Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Платформы на шельфе Мексики.

Морское геотехническое проектирование - это подраздел геотехнического инжиниринга . Он занимается проектированием фундаментов, строительством, обслуживанием и выводом из эксплуатации искусственных сооружений в море . [1] Нефтяные платформы , искусственные острова и подводные трубопроводы являются примерами таких сооружений. Морское дно должно выдерживать вес этих конструкций и приложенные нагрузки. Также необходимо учитывать геологические опасности . Необходимость разработки морских месторождений проистекает из постепенного истощения запасов углеводородов на суше или вблизи береговых линий, поскольку новые месторождения разрабатываются на более удаленных от берега и в более глубоких водах [2].с соответствующей адаптацией исследований оффшорных площадок. [3] Сегодня существует более 7000 морских платформ, работающих на глубине воды до 2000 м и более. [2] Типичная разработка месторождения простирается на десятки квадратных километров и может включать в себя несколько стационарных сооружений, промысловые выкидные трубопроводы с экспортным трубопроводом либо к береговой линии, либо подключенным к региональной магистрали. [4]

Различия между наземным и морским инженерно-геологическим проектированием [ править ]

Оффшорная среда имеет ряд последствий для геотехники. К ним относятся следующие: [1] [4]

  • Благоустройство грунта (на морском дне) и обследование участка дороги.
  • Необычные почвенные условия ( например, наличие карбонатов, неглубокий газ).
  • Морские сооружения высокие, часто превышающие 100 метров (330 футов) над их фундаментом.
  • Морским конструкциям обычно приходится иметь дело со значительными боковыми нагрузками ( т. Е. Большим моментом нагрузки по сравнению с весом конструкции).
  • Циклическая загрузка может быть серьезной проблемой при проектировании.
  • Морские сооружения подвержены более широкому спектру геологических опасностей .
  • Кодексы и технические стандарты отличаются от тех, которые используются для наземных разработок.
  • При проектировании основное внимание уделяется предельному состоянию, а не деформации.
  • Внесение изменений в конструкцию во время строительства либо невозможно, либо очень дорого.
  • Расчетный срок службы этих конструкций часто составляет 25–50 лет.
  • Экологические и финансовые затраты в случае отказа могут быть выше.

Морская среда [ править ]

Морские сооружения подвергаются различным воздействиям окружающей среды: ветру , волнам , течениям, а в холодных океанах - морскому льду и айсбергам . [5] [6] Экологические нагрузки действуют в основном в горизонтальном направлении, но также имеют вертикальную составляющую. Некоторые из этих нагрузок передаются на фундамент (морское дно). Режимы ветра, волнения и течения можно оценить по метеорологическим и океанографическим данным, которые вместе называются метеорологическими данными . Могут возникать и землетрясения - они идут в обратном направлении: от фундамента к конструкции. В зависимости от местоположения возможны другие геологические опасности.тоже может быть проблемой. Все эти явления могут повлиять на целостность или работоспособность конструкции и ее фундамента в течение срока ее эксплуатации - их необходимо учитывать при проектировании морских сооружений.

Природа почвы [ править ]

Ниже приведены некоторые особенности, характеризующие почву в морской среде: [7]

  • Почва состоит из отложений , которые обычно находятся в насыщенном состоянии - соленая вода заполняет поровое пространство.
  • Морские отложения состоят из обломочного материала, а также остатков морских организмов, которые составляют известняковые почвы.
  • Общая толщина отложений варьируется в региональном масштабе - обычно она выше у береговой линии, чем вдали от нее, где также более мелкозернистые.
  • Местами морское дно может быть лишено наносов из-за сильных донных течений.
  • Состояние консолидации почвы обычно бывает плотным (из-за медленного осаждения наносов), переуплотненным (местами - остатки оледенения) или недокуплотненным (из-за большого количества наносов).

Аспекты Метоокеана [ править ]

Воспроизвести медиа
Волновая акция против оффшорной структуры.

