سکوهای نفتی آفشور با کاربردهای متعددی در سرتاسر جهان در عمق های مختلف و محیط های متفاوت به کار می روند. از اواسط قرن ۲۰ در ادامه تاریخ نفت ایران، سکوی نفتی هم وارد تاریخ ایران شد، در این مطلب مختصری از تاریخچه سکوهای دریایی ارائه می شود.
سکوهای اولیه
سکو های چوبی ــ احتمالا اولین تلاش جهت دستیابی به نفت شستر دریا، در کالیفرنیا و حدود سال ۱۹۰۰ میلادی به ثمر رسید، که چاه های نفت از روی اسکله ای متصل به ساحل و به فاصله ۵۰۰ متر از ساحل حفر گردید. در سال ۱۹۰۹ در دریاچه فری در کادوپاریش لا، با استفاده از شمع های چوبی و دکل های حفاری چوبی، سکویی چوبی ساخته شد، و از روی آن چاه هایی حفر گردید. بدین ترتیب اتصال سکوی نفتی به ساحل از بین رفت، و سکوی نفتی با استفاده از شمع در دریا احداث گردید. در سال ۱۹۲۰ یک سکوی نفتی چوبی در آب های کم عمق دریاچه ماراسی بیو واقع در ونزوئلا ساخته شد، و از روی آن عملیات حفاری انجام پذیرفت. البته از آنجایی که شدت امواج در این دریاچه به مراتب کمتر از دریا می باشد، نمیتوان آن را سکوی نفتی دریایی قلمداد نمود. در سال ۱۹۳۰ در جنوب لوئیزیانا، از روی یک سکوی چوبی، که کانالی در کنار آن جهت استفاده از سرویس بارجها، و قایقها جهت حمل و نقل احداث شده بود، حفاری صورت گرفت. ایجاد سکو های چوبی با استفاده از شمع های چوبی همچنان ادامه یافت، به نحوی که در سال ۱۹۳۳ سکویی در اعماق ۷/۳ متری آب، و به فاصله یک کیلومتری از ساحل احداث گردید. در سال ۱۹۳۷ شرکت، برون اندروت آمریکایی در فاصله ۶/۱ کیلومتری از ساحل، یک سکوی چوبی در عمق ۳/۴ متری احداث نمود. عملیات احداث سکو های چوبی تا سال ۱۹۴۰ ادامه یافت، و پس از آن به علت شروع جنگ جهانی دوم گسترش عملیات معلق گردید.
سکو های فولادی ــ در زمان جنگ جهانی دوم، و پس از آن به دلیل نیاز های جنگ، صنایع فولاد پیشرفت شایان توجهی نمود، و پس از پایان جنگ سازه های فولادی از جمله سکو های فولادی رواج یافتند. اولین سکوی نفتی فولادی در سال ۱۹۴۶ میلادی، در عمق ۳/۴ متری ساخته شد، شایان ذکر است که جهت احداث این سکو ۲۳۸ شمع به کار رفت. اولین سکوی فولادی از نوع شابلونی، با روش ساخت کنونی (یعنی ساخت در ساحل و پس از حمل نصب در محل)، در سال ۱۹۴۷ در آب های خلیج مکزیک ساخته شد، که این سکوی نفتی در ۲۹ کیلومتری از ساحل و در عمق ۱/۶متری نصب گردید. سپس یک سکوی نفتی دیگر از این نوع در عمق ۲/۱۵ متری احداث شد، و بدین ترتیب یک صنعت جدید متولد گردید.
در طول دوره پیشرفت سکو سازی به موازات پیشرفت صنایع فولاد، به مرور قطر شمع ها بزرگتر گردیده، و از تعداد آنها کاسته شد، و روش های اجرایی بهبود یافت. در سال ۱۹۴۹ ده سکو در خلیج مکزیک احداث گردید، که در اثر نیروی امواج طوفانی این سکوها یا کاملا از بین رفت، و یا صدمه کلی بر آنها وارد آمد. در سال ۱۹۵۵ برای اولین بار با ساخت سکوی نفتی به طور کامل، در ساحل و حمل توسط بارج و نصب به وسیله بارج های جرثقیل دار عظیم درعمق ۵/۳۰ متری، ساخت سکو های بلند تر رواج یافت و روز به روز بر ابعاد سکوها افزوده گردید. سکوها در اعماق بیشتر و به فاصله دورتر از ساحل نصب شدند.
