Морское геотехническое проектирование - Offshore geotechnical engineering

Платформы на шельфе Мексики.

Морское геотехническое проектирование является подполе геотехническая инженерия. 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 структур. Морское дно должно выдерживать вес этих конструкций и приложенные нагрузки. Геологические опасности также необходимо учитывать. Потребность в разработке морских месторождений связана с постепенным истощением запасов углеводородов на суше или вблизи береговых линий, поскольку новые месторождения разрабатываются на больших расстояниях 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 занимает десятки квадратных километров и может включать в себя несколько стационарных сооружений, промысловые выкидные трубопроводы с отводным трубопроводом либо к береговой линии, либо подключенным к региональной магистрали.[4]

Различия между наземным и морским инженерно-геологическим проектированием

An офшорный Окружающая среда имеет несколько значений для геотехнической инженерии. К ним относятся следующие:[1][4]

  • Улучшение грунта (на морском дне) и обследование участка дороги.
  • Почвенные условия необычные (например наличие карбонатов, неглубокий газ).
  • Морские сооружения высокие, часто превышающие 100 метров (330 футов) над их фундаментом.
  • Морским конструкциям обычно приходится выдерживать значительные боковые нагрузки (т.е. большая моментная нагрузка относительно веса конструкции).
  • Циклическая загрузка может быть серьезной проблемой проектирования.
  • Морские конструкции подвергаются большему количеству геологические опасности.
  • Нормы и технические стандарты отличаются от тех, которые используются для наземных разработок.
  • При проектировании основное внимание уделяется предельному состоянию, а не деформации.
  • Модификация конструкции при строительстве либо невозможна, либо очень дорога.
  • Расчетный срок службы этих конструкций часто составляет 25–50 лет.
  • Экологические и финансовые затраты в случае отказа могут быть выше.

Оффшорная среда

Морские сооружения подвергаются различным воздействиям окружающей среды: ветер, волны, токи а в холодных океанах морской лед и айсберги.[5][6] Нагрузки окружающей среды 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 в совокупности называются метеорологические данные. Землетрясение -индуцированные нагрузки также могут происходить - они идут в обратном направлении: от фундамента к конструкции. В зависимости от местоположения другие геологические опасности тоже может быть проблемой. Все эти явления могут повлиять на целостность или работоспособность конструкции и ее фундамента в течение всего срока службы - их необходимо учитывать при проектировании морских сооружений.

Природа почвы

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

  • Почва состоит из отложения, которые обычно считаются насыщенный состояние - соленая вода заполняет поровое пространство.
  • Морские отложения состоят из обломочного материала, а также остатков морских организмов, которые составляют известняковые почвы.
  • Общая толщина наносов 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.
  • В состояние консолидации почвы либо обычно консолидированы (из-за медленного осаждения наносов), либо переуплотнены (местами, являясь реликтом оледенения), либо недостаточно консолидированы (из-за большого количества наносов).

Метоокеанские аспекты

Волновая акция против оффшорной структуры.

Волна 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, она вызывает перенос наносов. Это происходит только на глубине около 200 метров (660 футов), что является общепринятой границей между мелководье и глубокая водаПричина в том, что орбитальное движение распространяется только на глубину воды, которая составляет половину длины волны, а максимально возможная длина волны обычно считается равной 400 метрам (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 вызвать разжижение и потеря поддержки.[6]

Течения являются источником горизонтальной нагрузки для морских сооружений. Из-за Эффект Бернулли они могут также воздействовать на поверхности конструкций, направленные вверх или вниз, и вызывать вибрацию проводов и трубопроводов.[6] Токи вызывают водовороты вокруг конструкции, которые вызывают чистка и эрозия почвы.[6] Существуют разные виды токов: океаническая циркуляция, геострофический, приливный, ветряные, и токи плотности.[6]

Геологические опасности

Два типа сейсмических профилей (вверху: щебетание; внизу: водяная пушка) разлома на морском дне в Мексиканском заливе.
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, геотехническими 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, получается 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, активный недостатки, грязевые диапиры и характер слоистости почв (наличие карст, газовые гидраты, карбонаты).[9][10][11] В холодных регионах ледовые особенности представляют угрозу для подводных установок, 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]

Изучение сайта

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

  • А кабинетный кабинет, который включает сбор данных.
  • Геофизические исследования, как мелкое, так и глубокое проникновение на морское дно.
  • Геотехнические изыскания, который включает отбор проб / бурение и испытания на месте.

