Нелинейная динамика океанотехнических систем

Н АУ Ч Н А Я  К Н И ГА
Н АУ Ч Н А Я  К Н И ГА
Севастопольский государственный университет
В.М. Кушнир, В.Р. Душко, В.А. Крамарь
НЕЛИНЕЙНАЯ ДИНАМИКА 
ОКЕАНОТЕХНИЧЕСКИХ 
СИСТЕМ
Монография
Москва
ВУЗОВСКИЙ УЧЕБНИК
ИНФРА-М
2024

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п.1 ч.2 ст.1
УДК   551.46(075.4)
ББК   26.22
            К96
К96
Кушнир В.М., Душко В.Р., Крамарь В.А.
Нелинейная динамика океанотехнических систем : монография / В.М. Кушнир, 
В.Р
. Душко, В.А. Крамарь. — Москва : Вузовский учебник: ИНФРА-М, 2024. — 
320 с. — (Научная книга).
ISBN 978-5-9558-0470-5 (ВУЗОВСКИЙ УЧЕБНИК)
ISBN 978-5-16-011434-7 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-103682-2 (ИНФРА-М, online)
В книге обобщены последние результаты отечественных и зарубежных исследований, а также оригинальные работы авторов в области нелинейной динамики современных океанотехнических систем на основе моделирования и экспериментальных лабораторных исследований ледовых и ветро-волновых воздействий 
на установки для освоения морских энергетических ресурсов. Рассмотрена также актуальная проблема размыва опорных оснований таких установок. Обсуждаются возможности использования современных космических средств в качестве 
источников оперативной информации о состоянии морской среды и литодинамических процессах. 
Работа адресована специалистам в области конструирования и эксплуатации 
технических средств освоения морских ресурсов в шельфовых и глубоководных 
морских зонах, а также студентам и аспирантам, которые специализируются по 
направлениям «Морские технологии», «Океанотехника».
УДК  551.46(075.4)
ББК   26.22
© Вузовский учебник, 2016
ISBN 978-5-9558-0470-5 (ВУЗОВСКИЙ УЧЕБНИК)
ISBN 978-5-16-011434-7 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-103682-2 (ИНФРА-М, online)
Подписано в печать 26.10.2023. Формат 6090/16
Бумага офсетная. Гарнитура Times New Roman. Печать цифровая
Усл. печ. л. 20,0. ППТ30. Заказ № 00000
Цена свободная
TK 450200-942222-191115
Издательский Дом «Вузовский учебник»
127247, Москва, ул. С. Ковалевской, д. 1, стр. 52
www.vuzbook.ru
ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29
E-mail: books@infra-m.ru        http://www.infra-m.ru
Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

ГЛАВА 1 
СОВРЕМЕННЫЕ ОКЕАНОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ  
РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ 
В настоящее время создан и широко используется огромный арсенал 
технических средств освоения ресурсов Мирового океана. Кроме позиционных систем, которые длительное время находятся в фиксированных 
положениях, ² это морские буровые платформы, терминалы и подводные трубопроводы, ² широко применяются специализированные суда и 
плавучие краны большой грузоподъемности для монтажа различных инженерных систем, используются различные типы глубоководных аппаратов, космические, оптические (лазерные) и гидроакустические системы 
позиционирования, средства подводного телевидения, современные контрольно-измерительные, вычислительные и другие системы. Из всего 
этого комплекса технических средств в монографии рассматриваются 
только морские буровые платформы, терминалы, так как ее основной целью является обоснование методов моделирования и создание вычислительных систем для расчетов характеристик воздействия морской среды 
на такие системы. К таким характеристикам относятся гидродинамические и инерционные нагрузки на элементы конструкций от воздействия 
поверхностных волн, течений и ледовых полей, а также динамика локальных литодинамических процессов (главным образом, это размыв и 
аккумуляция донного материала) в непосредственной близости от опорных оснований указанных стационарных сооружений. 
1.1 МОРСКИЕ БУРОВЫЕ ПЛАТФОРМЫ 
Конструкции буровых платформ, пройдя эволюцию от неподвижных 
установок до разнообразных типов мобильных передвигающихся платформ, позволяют сегодня добывать нефть и природный газ на глубинах от 
300 до 3000 м, принимать на борт и хранить тысячи тонн топлива, работать в морях с ограничением по гидрометеоусловиям, обслуживать одновременно несколько десятков скважин. 
Для определения буровых платформ, эксплуатируемых в море, существует устоявшийся термин ² офшорные конструкции (от англ. 
offshore ² на расстоянии от берега). Комплексная буровая структура, 
помимо оборудования для бурения скважин, добычи нефти или природного газа из подводных месторождений, может также включать оборудование для хранения добытых ресурсов, жилые помещения, рассчитанные 
более чем на сотню человек, и сложную систему самообеспечения. В зависимости от характеристик месторождения, а также от глубины, на которой находится цель бурения, конструкции платформ могут значительно 
различаться. 
Все многообразие типов офшорных платформ и установок можно в 
целом подразделить на две основных группы: 
x
стационарные морские буровые и добывающие платформы 
(offshore drillingand production platforms), которые имеют постоянное ме3 