در سال ۱۹۷۶ کمپانی نفتی شل اعلام کرد، که بلند ترین سکوی نفتی دنیا را در آب های خلیج مکزیک نصب خواهد کرد. این سکوی نفتی کامل و مجهز به تمامی تجهیزات، منجمله دکل حفاری مخازن، گل حفاری، محل اقامت افراد، وسایل تولید و غیره… بود. نام این سکو کونیاک گذارده شد، و در فاصله ۱۶۰ کیلومتری جنوب شرقی ایالت لوئیزیانا و حدود ۱۵ کیلومتری دهانه می سی سی پی، در عمق ۹/۳۱۰ متری نصب گردید، که حدود ۹/۲۲ متر سکو نیز (علاوه بر عمق آب)، از آب بیرون بود. این سکوی نفتی دارای ۲۴ شمع با قطر خارجی ۱۲۲ سانتیمتر، و ضخامت جداره شمع ماکزیمم برابر ۳۵/۶ سانتیمتر بود، که وزن کلی سکو بالغ بر ۵۳۵۰۰ تن متریک می باشد، و برای موج به ارتفاع ۹/۲۲ متر و پریود ۱۲ ثانیه و سرعت باد معادل ۱۵۰ مایل در ساعت، و زلزله خطی و در حالت طراحی گردیده است، مدل کامپیوتری این سکوی نفتی شامل ۷۰۰ گروه و ۲۰۰۰عضو میباشد، کمپانی شل و ۱۴ کمپانی دیگر در این کار شرکت داشتند، که هزینه آن بالغ بر ۲۵۰ میلیون دلار گردید.
در حال حاضر بلند ترین سکوی نفتی ثابت شابلونی در عمق ۵/۳۱۵ متری در خلیج مکزیک نصب گردیده، و سکو های عظیم از نوع ثابت وزنی بتونی در دریای شمال احداث گردیده است، و برای اعماق خیلی زیاد از سکو های شناور و سکو های پایه کششی استفاده میگردد. در سال ۱۹۸۴ میلادی در اعماق ۶/۶۰۹ متری، به وسیله شرکت بکتل یک سکوی پایه کششی نصب گردید. همانگونه که تشریح گردید، در روند تکاملی ساخت سکوها از آنجایی که مسائل نفتی، سیاسی و بعضا نظامی (از جمله سکوی رادار تکزاس)، مطرح بوده، شتاب زیادی به چشم میخورد و این صنعت که میتوان گفت حدود ۵۰ سال قدمت دارد، مراحل پیشرفت زیادی را پشت سر نهاده است. به موازات پیشرفت سکو های فوق الذکر سکوهای حفاری مانند: سکوهای خود بالابر و غوطه ور و نیمه غوطه ور، نیز مراحل تکاملی خود را طی نموده اند.
سکو های ثابت
سکو های ثابت نوع شابلونی ــ این نوع سکوی نفتی معمولا در آب های کم عمق تر نصب میگردد، و البته امروزه از این نوع در اعماق ۵/۳۱۵ متری نیز نصب شده است، ولی معمولا بیشتر تا عمقی حدود ۱۰۰ متر از آنها استفاده میگردد. نام گذاری این سکو بدین سبب میباشد، که از پایه های سکوی نفتی، به عنوان هادی جهت نصب شمع ها استفاده میشود، (شمع ها از داخل پایه سکوی نفتی یا از خارج و متصل به پایه سکو کوبیده میشوند)، اصطلاحا به آنها سکوی جاکت نیز گفته می شود، این سکو شامل قسمت های زیر می باشد:
۱ ــ جاکت یا یک قاب فضایی، که جهت سرویس دادن در نصب شمع ها، و به عنوان مهاری های جانبی برای شمع ها طراحی گردیده اند.
۲ ــ شمع ها که منتقل کننده بار افقی و عمودی دائمی به کف دریا میباشند.
۳ ــ روسازه که شامل خرپا های فضایی و عرشه های ضروری جهت تحمل بار های بهره برداری، و دیگر بارها می باشد.