Кабинетный кабинет

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 океан данные[16][17] это часть информации, которая требуется на этом этапе.

Геофизические исследования

Геофизические исследования можно использовать для различных целей. Один из них - изучить батиметрию в интересующем месте и получить изображение морского дна (неровности, объекты на морском дне, боковая изменчивость, ледяные щели, ...). Сейсмическая рефракция могут проводиться исследования для получения информации о мелководье морского дна стратиграфия - его также можно использовать для обнаружения таких материалов, как песок, песчаные отложения и гравий, для использования в строительстве искусственные острова.[18] Геофизические исследования проводятся из исследовательское судно оснащен сонар устройства и сопутствующее оборудование, такое как однолучевой и многолучевые эхолоты, гидролокаторы бокового обзора, "Towfish" и дистанционно управляемые автомобили (ROV).[19][20] Для стратиграфии дна используются 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

Геотехнические изыскания включают в себя отбор проб, бурение, испытания на месте, а также лабораторные испытания грунта, которые проводятся на море и с образцами на суше. Они служат для обоснования результатов геофизических исследований; они также предоставляют подробный отчет о стратиграфии морского дна и инженерных свойствах грунта.[22] В зависимости от глубины воды и погодных условий, инженерно-геологические изыскания могут проводиться специально выделенным геотехническое буровое судно, а полупогружной, а самоподъемная установка, большой судно на воздушной подушке или другими способами.[23] Они выполняются в ряде определенных мест, в то время как судно сохраняет постоянное положение. Динамическое позиционирование и швартовка с четырехточечной анкерной системой.

Геотехнические изыскания с неглубоким проникновением могут включать отбор проб грунта на 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 мелководной геофизической съемкой, могут быть достаточными, если структура, которая будет 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 морском дне. стратиграфия до глубин, доходящих до нескольких 100 метров ниже грязевой линии.[9][25] Эти исследования проводятся, когда в этих местах планируются более крупные сооружения. Для глубокого сверления отверстий требуется несколько дней, в течение которых буровая установка должна оставаться в одном и том же положении (см. динамическое позиционирование ).

Отбор проб и бурение

Ящик для пробоотбора грунта с морского дна.
Пробоотборник грунта с гравитационным приводом, используемый для пробуждение морского дна.
Два типа буровых систем: полупогружной (слева) и буровая установка (верно).

Отбор проб с поверхности морского дна может производиться с помощью грейферного пробоотборника и пробоотборник.[26] Последний предоставляет образцы в ненарушенном состоянии, на которых можно проводить испытания, например, для определения свойств почвы. относительная плотность, содержание воды и механические свойства. 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 это 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] В бурильной колонны состоит из ряда отрезков трубы диаметром 5 дюймов (13 см), привинченных встык, с узлом буровой коронки внизу.[27] По мере того как дренажный долото (зубья, выступающие вниз от бурового долота) врезается в почву, образуется почвенный шлам. Вязкий буровой раствор, стекающий по бурильной трубе, собирает этот шлам и выносит его за пределы бурильной трубы. Как и в случае с береговые геотехнические изыскания, для отбора проб почвы из буровой скважины можно использовать различные инструменты, в частности «пробоотборники Шелби», «поршневые пробоотборники» и «пробоотборники с раздельной ложкой».

Испытания грунта на месте

Схема, показывающая принцип действия конусного пенетрометра для определения профиля прочности почвы.
Схема, показывающая принцип работы срезная лопасть для измерения максимальной прочности и остаточной прочности почвы.

Информация о механической прочности грунта может быть получена на месте (с самого морского дна, а не в лаборатории по образцу грунта). Преимущество этого подхода заключается в том, что данные получены из почвы, которая не подверглась никаким нарушениям в результате ее перемещения. Два наиболее часто используемых инструмента для этой цели - это конусный пенетрометр (CPT) и срезная лопасть.[29][30]

В CPT представляет собой стержневой инструмент, конец которого имеет форму конуса с известным углом при вершине (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 срезной лопасти используется для определения недренированная прочность на сдвиг от мягкого до среднего связные почвы.[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), которое учитывает размер и геометрию лопатки.[34]

Морские сооружения и геотехнические соображения

Офшорные структуры в основном представлены платформы, особенно самоподъемные установки, стальные конструкции оболочки и гравитационные конструкции.[35] При планировании таких разработок необходимо учитывать характер морского дна. Например, гравитационная конструкция обычно имеет очень большую площадь основания и относительно плавучая (поскольку она охватывает большой открытый объем).[36] В этих условиях вертикальная нагрузка на фундамент может быть не такой значительной, как горизонтальные нагрузки, создаваемые волновыми воздействиями 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] Емкость вала для геморрой Составление каждой из опор конструкции оценивалось 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.