Волновые силы вызывают движение плавучих конструкций во всех шести степенях свободы - они являются основным критерием проектирования морских сооружений. [8] [примечание 1] Когда орбитальное движение волны достигает морского дна, оно вызывает перенос наносов. Это происходит только на глубине около 200 метров (660 футов), которая является общепринятой границей между мелководьем и глубокой водой . Причина в том, что орбитальное движение распространяется только на глубину воды, которая составляет половину длины волны, и максимально возможная длина волны обычно считается 400 метров (1300 футов). [6] На мелководье волны могут вызвать повышение порового давления в почве, что может привести к оползанию потока, а повторяющиеся удары по платформе могут вызватьразжижение и потеря опоры. [6]

Течения являются источником горизонтальной нагрузки для морских сооружений. Из-за эффекта Бернулли они могут также воздействовать на поверхности конструкций, направленные вверх или вниз, и вызывать вибрацию проводных линий и трубопроводов. [6] Тока ответственны за завихрения вокруг структуры, которые вызывают размыв и эрозию почвы. [6] Существуют различные типы течений: океаническая циркуляция , геострофические , приливные , ветровые и плотные . [6]

Геологические опасности [ править ]

Распространение газовых гидратов по всему миру, которые представляют собой еще одну потенциальную опасность для морских разработок.
Пример гидролокатора бокового обзора, устройства, используемого для исследования морского дна.
Трехмерное изображение системы Монтерейского каньона, пример того, что можно получить с помощью многолучевых эхолотов.

Геологические опасности связаны с геологической деятельностью, инженерно-геологическими особенностями и условиями окружающей среды. Мелкие геологические опасности - это те, которые возникают на глубине менее 400 метров (1300 футов) ниже морского дна. [9] Информация о потенциальных рисках, связанных с этими явлениями, получена путем изучения геоморфологии, геологической обстановки и тектонической структуры в интересующей области, а также с помощью геофизических и геотехнических исследований морского дна. Примеры потенциальных угроз включают цунами , оползни , активные разломы , грязевые диапиры и характер слоистости почвы (наличие карста , газогидратов , карбонатов). [9] [10] [11]В холодных регионах ледяные прополки представляют угрозу для подводных сооружений, таких как трубопроводы. [12] [13] Риски, связанные с определенным типом геологической опасности, зависят от того, насколько конструкция подвержена воздействию события, насколько серьезным является это событие и как часто оно происходит (для эпизодических событий). Любую угрозу необходимо отслеживать и устранять или устранять. [14] [15]

Исследование сайта [ править ]

Исследования на морских площадках мало чем отличаются от тех, которые проводятся на суше (см. Геотехнические исследования ). Их можно разделить на три этапа: [16]

  • Кабинетное исследование , которое включает компиляцию данных.
  • Геофизические исследования , как на мелководье, так и на глубоком морском дне.
  • Геотехнические изыскания , которые включают отбор проб / бурение и испытания на месте.

Кабинет [ править ]

На этом этапе, который может длиться несколько месяцев (в зависимости от размера проекта), информация собирается из различных источников, включая отчеты, научную литературу (журнальные статьи, материалы конференций) и базы данных, с целью оценки рисков, оценка вариантов дизайна и планирование последующих этапов. Батиметрия , региональная геология, потенциальные геологические опасности, препятствия на морском дне и метеорологические данные [16] [17] - вот лишь часть информации, которая требуется на этом этапе.