قسمت اعظم این نوع سکوها در دنیا (حدود ۶۰% کل این سکوها)، در خلیج مکزیک واقع می باشند، که بلند ترین سکوی نفتی از این نوع در عمق ۵/۳۱۵ متری در آب های خلیج مکزیک نصب گردیده است. از این نوع سکوی نفتی علاوه بر خلیج مکزیک، در دریاچه ماراسی بیو، خلیج فارس، آفریقا، علی الخصوص نیجریه و سواحل کالیفرنیا استفاده می گردد. نصب سکوی نفتی ثابت از سال ۱۹۵۵ در خلیج فارس متداول گردید، و در سال ۱۹۶۴ اولین سکوی ثابت در آب های ایران نصب گردید. هم اکنون حدود ۱۳۵ سکوی ثابت نوع شابلونی در آب های ایران در خلیج فارس و متعلق به ایران وجود دارد. سکو هایی که در خلیج فارس نصب میشوند، در مقایسه با سکو های خلیج مکزیک در مقابله با امواج و طوفان های ضعیف تری طراحی می گردند. در سواحل کالیفرنیا عامل تعیین کننده ابعاد سکوها زلزله می باشد، نه امواج ناشی از طوفان در دریا.
در آلاسکا فشار های ناشی از یخ به ضخامت ۲/۱ الی ۸/۱ متری وارده بر سکوی نفتی، به مراتب بحرانی تر از نیرو های ناشی از زلزله و امواج ناشی از طوفان می باشد. این نیروها به حدی زیاد است، که سکوی ثابت از نوع شابلونی برای این منطقه جوابگو نبوده، و مناسب نمی باشد. به همین دلیل از نوع سکوی تراز شونده، و یا سکوی تک پایه مونوپاد استفاده می گردد. سکو های ثابت دریایی اصولا از مزیت خاصی برخوردارند، زیرا هزینه نصب آنها نسبتا پایین و سکو های پایداری می باشند، که در خارج از سطح آب بدون ایجاد حرکت مهمی میتواند، عملیات حفاری و تولید و دیگر کارها مانند بر روی آنها انجام گیرد. در خلیج مکزیک قابل دسترس بودن وسایل ساخت و سولت حمل و نصب بر رونق سکوهای ثابت دریایی در آن منطقه افزوده است.
سکوی حفاری خود بالابر ــ jack up rig سکو هایی هستند، که بر روی آب شناورند و تا محلی که باید جهت حفاری یا کار های دیگر عمل کنند، بر روی آب مانند کشتی حرکت مینمایند. پس از استقرار در محل حفاری با جک های پنوماتیک – هیدرولیک یا الکتریک پایه های سکوی نفتی تا کف دریا پایین رانده میشوند، و بعد سطح عرشه را به سمت بالا تا ارتفاعی که لازم است، بالا برده تا از اثرات موج مصون بماند، و یا ارتفاع لازم جهت حفاری را کسب نماید. سکوی نفتی خود بالابر در مواقع اسقرار در محل پایداری زیادی دارد، و میتواند عملیات حفاری حتی تا اعماق ۱۴۰ متری از روی آن انجام گیرد، ولی معمولا برای اعماق ۱۵ الی ۱۰۰ متر از آن استفاده میگردد.
بر روی این سکو محل اسکان پرسنل، محل فرود هلیکوپتر، دکل حفاری، جرثقیل، قایق نجات، و دیگر وسایل ضروری تعبیه میگردد. شایان ذکر است که دولت ایران در سال ۱۳۶۳ هـ.خ، یک دستگاه سکوی حفاری خود بالا بر از شرکت هیتاچی ژاپن خریداری کرد، که این دستگاه با حدود ۸۳۰۰ تن وزن خالص و مساحت ۴۰۰۰ متر مربع و با پایه های قابل نصب تا عمق ۹۳ متری قابلیت حفاری تا عمق ۶۱۰۰ متری را دارا می باشد. این دستگاه دارای امکانات لازم از قبیل خوابگاه های متعدد، نماز خانه، رستوران، سالن کنفرانس، باشگاه، بهداری، محل فرود هلیکوپتر، و دیگر امکانات فنی جهت حفاری میباشد، و مجموعا امکانات زندگی جهت حدود یکصد نفر را دارا می باشد، که دولت ایران علاوه بر این سکو، یک سکوی خود بالابر دیگر به نام شهید مدرس را دارا می باشد.