Правильная характеристика морского дна также требуется для системы швартовки. Например, проектирование и установка всасывающие сваи При этом необходимо учитывать свойства почвы, особенно ее сопротивление сдвигу без дренажа.[38] То же самое верно для установки и оценки мощности пластинчатые анкеры.[39]

Подводные трубопроводы

Основная статья: Подводный трубопровод

Подводные трубопроводы являются еще одним распространенным типом искусственных сооружений в морской среде.[40] Эти конструкции либо опираются на морское дно, либо помещаются в траншею для защиты от рыболовные траулеры, перетаскивание якорей или усталость из-за колебаний, вызванных током.[41] Траншейные работы также используются для защиты трубопроводов от выдолбление ледяными килями.[12][13] В обоих случаях при планировании трубопровода необходимо учитывать геотехнические аспекты. Трубопроводы, лежащие на морском дне, требуют геотехнических данных вдоль предполагаемого маршрута трубопровода для оценки потенциальных проблем устойчивости, таких как пассивное разрушение грунта под ним (трубопровод опускается) из-за недостаточного несущая способность, или разрушение со скольжением (смещение трубопровода вбок) из-за низкого сопротивления скольжению.[42][43] При рытье траншей необходимо учитывать свойства почвы и то, как они повлияют на продолжительность вспашки.[44] Потенциал коробления, вызванный осевым и поперечным откликом заглубленного трубопровода в течение срока его эксплуатации, необходимо оценивать на этапе планирования, и это будет зависеть от сопротивления окружающего грунта.[43]

Морские встроенные якоря

Основная статья: Морские встроенные якоря

Морские встроенные якоря находятся якоря которые получают свою способность от фрикционного и / или несущего сопротивления почвы, окружающей их. Это противоположно гравитационным якорям, грузоподъемность которых определяется их весом. Поскольку шельфовые разработки переходят в более глубокие воды, гравитационные конструкции становятся менее экономичными из-за больших требуемых габаритов и стоимости транспортировки. Это оказывается подходящим для использования встроенных якорей.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Например, данная структура может подвергнуться 2x108 волновые циклы в течение расчетного срока службы.

Рекомендации

  1. ^ а б Дин, стр. 1
  2. ^ а б Randolph & Gourvenec, стр. 1
  3. ^ Колк и Вегериф, 2005 г.
  4. ^ а б Randolph & Gourvenec, стр. 3
  5. ^ Рэндольф и Гурвенек, Раздел 2.4
  6. ^ а б c d е ж Гервик, 2000
  7. ^ Рэндольф и Гурвенек, Раздел 2.3
  8. ^ Randolph & Gourvenec, стр. 24
  9. ^ а б c Пеучен и Раап, 2007.
  10. ^ Randolph & Gourvenec, рис. 3.14
  11. ^ Колк и Вегериф, стр. 151
  12. ^ а б Палмер и Бин, 2011
  13. ^ а б Заколка 2011
  14. ^ Hogan et al., 2008 г.
  15. ^ Юнес и др., 2005 г.
  16. ^ а б Randolph & Gourvenec, гл. 3
  17. ^ Декан, раздел 1.4
  18. ^ Дин, стр. 33
  19. ^ Декан, раздел 2.2
  20. ^ Randolph & Gourvenec, стр. 34
  21. ^ а б Randolph & Gourvenec, стр. 32
  22. ^ Randolph & Gourvenec, стр. 31 год
  23. ^ Дин, стр. 47
  24. ^ Декан, раздел 2.3
  25. ^ Декан, раздел 2.4
  26. ^ Дин, рис. 2.5
  27. ^ а б Дин, стр. 43 год
  28. ^ Randolph & Gourvenec, стр. 44
  29. ^ Декан, раздел 2.3.4
  30. ^ Newson et al., 2004
  31. ^ Дин, стр. 45
  32. ^ Дас, стр. 646
  33. ^ Дин, стр. 60
  34. ^ а б Дас, стр. 406
  35. ^ Декан, 2010 г.
  36. ^ Рамакришнан, стр. 9
  37. ^ Рэндольф и Гурвенек, стр. 146
  38. ^ Бай и Бай, стр. 121, 129.
  39. ^ Бай и Бай, с. 131
  40. ^ Палмер и Кинг 2008
  41. ^ Рамакришнан, стр. 186
  42. ^ Чжан и Эрбрих, 2005 г.
  43. ^ а б Кэти и др., 2005 г.
  44. ^ Брансби и др., 2005 г.