Геофизические исследования [ править ]

Геофизические исследования могут использоваться для различных целей. Один из них - изучить батиметрию в интересующем месте и получить изображение морского дна (неровности, объекты на морском дне, поперечная изменчивость, ледяные пропасти и т. Д.). Сейсмические исследования преломления могут быть выполнены для получения информации о стратиграфии мелководных участков морского дна - их также можно использовать для обнаружения таких материалов, как песок, песчаные отложения и гравий, для использования при строительстве искусственных островов . [18] Геофизические исследования проводятся с исследовательского судна, оснащенного гидроакустическими устройствами и сопутствующим оборудованием, таким как однолучевые и многолучевые эхолоты ,гидролокаторы бокового обзора , «буксирная рыба» и дистанционно управляемые аппараты (ТПА) . [19] [20] Для стратиграфии нижнего дна использовались такие инструменты, как бумеры, спаркеры, пингеры и щебетание. [21] Геофизические исследования обычно требуются перед проведением инженерно-геологических изысканий; в более крупных проектах эти фазы могут быть переплетены. [21]

Геотехнические изыскания [ править ]

Геотехнические изыскания включают в себя сочетание отбора проб, бурения, испытаний на месте, а также лабораторных испытаний грунта, которые проводятся на море, а с образцами - на суше. Они служат для подтверждения результатов геофизических исследований; они также предоставляют подробный отчет о стратиграфии морского дна и инженерных свойствах грунта. [22] В зависимости от глубины воды и гидрометеорологических условий, инженерно - геологические обследования могут проводиться с выделенным геотехническим буровым , A полупогружных , в СПБУ , большой воздушной подушки или других средств. [23] Они выполняются в ряде определенных мест, в то время как судно сохраняет постоянное положение. Динамическое позиционированиедля этого используются швартовки с четырехточечной системой якоря.

Геотехнические изыскания с неглубоким проникновением могут включать отбор проб грунта с поверхности морского дна или механические испытания на месте. Они используются для получения информации о физических и механических свойствах морского дна. [24] Они простираются до первых нескольких метров ниже уровня грязи. Исследования, проводимые на этих глубинах, которые могут проводиться одновременно с неглубокими геофизическими исследованиями, могут быть достаточными, если структура, которая должна быть развернута в этом месте, относительно легкая. Эти исследования также полезны для планирования маршрутов подводных трубопроводов.

Целью геотехнических изысканий с глубоким проникновением является сбор информации о стратиграфии морского дна до глубин, простирающихся до нескольких 100 метров ниже уровня грязи. [9] [25] Эти исследования проводятся, когда в этих местах планируются более крупные сооружения. Для глубокого сверления отверстий требуется несколько дней, в течение которых сверлильный агрегат должен оставаться в одном и том же положении (см. Динамическое позиционирование ).

Отбор проб и бурение [ править ]

Ящик для пробоотбора грунта с морского дна.
Пробоотборник грунта с гравитационным приводом, используемый для отбора керна на морском дне.
Два типа буровых систем: полупогружная (слева) и буровая (справа).

Отбор проб с поверхности морского дна может производиться с помощью грейферного пробоотборника или ящичного пробоотборника . [26] Последний предоставляет образцы в нетронутом состоянии, на которых можно проводить испытания, например, для определения относительной плотности почвы , содержания воды и механических свойств . Отбор проб также может производиться с помощью пробоотборника, работающего под действием силы тяжести или который может быть вдавлен в морское дно с помощью поршня или с помощью системы вибрации (устройство, называемое виброкорпусом). [27]

Бурение - еще один способ отбора проб с морского дна. Он используется для получения данных о стратиграфии морского дна или скальных образований под ним. Установка, используемая для отбора проб фундамента морской конструкции, аналогична той, которая используется в нефтяной промышленности для определения границ залежей углеводородов, с некоторыми различиями в типах испытаний. [28] бурильная колонна состоит из ряда сегментов труб 5 дюймов (13 см) в диаметре резьбового конца до конца, с буровым долотом сборки в нижней части. [27] По мере врезания бурового долота (зубья, идущие вниз от бурового долота) в почву образуются срезанные породы. Вязкий буровой раствор, стекающий по бурильной трубе, собирает этот шлам и выносит его за пределы бурильной трубы. Как и в случае сБереговые инженерно-геологические изыскания , для отбора проб грунта из буровой скважины могут использоваться различные инструменты, в частности «трубки Шелби», «поршневые пробоотборники» и «пробоотборники с раздельной ложкой».