در اینجا با در نظر گرفتن جنبه های متفاوت این ساختارها نظیر، انتخاب تجهیزات، نوع سکوی نفتی ، روش های حفاری، برنامه ریزی صحیح، طراحی، ساخت، انتقال و نصب متناسب با سکوهای نفتی و با در نظر گرفتن عمق آب و محیط کاری آنها به بررسی اجمالی این ساختارهای پیچیده و مهم می پردازیم. قوانین حاکم بر انواع ساختارهای فراساحلی از ثابت گرفته تا شناور را مرور کرده و در مورد سکوهای ثابت کاربردهای این قوانین را بررسی می کنیم. هدف کلی ما از ارائه این مقاله فراهم آوردن اطلاعات پایه ای در مورد مراحل مختلف طراحی، ساخت، مونتاژ، انتقال و نصب این سکوهاست. از مهم ترین کاربردهای سکوهای فراساحلی می توان به اکتشافات و تولید نفت، کشتیرانی بارگیری و تخلیه ی کشتی های باربری، پشتیبانی پل ها و راه های آبی اشاره کرد که عملیات های نفتی از مشخص ترین و حیاتی ترین آنها بوده که با طراحی بسیار پیچیده ی خود مهندسین را با مسائل متعددی روبرو می سازد.
این ساختارهای فراساحلی می بایست دوام عمری در حدود ۲۵ سال کارکرد یا بیشتر داشته و باید با شرایط بسیار سخت محیط های دریایی سازگار باشند. از مهم ترین عواملی که باید در طراحی مدنظر گرفت می توان به موارد زیر اشاره کرد:
۱- حداکثر نیروی اعمالی بر سکوی نفتی از طرف عوامل محیطی نظیر طوفان، باد و امواج
۲- بار خستگی تولید شده از طرف امواج
۳- حرکت کلی سکو
در بعضی مواقع ممکن است سکوی نفتی بر اثر جریان های آبی با یک نیروی قوی بر روی سیستم لنگر خود مواجه شود که می تواند منجر به تولید گرداب شود. سکوهای نفتی ساختارهای غول پیکری از جنس فولاد یا بتن بوده که وظیفه ی اصلی آنها را می توان اکتشاف و استخراج نفت و گاز از پوسته ی زمین برشمرد.
این سکوها را می توان در دریاهای آزاد، دریاچه ها و خلیج ها نصب کرد که در بعضی مواقع کیلومترها تا خط ساحلی فاصله دارد. جنس آنها بسته به شرایط محیطی و نوع آنها فولاد، بتن یا ترکیبی از هر دو است. سکوهای نفت و گاز به طور کلی از انواع مختلف فولاد، از فولاد معمولی گرفته تا فولادهای بسیار مقاوم تهیه می شوند اما در انواع قدیمی آنها شاهد حضور بتن مسلح نیز، به عنوان یکی از مواد حیاتی هستیم.
در محدوده ی سکوهای فولادی، انواع مختلفی بر اساس استفاده و عمق کاری آنها وجود دارد. این سکوها بسیار سنگین بوده و در زمره ی بلندترین ساختارهای ساخته شده به دست بشر جای می گیرند. در این سکوها نفت و گاز از هم جدا شده و به وسیله ی خطوط انتقال نفت و یا تانکر به ساحل منتقل می شوند.
انواع سکوهای نفتی و حفاری
انواع مختلفی از سکوهای نفتی بسته به عمق آب و شرایط کاری آنها به کار گرفته می شوند. از Rig ها برای حفاری در میادین نفتی و از سکوها به منظور عملیات استخراج استفاده می شوند. در ادامه به پر کاربردترین انواع آنها اشاره می شود. حفاری در میادین نفتی فراساحلی که کیلومترها با نزدیک ترین ساحل فاصله دارند مشکلات بسیار زیادی را با خود به همراه دارد. ممکن است در این حفاری ها، بستر دریا تا سطح آب هزاران فوت فاصله داشته باشد. از این رو همانطور که در حفاری های روی سطح زمین به سکوهای حفاری احتیاج داریم، در دریا نیز باید سکوهای مصنوعی حفاری ساخته شوند.
