В настоящее время в мировой нефтяной отрасли наблюдается устойчивая тенденция отставания уровня разведки новых месторождений от темпов потребления нефтепродуктов. То есть в последние десятилетия в мире находят меньше нефти, чем ее расходуется. Многие месторождения истощаются, а новую нефть находят во все более труднодоступных местах. При этом крупномасштабное освоение залежей на континентальных шельфах и в более глубоких морских акваториях, горных районах, удаленных заполярных областях требует все больших затрат и времени.
Эксперты предрекают, что скоро морская, сланцевая и трудноизвлекаемая нефть станет основным источником углеводородов.
По оценкам специалистов в Мировом океане находится до 70% общего объема нефти. Сегодня разрабатывается более 350 морских месторождений углеводородов и все они располагаются в пределах континентального шельфа.
Шельфом называется окраинная подводная часть континента или острова, имеющая относительно ровную поверхность с незначительным уклоном.
Добычу нефти и газа на шельфах производят со специальных морских платформ. Эти платформы представляют собой сложные инженерные комплексы, с которых бурят скважины на морском дне и добывают из них продукцию.
Морские платформы могут быть стационарными или плавучими. Морские стационарные платформы (МСП) по способу обеспечения устойчивости делятся на свайные и гравитационные. Свайные МСП жестко крепятся к морскому дну сваями и предназначены для длительного использования.
О морских стационарных платформах гравитационного типа подробнее можно почитать в статье "Гравитационная платформа".
Экономически оправданной является установка свайных МСП на глубинах до 500 метров. Бо́льшая глубина значительно усложняет технологию сооружения конструкций, а небольшая глубина моря затрудняет подход к платформе танкеров и прокладку к ней подводных трубопроводов.
Свайная МСП состоит из опорного основания и надстройки. Опорное основание на сваях передает на морское дно вес бурового, эксплуатационного, вспомогательного оборудования и нагрузки возникающие при строительстве скважины. Также основание должно удерживать платформу от сдвига и опрокидывания. Поэтому глубина забивки свай определяется величиной касательных удерживающих напряжений грунта.
Например, чтобы конструкция выдерживала ветровые, волновые, ледовые нагрузки до 30 МН при сдвигающем сопротивлении грунта в 0,1 МПа, что соответствует глинам, нужно забить в дно на глубину 100 метров не менее четырех свай диаметром один метр.
Таким образом, устройство свайного основания, глубина забивки свай, их количество определяются конструкцией и весом надстроечных платформ, и факторами воздействия природной среды.
Свайный фундамент ледостойкой стационарной платформы на месторождении Филановского состоит из 32-х свай диаметром 2134 мм с толщиной стенки 85 мм и свай Ø1830 х 60. При глубине моря 9,5 м глубина установки свай составляла 46-76 метров. Технологические и вспомогательные платформы были установлены здесь прямо на сваи.
Российское нефтегазоконденсатное месторождение имени Владимира Филановского, которое было открыто в 2005 году, расположено в северном Каспии в 190 км от Астрахани.
При небольшой глубине водоема сваи устанавливают с поверхности гидрокоперами сваебойных судов. И платформы монтируют непосредственно на сваи.
Недавно в КНР построили крупнейшее в мире сваебойное судно «Erhang Changqing» (Второе вечнозеленое путешествие). Судно длиной 130,5 м и шириной 40,8 м имеет копровую мачту высотой 150 м, оборудованную гидравлическим копером. Цилиндр гидрокопера длиной 28 м и диаметром около двух метров весит 385 тонн.
Мощнейший в мире гидромолот «Erhang Changqing» может забивать сваи диаметров до 7 метров и весом до 700 тонн.
При больших глубинах на дно опускают собранное из труб опорное основание в форме параллелепипеда или усеченной пирамиды. Такой опорный блок, изготовленный на верфи, доставляют затем к месту установки.
На снимке показана транспортировка основания платформы «Bullwinkle» смонтированной в 1988 году в Мексиканском заливе в 260 км от Нового Орлеана. При высоте 420 м и размерах опорной части 121 х 146 м конструкция весила около 50 тыс. тонн. Глубина моря составляла 412 м. Хорошо видны опорные колонны, через которые забивались стальные сваи. Крепление свай к опорным колоннам производилось бетонированием свай в колоннах с помощью дистанционно управляемого подводного аппарата.
Обычная забивка стальных свай не позволяет полностью использовать прочностные характеристики грунтов. Поэтому для увеличения сцепления с грунтом применяют дополнительные технологии.
Сначала забитую в дно сваю наращивают трубами до выхода их на поверхность моря. Затем в сваю спускают бурильный инструмент, разбуривают и вымывают из нее грунт. После этого закачивают в сваю бетонную смесь. Часть бетона через специальные отверстия нагнетается в затрубное пространство сваи. Забетонированная таким образом свая увеличивает свою несущую способность в 2-2,5 раза.
Другой способ крепления состоит в том, что грунт в свае, забитой на сравнительно небольшую глубину, разбуривают специальным долотом с расширяющимися лопастями. При выходе из сваи лопасти долота раздвигаются и выбуривают под ней коническую полость. Затем в сваю опускают арматурный каркас и бетонируют сваю и выработку под ней. Такая технология усиления позволяет сэкономить время на устройство свайного фундамента в 20-30 раз за счет уменьшения глубины забивки свай.
Для подводного бетонирования используются гидротехнические бетоны определенных свойств на портландцементе.
Также для увеличения устойчивости платформы против опрокидывания вокруг основных свай могут устанавливаться по несколько дополнительных, так называемых «юбочных» свай. Юбочные сваи забивают через направляющие патрубки (кондукторы) вокруг угловых опор. Юбочные сваи бетонируются в кондукторах, а сами кондукторы крепятся к опорам конструкции.
В мировой практике имеется большой опыт глубоководного строительства. Сегодня применяют молоты забивающие сваи прямо под водой и молоты работающие с поверхности через упругий удлиненный подбабок, оборудованный улавливающей муфтой. Наиболее эффективными являются гидроприводные молоты.
При сооружении свайных оснований используются специальные буровые установки для проходки шурфов под сваи. Например, серийно выпускаемая в Японии машина UK-AU650 может бурить скважины и шурфы диаметром до 1500 мм.
Свайный способ удержания офшорных сооружений наиболее предпочтителен в регионах со сложными геологическими и метеорологическими условиями.
Наиболее трудоемкой, длительной и дорогостоящей операцией при сооружении морских свайных платформ является забивка самих свай. При этом, в условиях ограниченного периода навигации существует риск несвоевременного завершения строительства свайного фундамента.