сторасположение, жестко укреплены на океанском дне или заякорены в 
зависимости от глубины, на которой ведется добыча; 
x
передвижные морские буровые установки (moveable offshore drilling rigs), которые могут перемещаться и быть использованы при разработке ряда месторождений, а также для исследовательских и вспомогательных работ. 
На рисунке 1.1 показаны основные типы технических средств бурения 
нефтяных скважин и диапазоны глубин моря (Самоподъемные плавучие 
буровые установки, 2013). 
Одним из наиболее распространенных типов морских буровых платформ (МБП) являются морские стационарные платформы (МСП), которые совмещают функции бурения промысловых скважин и добычи углеводородного сырья. Характерным для архитектурно-конструктивного 
типа таких установок является опорное основание, стационарно закрепляемое на морском дне, и верхнее строение, которое монтируется на опорном основании (Доусон Т., 1986). Конструкция МСП, показанная на 
рис. 1.2, характерна для современных сооружений, эксплуатируемых на 
глубинах до 110 м. Стальное основание ферменной конструкции, пирамидальной формы, доставляется к местам установки на баржах-пло- 
щадках, приспособленных к транспортировке крупногабаритных грузов, 
буксируемых по воде в плавучем состоянии или на судах-тяжело- 
возах.  
Существует множество проектов неподвижных платформ. Главное преимущество этого типа ² устойчивость, благодаря жесткому креплению на 
морском дне они менее других подвержены смещениям под влиянием ветра и водных масс. Ярким примером этого типа может служить платформа 
 
 
Рис. 1.1. Основные типы технических средств бурения нефтяных скважин  
и диапазоны глубин моря 
4 

 
Рис. 1.2. Морская стационарная платформа, предназначенная для бурения  
и эксплуатации куста из 16 нефтяных скважин на континентальном шельфе  
Вьетнама 
 
Hibernia, расположенная в 315 км к востоку от острова Ньюфаундленд 
(Канада) на глубине моря около 80 метров, см. рис. 1.3 (Арктическое 
строительство: в поиске новых решений, http://pro-arctic.ru/26/08/ 
2012/technology/192). Конструкция установки в данном районе океана 
должна быть достаточно мощной, чтобы выдерживать возможное столкновение с айсбергом весом в миллион тонн (вероятность данного происшествия существует один раз в 500 лет), а также прямой удар от айсберга 
весом шесть миллионов тонн (вероятность этого события составляет раз в 
10 000 лет). Для подводного основания платформы Hibernia разработана 
специальная гравитационная подводная часть (GBS ² Gravity Base 
Structure) весом в 450 000 тонн. Представляет она собой 105,5-метровое 
основание кессонного типа, сконструированное с использованием высокопрочного бетона, прошитого стальными решетками и стянутого натяжными тросами, создающими дополнительную прочность. Основание защищено противоледовой конструкцией из 16-ти бетонных зубцов. По 
структуре противоледовая стенка шириной 1,4 метра состоит из двух слоев: внешний представляет собой систему X- и V-образных перекрытий 
толщиной 0,7-0,9 метра, передающих нагрузку на внутреннюю часть 
ограждения; внутренний слой имеет толщину менее 0,9 метра. 
Различные типы современных МСП приведены на рисунках 1.4-1.6. 
5 

 
Рис. 1.3. Морская стационарная платформа Hibernia  
 
 
 
 
 