سکوهای حفاری متحرک
در یک دسته بندی کلی می توان سکوها را به دو نوع ساکن که تنها در مکان خاص خود قابل استفاده بوده و نوع متحرک که قابل جابجایی است، طبقه بندی کرد.
کرجی های حفاری
از این نوع برای حفاری در آبهای کم عمق استفاده می شود. آبهای کم عمق معمولاً شامل دریاچه ها، رودخانه ها، کانال ها و باتلاق ها هستند. این کرجی ها معمولاً یک سکوی نفتی متحرک هستند که برای حمل و نقل به یدک کش ها نیازمندند. این کرجی ها که توانایی کارکرد در آبهای متحرک را ندارند در آبهای ساکن و کم عمق کارایی خوبی از خود به نمایش گذاشته اند.
جکاب (Jack UP)
کارایی کلی این سکوها همانند کرجی های حفاری است. با این تفاوت که وقتی آنها در محل حفاری قرار می گیرند، سه یا چهار پایه ی طراحی شده در عمق آب فرو رفته و در کف دریاچه بر روی بستر محکم می شوند. این پایه ها امکان جایگزینی بدون متحرک و بالاتر از سطح آب را برای این نوع سکوی نفتی فراهم می آورد که از مزیت های آن نسبت به کرجی های حفاری به شمار می رود.
اما عمق کاری آنها نسبت به کرجی های حفاری کم تر بوده و کارگذاری پایه ها در عمق زیاد مشکلات زیادی به همراه دارد. در واقع عمق کاری آنها نمی تواند از ۱۹۰ m بیشتر باشد. از آنجا که سکوی کاری در این نوع بالاتر از سطح آب قرار می گیرد امکان عملیات حفاری مطمئن تری را نسبت به کرجی های حفاری فراهم می آورند.
سکوهای شناور در آب (Submersible)
سکوی نفتی شناور نیز تقریباً ساختاری مشابه Jack up ها دارند با این تفاوت که در قسمت های کم عمق اقیانوس ها یا دریاچه ها به کار می روند. این سکوها دارای دو عرشه ی مجزا بوده که بر روی یکدیگر قرار می گیرند. عرشه های بالایی محل جایگیری خدمه و سکوی اصلی حفاری است. عرشه ی پایینی در هنگام جابجایی از هوا پر شده و کل سکو را به حالت شناور در می آورد. هنگامی که سکوی نفتی به میدان مورد نظر رسید هوای موجود در عرشه ی پایینی تخلیه شده و کل سکو در کف دریا یا دریاچه جای می گیرد. با اینکه متحرک بودن این سکوی نفتی آن را بسیار مفید کرده است اما محدوده ی کاری آن همچنان محدود به آبهای کم عمق می باشد.
سکوهای نیمه شناور
این نوع دارای یک قسمت حفاری شناور است که دارای ستون های موقت می باشد. با پر شدن این ستون ها از آب، آنها به صورت شناور در آمده و در عمق پیش بینی شده فرو می روند. این گونه یکی از پرکاربردترین و معمول ترین نوع سکوی نفتی به شمار می رود که علاوه بر قابلیت های سکوهای بحث شده، توانایی حفاری در آبهای عمیق را نیز دارا می باشد. سکوهای نیمه شناور همانند سکوهای شناور برای جابجایی از دو عرشه ی متفاوت استفاده می کنند. در واقع با اینکه قسمتی از سکوی نفتی در آب فرو می رود همچنان توانایی شناور ماندن بر روی میدان حفاری را داراست.
با پر شدن عرشه ی پایینی از آب، پایداری لازم در هنگام حفاری برای سکوی نفتی فراهم می شود. سکوهای نیمه شناور معمولاً با استفاده از لنگرهای سنگینی که هر کدام بیش از ده تن وزن دارند در جای خود مستقر می شوند. این لنگرها به همراه عرشه ی پایینی سکو از آب پر شده است امکان یک حفاری مطمئن را در آبهای متلاطم ایجاد می کند.