Тестирование почвы на месте [ править ]

Схема, показывающая принцип действия конусного пенетрометра для определения профиля прочности почвы.
Схема, показывающая принцип действия срезной лопасти для измерения максимальной прочности и остаточной прочности грунта.

Информацию о механической прочности грунта можно получить на месте (с самого морского дна, а не в лаборатории по образцу грунта). Преимущество этого подхода заключается в том, что данные получены для почвы, которая не пострадала в результате перемещения. Два наиболее часто используемых инструмента - это конусный пенетрометр (CPT) и срезная лопасть . [29] [30]

СРТ представляет собой инструмент палочкообразного конец которого имеет форму конуса с углом при вершине известным ( например , 60 градусов). [31] По мере того, как он вдавливается в почву, измеряется сопротивление проникновению, что позволяет определить прочность почвы. [32] Втулка за конусом позволяет независимо определять сопротивление трения. Некоторые конусы также могут измерять давление поровой воды . Испытание на сдвиговой лопасти используется для определения прочности на сдвиг без дренирования мягких и средне связанных грунтов . [33] [34]Этот инструмент обычно состоит из четырех пластин, сваренных под углом 90 градусов друг к другу на конце стержня. Затем стержень вставляется в почву и к нему прилагается крутящий момент, чтобы обеспечить постоянную скорость вращения. Измеряется сопротивление крутящему моменту, и затем используется уравнение для определения прочности на сдвиг без дренажа (и остаточной прочности), которая учитывает размер и геометрию лопатки. [34]

Морские сооружения и геотехнические аспекты [ править ]

Морские сооружения в основном представлены платформами , в частности самоподъемными буровыми установками , конструкциями со стальными кожухами и самотечными сооружениями . [35] При планировании таких разработок необходимо учитывать характер морского дна. Например, гравитационная конструкция обычно имеет очень большую площадь основания и относительно плавучая (поскольку она включает в себя большой открытый объем). [36]В этих условиях вертикальная нагрузка на фундамент может быть не такой значительной, как горизонтальные нагрузки, создаваемые волнами и передаваемые на морское дно. В этом сценарии сползание может быть доминирующим видом отказа. Более конкретным примером является конструкция стальной оболочки Woodside "North Rankin A" на шельфе Австралии. [37] Вместимость ствола свай, составляющих каждую опору конструкции, была оценена на основе традиционных методов проектирования, особенно при забивании в кремнистые пески. Но почва на этом участке представляла собой известковый песок меньшей емкости. Для исправления этого упущения потребовались дорогостоящие восстановительные меры.

Для систем швартовки также требуется надлежащая характеристика морского дна . Например, при проектировании и установке всасывающих свай необходимо учитывать свойства грунта, в частности, его сопротивление недренированному сдвигу. [38] То же самое относится к установке и оценке грузоподъемности пластинчатых анкеров . [39]

Подводные трубопроводы [ править ]

Основная статья: Подводный трубопровод

Подводные трубопроводы - еще один распространенный тип искусственных сооружений в морской среде. [40] Эти конструкции либо опираются на морское дно, либо помещаются в траншею, чтобы защитить их от рыболовных траулеров , волочения якорей или усталости из-за колебаний, вызванных током. [41] Вырубка траншей также используется для защиты трубопроводов от пропахивания ледяными килями . [12] [13] В обоих случаях при планировании трубопровода необходимо учитывать геотехнические аспекты. Трубопроводам, лежащим на морском дне, требуются геотехнические данные вдоль предполагаемого маршрута трубопровода для оценки потенциальных проблем устойчивости, таких как пассивное разрушение грунта под ним (трубопровод опускается) из-за недостаточногонесущая способность , или отказ от скольжения (смещение трубопровода вбок) из-за низкого сопротивления скольжению. [42] [43] В процессе рытья траншеи, когда это необходимо, необходимо учитывать свойства почвы и то, как они повлияют на продолжительность вспашки. [44] Потенциал коробления, вызванный осевой и поперечной реакцией заглубленного трубопровода в течение срока его эксплуатации, необходимо оценить на этапе планирования, и это будет зависеть от сопротивления вмещающего грунта. [43]

