 т, для его
размещения потребуются площади объемом -145 м3, а потребляемая мощность составит 260 кВт, т.е. 35 % общей мощности ЭУ судна.
Успокоительные цистерны бывают пассивными и активными. Конструктивно эти успокоители представляют собой специальные сообщающиеся цистерны с
переливающейся в них водой, расположенные по бортам судна. Принцип действия такого успокоителя состоит в том, что при качке переливание воды из цистерны
одного борта в цистерну другого отстает от наклонения судна. Тем самым создается стабилизирующий момент, противодействующий наклонению судна.
Активные успокоительные цистерны обеспечивают почти полное успокоение бортовой качки судна при всех соотношениях между ее периодом и периодом волны
(т.е. при нерегулярном волнении). Они эффективно действуют на ходу и в дрейфе судна, но требуют сложного и дорогого оборудования (насос или воздуходувка,
приборы управления), дополнительных затрат мощности для его привода. Например, мощность двигателя насоса активных цистерн, установленных на
научно-исследовательском судне "Метеор" (ФРГ), равна 110 кВт.
Пассивные успокоительные цистерны малоэффективны в условиях нерегулярного волнения, и их эффективность зависит от нагрузки судна. В то же время
наибольшее распространение для уменьшения бортовой качки на научно-исследовательских судах получила система стабилизации типа Флюм, в основе которой лежит
принцип работы пассивных успокоительных цистерн. Главными элементами системы Флюм являются три цистерны: две бортовые и одна средняя, соединенные между
собой каналами и снабженные клапанами вентиляции. Примерно на половину своей высоты цистерны и каналы заполнены водой.
Принцип действия системы заключается в следующем: вода перетекает из средней цистерны в бортовую или наоборот таким образом, чтобы уровень воды в
средней цистерне при наклонении судна оставался постоянным. Перетекающая вода создает при этом восстанавливающий момент, который демпфирует бортовую качку.
Изменяя количество воды в цистернах, можно увеличивать или уменьшать метацентрическую высоту, что особенно важно для буровых судов. У БС значение
метацентрической высоты в процессе бурения может колебаться до 30 - 50 % в зависимости от расхода запасов топлива и, главным образом, от того, где
находится буровой снаряд - в скважине или на палубе судна.
Система Флюм отличается простотой и высокой эффективностью, низкими начальными и эксплуатационными затратами, относительно небольшими размерами и
массой (0,7 - 3 % от водоизмещения), возможностью использования топлива в качестве рабочей жидкости. В обычных условиях она, по данным компании "Матсон",
снижает амплитуду бортовой качки на 75 - 80 %, а при условиях, близких к резонансу, - до 90 %. При испытаниях системы на модели достигнуто уменьшение
амплитуды бортовой качки в 2-3 раза. Эффект от применения системы Флюм был настолько значительным, что установка бортовых килей существенно не влияла на уменьшение бортовой качки модели.
Влияние соотношения главных размерений судна на параметры его качки
Для уменьшения килевой и вертикальной качки целесообразно проектировать суда, длина которых была бы больше длины волны, при которой с них
предусматривают осуществлять бурение (при волнении 4 балла длина волны составляет 25 - 40 м, 5 баллов - 40 - 75 м). На точке бурения БС следует
устанавливать носом на волну. Однако в процессе бурения скважины направление ветровой волны может меняться по
141 нескольку раз. А так как изменять положение судна на скважине синхронно с изменением направления волны трудно, то судно может оказаться в положении
бортом на волну. При этом существенно усиливается дрейф и снижается остойчивость судна, т.е. у него увеличиваются углы крена от действия кренящих нагрузок.
Повышение остойчивости судна достигается снижением его центра тяжести. Однако при этом ухудшаются условия работы и обитания людей, так как бортовая
качка становится стремительнее, порывистее и тяжелее.
Для улучшения условий обитания на судне период его бортовой качки необходимо увеличивать. Как следует из выражения, сделать это можно уменьшением
метацентрической высоты судна или увеличением его ширины. Уменьшение ме-тацентрической высоты судов достигается заострением обводов в подводной части
корпуса и преимущественно повышением центра тяжести судна. Последнее улучшает условия обитания на судне, но делает его, как уже отмечалось, менее
остойчивым.
Повышается остойчивость судна и улучшаются условия обитания на нем при увеличении ширины БС. Исходя из режима работы судна (стоянка на точке бурения
составляет 85-90 % всего времени), ширину его корпуса можно увеличивать до любых необходимых размеров. Наряду с этим форма и ширина корпуса не должны
создавать больших сопротивлений движению судна по воде со скоростью 1 0- 1 4 узлов.
Следовательно, при различном влиянии изменения мета-центрической высоты судна на его остойчивость и условия обитания, а ширины на остойчивость и
скорость хода БС должно быть спроектировано таким образом, чтобы при достаточной остойчивости период качки был максимальным. В работе отмечается, что амплитуда бортовой качки плавучей буровой установки при бурении не должна быть более 5 - 7° с периодом в десятки секунд.
Обычно относительная метацентрическая высота (отношение метацентрической высоты к максимальной ширине корпуса) для грузовых и пассажирских судов при
полном водоизмещении составляет примерно 0,05; для научно-исследовательских судов (НИС) она достигает 0,082 . Период качки однокорпусного НИС шириной 1
2 м (среднее значение ширины специализированных судов для геологических и геофизических исследований шельфа по), вычисленный по формуле при
указанном значении относительной метацен-трической высоты, составляет всего 9,4-10,3 с, что явно недостаточно для нормальных условий обитания на судне
людей.
Изложенное свидетельствует, что мероприятия по уменьшению качки БС путем выбора его центра тяжести, формы обводов и размеров корпуса имеют ограниченное
значение и недостаточно эффективны в условиях волнения, постоянно изменяющегося по силе и направлению.
Методы уменьшения амплитуды и силы воздействующих на судно волн
Наиболее мобильными устройствами, защищающими БС от больших волн, являются волнорезы, или волноломы. Их действие основано на том, что по мере удаления
от поверхности в глубь моря сила волн затухает по закону hx = h / е5,5(х/X)0′8,
где h и hx - высота ветровой волны на поверхности моря и на глубине х от поверхности соответственно; X - длина волны.
Расчеты показывают, что 75 % энергии волны моря приходится на его поверхностный слой, глубина которого составляет 10 % от длины волны; на глубине моря,
равной половине длины волны, ветровое волнение практически отсутствует.
Обычно волнорезами служат обладающие положительной плавучестью цилиндрические емкости, которые шарнирно соединяют между собой или помещают в сетчатую
оболочку, располагают в несколько рядов вокруг судна или со стороны волнения и раскрепляют якорями.
Для эффективной работы волнорезов оси цилиндрических емкостей должны находиться ниже уровня воды, где энергия волны максимальная. Для этого расчетную
часть каждой емкости заполняют морской водой, а оставшуюся часть - сжатым воздухом. Эффективность волнореза повышается с увеличением диаметров его
цилиндрических емкостей. Экспериментально с помощью волнорезов специалисты буровых компаний Англии уменьшали амплитуду волны с 9 до 1,5 м.