می توان این سکو ها را در یک مکان مشخص نگهداری کرده و آنها را در عملیات های متفاوت به صورت مقطعی به کار برد. عمق کاری آنها بسیار بیشتر از انواع پیشین بوده و به صورتی که با پیشرفت تکنولوژی می توان تا عمق ۱۸۰۰ m را به راحتی حفاری کرد. این نوع می تواند سوراخی در بستر دریا ایجاد کرده و بعد از آن به سرعت به مکان دیگری انتقال یابد.
سکوهای ثابت
در مکان های مشخصی همانند آبهای کم عمق امکان اتصال فیزیکی سکوی نفتی به کف دریا وجود دارد. پایه های آن که از جنس بتن و یا فولاد ساخته می شوند، از سکوها تا عمق آب امتداد یافته و در پایه های در نظر گرفته شده در بستر دریا نصب می شوند. با در نظر گرفتن سازه های بتنی و یا پایه ها، وزن سکو به اندازه ای است که احتیاج به اتصالات خاصی برای جلوگیری از حرکت در عمق آب نداشته و می تواند به راحتی با توجه به جرم خود در بستر دریا آرام می گیرد. بزرگترین مزیت این سکوها، پایداری آنهاست. با توجه به اتصال آنها به کف دریا تأثیرات نیروی باد و آب جابجایی بسیار ناچیزی را در سکو به همراه دارد. با تمام این احوال امکان استفاده از این نوع در آبهای بسیار بسیار عمیق و ساخت پایه های بسیار بلند مقرون به صرفه نیست.
سکوهای قالبی
این سکوی نفتی فولادی پرکاربردترین نوع سکو در خلیج فارس، خلیج مکزیک، نیجریه و خطوط ساحلی کالیفرنیا به شمار می رود. این نوع سکوی نفتی شامل بدنه ی اصلی، عرشه، موج شکن و ستون لنگرگاه می باشد. تمامی سکوهای نصب شده در خلیج فارس از این گونه هستند. در حال حاضر حدود ۱۴۵ سکوی قالبی متعلق به ایران و ۱۳۰ سکوی قالبی متعلق به کشورهای عربی منطقه در خلیج فارس مشغول فعالیت هستند (اطلاعات سال ۲۰۰۸)
کشتی های حفاری
همانطور که از اسم آن مشخص است به طور تخصصی جهت حمل وسایل و اجرای عملیات های حفاری طراحی شده است. وظیفه ی اصلی آن حمل سکوهای حفاری به آبهای عمیق است. یک کشتی حفاری علاوه بر وسایل معمولی که در هر کشتی اقیانوس پیما یافت می شود دارای یک سکوی حفاری و یک بُرجک چاه کنی بر روی عرشه خود است. همچنین این کشتی ها دارای حفره ای به نام Moonpool هستند که از روی کشتی امکان حفاری تا عمق آب را فراهم می آورد. این کشتی ها حفاری در اعماق بسیار زیاد را امکان پذیر کرده و از سیستم “جایگزینی پویا” یا (Dynamic Positioning) بهره می برند. در زیر آنها موتورهای الکتریکی نصب شده است که امکان حرکت را در تمام جهات فراهم می آورد. این موتورها که به کامپیوتر مرکزی کشتی متصل بوده و از تکنولوژی مکان یابی ماهواره ای استفاده می کند به همراه سنسورهای موجود بر روی صفحه حفاری از قرارگیری کامل کشتی بر روی مکان حفاری اطمینان حاصل می کند.
سکوهای ستونی
این سکوی نفتی شباهت زیادی به سکوهای ثابت داشته و شامل یک ستون بلند متصل به شالوده ی موجود در کف دریاست که تا سطح سکوی نفتی امتداد یافته است. این ستون بر خلاف پایه های نسبتاً صلب سکوهای ثابت، قابل انعطاف بوده و انعطاف پذیری آن و در نتیجه توانایی آن در جذب نیروهای وارده بر سکو امکان استفاده از سکوهای ستونی در آبهای عمیق تر را فراهم آورده است. با این انعطاف پذیری، سکوهای ستونی مقاومت لازم در برابر شرایط طوفانی را دارا هستند.