Рис. 1.4. Ледостойкая стационарная платформа для месторождения  
имени Ю. Корчагина в Каспийском море 
(http://www.shipphotos.ru/forum/topic/140 фотоотчет-млсп-им-юрия-корчагинакаспийское-мо/) 
6 

 
Рис. 1.5. Сборка стационарной буровой платформы [153] 
 
 
 
Рис. 1.6. Глубоководная стационарная буровая платформа проекта 16713.  
Предназначена для бурения двумя буровыми установками куста до 36 скважин 
глубиной до 5000 м и одновременной эксплуатации 28 скважин этого куста 
(http://www.sevmash.ru/rus/photogallery.html?func=viewcategory&catid=2) 
7 

Погружные буровые установки (ПБУ) предназначены для поисковоразведочного и эксплуатационного бурения в мелководных районах 
шельфа и устьях рек на глубинах от 5 до 30 м (рис. 1.7). Это наиболее 
простые в конструктивном отношении плавучие буровые платформы, 
рабочий режим которых предусматривает установку на дно опорного основания в виде системы понтонов, к которым на стойках крепится палуба 
буровой установки с установленной на ней вышкой и технологическим 
оборудованием. Время нахождения таких буровых установок в точке бурения может составлять несколько месяцев.  
Основными элементами ПБУ являются (Шостак В.П., 2002): 
x
опорное основание, которое является несущей конструкцией, 
обеспечивающей плавучесть, остойчивость, непотопляемость и другие 
мореходные качества в транспортном положении; 
x
стабилизирующие колонны, которые монтируются на опорном основании, для обеспечения остойчивости в процессе погружения. Высота 
колонн определяет глубину, на которой планируется работа буровой 
установки; 
x
верхнее строение, с расположенным на нем оборудованием. 
Чаще всего такие установки являются несамоходными и буксируются 
на место работы с помощью буксиров, после чего происходит установка 
ПБУ в рабочее положение. Для этого в балластные цистерны принимается забортная вода, и основной корпус ложится на грунт. На рисунке 1.8 
показана ПБУ «Исполин» (http://cf10.hc.ru/akrasbarc/index.php"option= 
comBcontent	view=article	id=47:-lr	catid=25:2009-10-13-09-26-02	 
Itemid=90), созданная в результате дооборудования кранового судна «Исполин» техническими средствами для разведочного бурения. 
 
 
 
Рис. 1.7. Плавучая погружная буровая установка для устья реки Обь  
и Тазовской  губы. Предназначена для бурения разведочных нефтяных и газовых 
скважин глубиной до 2500 м в межледовый период при глубинах от 2 до 10 м 
8 

 
Рис. 1.8. ПБУ «Исполин», предназначена для разведочного бурения скважин на 
нефть и газ глубиной до 3000 м при глубинах моря в диапазоне 3,8…4,5 м 
 
 
 
На очень малых глубинах, при благоприятных гидрометеорологических условиях, в основном в Южной Америке на озере Маракайбо (Венесуэла) и Суринаме, использовались погружные буровые баржи, так называемые «болотные» баржи (рис. 1.9). Их отличительной особенностью 
было бортовое/носовое стационарное расположение буровой вышки, а 
рядом с буровой баржей часто размещалась еще одна баржа (тендер), на 
которой располагались запасы, энергетика и жилье. Оба сооружения соединялись переходным мостом с коммуникациями (электрокабели, трубопроводы для подачи технологической и пресной воды, система пневмотранспорта и т.п.). Перегрузка штучных грузов ² труб в пакетах, бункеров и мешков с сыпучими материалами ² осуществлялась с помощью 
кранов. 
Особое место среди морских буровых платформ занимают ледостойкие морские стационарные платформы (ЛМСП), рассчитанные на восприятие ледовых воздействий. Опорное основание собирают на береговой площадке, буксируют к месту эксплуатации, устанавливают в вертикальном положении и закрепляют с помощью свай, забиваемых через 
колонны. Различные конструкции ЛМСП показаны на рис. 1.10-1.15 
(http://www.lira.com.ua/). 
9 

 
Рис. 1.9. «Болотные баржи»: а, б) при стоянке с тендерами в процессе бурения;  
в) при буксировке 
 
 
Рис. 1.10. Ледостойкая морская стационарная платформа.  
Предназначена для бурения и эксплуатации при глубине моря 11 м 
10