Морские встроенные якоря [ править ]

Основная статья: Морские встроенные якоря

Морские закладные анкеры - это анкеры , чья способность определяется сопротивлением трения и / или несущей способности окружающего их грунта. Это противоположно гравитационным якорям, грузоподъемность которых определяется их весом. По мере того, как морские разработки перемещаются в более глубокие воды, гравитационные конструкции становятся менее экономичными из-за большого требуемого размера и стоимости транспортировки. Это оказывается подходящим для использования встроенных якорей.

См. Также [ править ]

  • Гражданское строительство
  • Материалы земли
  • Плавающая ветряная турбина
  • Геологическая опасность
  • Геотехническая инженерия
  • Геотехнические изыскания
  • Геотехника
  • Океан
  • Оффшорное строительство
  • Морское бурение
  • Оффшор (углеводороды)
  • Нефтяная платформа
  • Морское дно
  • Продолбление морского дна льдом
  • Осадок
  • Почва
  • Механика грунта
  • Подводный трубопровод
  • Подводный

Заметки [ править ]

  1. ^ Например, данная конструкция может претерпеть 2x10 8 волновых циклов в течение своего расчетного срока службы.

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Дин, стр. 1
  2. ^ a b Randolph & Gourvenec, стр. 1
  3. ^ Kolk & Wegerif, 2005
  4. ^ a b Randolph & Gourvenec, стр. 3
  5. ^ Randolph & Gourvenec, раздел 2.4
  6. ^ Б с д е е Gerwick, 2000
  7. ^ Randolph & Gourvenec, раздел 2.3
  8. ^ Randolph & Gourvenec, стр. 24
  9. ^ a b c Peuchen and Raap, 2007.
  10. ^ Randolph & Gourvenec, рис. 3.14
  11. ^ Колк и Вегериф, стр. 151
  12. ^ a b Палмер и Бин, 2011
  13. ^ a b Barrette 2011
  14. Перейти ↑ Hogan et al., 2008
  15. ^ Юнес и др., 2005
  16. ^ a b Randolph & Gourvenec, гл. 3
  17. ^ Декан, раздел 1.4
  18. ^ Дин, стр. 33
  19. ^ Дин, раздел 2.2
  20. ^ Randolph & Gourvenec, стр. 34
  21. ^ a b Randolph & Gourvenec, стр. 32
  22. ^ Randolph & Gourvenec, стр. 31 год
  23. ^ Дин, стр. 47
  24. ^ Дин, раздел 2.3
  25. ^ Дин, раздел 2.4
  26. ^ Дин, рис. 2.5
  27. ^ a b Дин, стр. 43 год
  28. ^ Randolph & Gourvenec, стр. 44 год
  29. ^ Дин, раздел 2.3.4
  30. ^ Ньюсондр., 2004
  31. ^ Дин, стр. 45
  32. ^ Das, стр. 646
  33. ^ Дин, стр. 60
  34. ^ a b Das, стр. 406
  35. ^ Дин, 2010
  36. ^ Рамакришнан, стр. 9
  37. ^ Randolph и Gourvenec, стр. 146
  38. Перейти ↑ Bai and Bai, pp. 121, 129
  39. ^ Бай и Бай, стр. 131
  40. ^ Палмер и Кинг 2008
  41. ^ Рамакришнан, стр. 186
  42. ^ Чжан и Эрбрих, 2005
  43. ^ a b Кэти и др., 2005 г.
  44. ^ Bransbyдр., 2005