Библиография

  • Бай Ю. и Бай К. (2010) Справочник по подводной инженерии. Gulf Professional Publishing, Нью-Йорк, 919 стр.
  • Барретт, П. (2011). «Защита морского трубопровода от ледяного пропахивания морского дна: обзор». Наука и технологии в холодных регионах. 69: 3–20. Дои:10.1016 / j.coldregions.2011.06.007.
  • Брансби М.Ф., Юн Г.Дж. Морроу Д. и Брунинг П. (2005) Работа трубопроводных плугов на слоистых почвах. В: S.C.M. Гурвенек (редактор), Границы в оффшорной геотехнике, Тейлор и Фрэнсис, Перт, Австралия, стр. 597–605.
  • Кэти Д.Н., Джек К., Баллард Ж.-К. и Wintgens J.-F. (2005) Геотехника трубопроводов - современное состояние. В: S.C.M. Гурвенек (редактор), Границы в оффшорной геотехнике. Тейлор и Фрэнсис, Перт, Австралия, стр. 95–114.
  • Дас Б.М. (2010) Принципы геотехнической инженерии, Cengage Learning, Stamfort, США, 666 с.
  • Дин E.T.R. (2010) Морская геотехническая инженерия - принципы и практика, Томас Телфорд, Рестон, Вирджиния, США, 520 с.
  • Гервик Б.С., (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 оффшорных технологий (OTC), Paper OTC19563, Хьюстон.
  • Колк Х. Дж. И Вегериф Дж. (2005) Исследование морских площадок: новые рубежи. В: S.C.M. Гурвенек (редактор), Границы в оффшорной геотехнике, Тейлор и Фрэнсис, Перт, Австралия, стр. 145–161.
  • Ньюсон Т.А., Брансби М.Ф., Брунинг П. и Морроу Д. (2004) Определение параметров недренированной прочности на сдвиг для устойчивости заглубленного трубопровода в дельтовых мягких глинах, Материалы 14-й Международной конференции по морской и полярной инженерии, Международное общество морских и полярных инженеров (ISOPE), Тулон, стр. 38–48.
  • Палмер А.К. и Бин К. (2011) Геологические опасности трубопроводов в условиях Арктики. В: W.O. Маккаррон (редактор), Глубоководные фундаменты и геомеханика трубопроводов, J. Ross Publishing, Форт-Лодердейл, Флорида, стр. 171–188.
  • Peuchen L.J. и Raap C., (2007) Каротаж, отбор проб и испытания на геологические опасности на море, Труды 39-й конференции оффшорных технологий (OTC), Paper 18664, Houston.
  • Рамакришнан Т.В. (2008). Оффшорный инжиниринг, Gene-Tech Books, Нью-Дели, Индия, 347 стр.
  • Рэндольф М. и Гурвенек С. (2011) Морское геотехническое проектирование, Spon Press, Нью-Йорк, 550 с.
  • Юнес А.И., Гибсон Дж.Л. и Шипп Р.С. (2005) Оценка геологической опасности глубоководного месторождения Princess в северо-восточной части Мексиканского залива: пример оценки сложных разломов при подводной разработке, Труды 37-й конференции оффшорных технологий (OTC), Paper 17577, Houston.
  • Чжан Дж. И Эрбрих К. (2005) Расчет устойчивости трубопроводов без траншей - геотехнические аспекты. В: S.C.M. Гурвенек (редактор), Границы в оффшорной геотехнике, Тейлор и Фрэнсис, Перт, Австралия, стр. 623–628.