Библиография [ править ]

  • Бай Ю. и Бай К. (2010) Справочник по подводному проектированию . Gulf Professional Publishing, Нью-Йорк, 919 стр.
  • Барретт, П. (2011). «Защита морского трубопровода от ледяного пропахивания морского дна: обзор». Наука и технологии холодных регионов . 69 : 3–20. DOI : 10.1016 / j.coldregions.2011.06.007 .
  • Брансби М.Ф., Юн Г.Дж. Морроу Д.Р. и Брюнинг П. (2005) Характеристики трубопроводных плугов на слоистых почвах. В: SCM Gourvenec (редактор), Frontiers in Offshore Geotechnics , Taylor & Francis, Перт, Австралия, стр. 597–605.
  • Кэти Д. Н., Джек К., Баллард Ж.-К. и Wintgens J.-F. (2005) Геотехника трубопроводов - современное состояние. В: SCM Gourvenec (редактор), Frontiers in Offshore Geotechnics . Тейлор и Фрэнсис, Перт, Австралия, стр. 95–114.
  • Дас Б.М. (2010) Принципы геотехнической инженерии , Cengage Learning, Стэмфорт, США, 666 стр.
  • Dean ETR (2010) Морская геотехническая инженерия - принципы и практика , Томас Телфорд, Рестон, Вирджиния, США, 520 стр.
  • Gerwick BC, (2000) Строительство морских и морских сооружений , CRC Press, Бока-Ратон, США, 657 стр.
  • Хоган П., Лейн А., Хупер Дж., Бротон А. и Романс Б. (2008) Проблемы геологической опасности при разработке СПГ Woodside OceanWay Secure Energy на шельфе Южной Калифорнии, Труды 40-й конференции по шельфовым технологиям (OTC) , Paper OTC19563 , Хьюстон.
  • Колк Х. Дж. И Вегериф Дж. (2005) Исследование морских площадок: новые границы. В: SCM Gourvenec (редактор), Frontiers in Offshore Geotechnics , Taylor & Francis, Перт, Австралия, стр. 145–161.
  • Ньюсон Т.А., Брансби М.Ф., Брюнинг П. и Морроу Д.Р. (2004) Определение параметров недренированной прочности на сдвиг для устойчивости заглубленного трубопровода в дельтовых мягких глинах, Труды 14-й Международной конференции по морской и полярной инженерии , Международное общество морских и полярных инженеров ( ISOPE), Тулон, стр. 38–48.
  • Палмер А.С. и Бин К. (2011) Геологические опасности трубопроводов для условий Арктики. В: WO McCarron (редактор), Deepwater Foundations and Pipeline Geomechanics , J. Ross Publishing, Fort Lauderdale, Florida, стр. 171–188.
  • Peuchen LJ и Raap C., (2007) Каротаж, отбор проб и испытания на наличие геологических опасностей на шельфе, Труды 39-й конференции по шельфовым технологиям (OTC) , документ 18664, Хьюстон.
  • Рамакришнан ТВ (2008). Offshore Engineering , Gene-Tech Books, Нью-Дели, Индия, 347 стр.
  • Рэндольф М. и Гурвенек С. (2011) Морское геотехническое проектирование , Spon Press, Нью-Йорк, 550 стр.
  • Юнес А.И., Гибсон Дж.Л. и Шипп Р.К. (2005) Оценка геологической опасности на глубоководном месторождении Принцесс в северо-восточной части Мексиканского залива: пример оценки сложных разломов при подводной разработке, Труды 37-й конференции по шельфовым технологиям (OTC) , документ 17577, Хьюстон .
  • Чжан Дж. И Эрбрих CT (2005) Расчет устойчивости трубопроводов без траншей - геотехнические аспекты. В: SCM Gourvenec (редактор), Frontiers in Offshore Geotechnics , Taylor & Francis, Перт, Австралия, стр. 623–628.