سکوهای Seastar
این سکوی نفتی همانند نمونه ی کوچکی از سکوهای با پایه های کشتی هستند. این سکوها شامل یک عرشه ی شناور است که شباهت زیادی به سکوهای نیمه شناور بحث شده دارند. در هنگام حفاری عرشه ی پایینی از آب پر شده و پایداری لازم برای سکوی نفتی را فراهم می آورد. علاوه بر این عرشه ی نیمه شناور، این سکوها دارای سیستم پایه ی کششی، تاندون های توخالی هستند که از کف دریا تا سکوی معلق امتداد یافته اند. این پایه ها تحت کشش مشخصی قرار گرفته و اجازه ی بالا و پایین رفتن را به سکوی نفتی نمی دهد. اگرچه انعطاف پذیری آنها جابجایی عرضی را امکان پذیر ساخته و مقاومت سکو در برابر دیگر نیروها را بدون خطر شکستن پایه بالا می برد. از این سکوها می توان تا عمق ۱۱۲۰m استفاده کرد اما ساخت سکوهای بسیار بزرگ از این نوع مقرون به صرفه نیست.
سکوهای مجهز به پایه های کششی
این سکوی نفتی نمونه های بزرگی از سکوهای Seastar هستند. یک پایه ی بلند انعطاف پذیر که به بستر دریا متصل است در این نمونه تا خود عرشه ی سکو امتداد می یابد. همانند سکوهای Seastar ، سکوهای این نمونه نیز اجازه جابجایی عرضی تا ۶.۴ m را به عرشه می دهد در حالی که جابجایی عمودی اندکی را ایجاد می کند. از این نوع می توان تا عمق ۲۲۴۰ m استفاده کرد.
سیستم تولید نفت به صورت شناور
این سیستم دقیقاً همانند سکوهای نیمه شناور است که پیش از این توضیح داده شد با این تفاوت که علاوه بر تجهیزات حفاری در خود دارای تجهیزات دیگری جهت تولید نفت نیز هستند. از کشتی های همراه نیز می توان به عنوان سیستم تولیدی شناور استفاده کرد. این سکوی نفتی در مکان خود با استفاده از لنگرهای بزرگ و سنگین و یا با استفاده از سیستم ” جایگزینی پویا” – که در کشتی های حفاری مورد استفاده قرار می گیرند- ثابت می شوند. با استفاده از این سیستم بعد از حفاری سر چاه نفت به جای سکوی نفتی به بستر دریا متصل می شود. نفت خارج شده از سر چاه نفت به وسایل تولید نفت موجود بر روی سکوهای نیمه شناور، انتقال می یابد. این سیستم تا عمق ۱۹۲۰m کارایی دارد.
سکوهای دکلی (Spar)
این سکوی نفتی در زمره ی بزرگترین سکوهای فراساحلی قرار دارند. این سکوهای غول پیکر دارای یک سیلندر بزرگ هستند که سکوهای معمولی را پشتیبانی می کنند. اگر چه این سکو تا بستر دریا امتداد نمی یابد اما با کمک یک دسته خطوط انتقال و کابل ها به کف دریا متصل می شود. این سیلندر عظیم پایداری سکوی نفتی را در آب فراهم کرده و در عین حال با حرکت خود توانایی جذب نیروهای ناشی از طوفان را داراست. اولین نوع از این سکوی نفتی در سال ۱۹۹۶ در خلیج مکزیک نصب و راه اندازی شد. طول سیلندر آن ۴/۱۶۹متر و قطر آن ۴/۲۲ تخمین زده می شود. عمق محل نصب آن نیز در حدود ۶/۶۱۷ متر می باشد.
سیستم های زیر دریا
این سیستم ها در واقع چاههای نفتی هستند که در بستر دریا جای می گیرند. همانند سیستم های تولیدی شناور، نفت خارج شده از کف دریا به یک سکوی نفتی تولیدی از قبل تعبیه شده منتقل می شود. چاه را می توان به وسیله ی یک سکوی حفاری متحرک ایجاد و به جای ساخت یک سکوی مجزا برای این چاه، نفت و گاز را با استفاده از یک بالا آورنده منتقل کرد و یا حتی با کمک خطوط انتقال، آن را به نزدیک ترین سکوی نفتی تولیدی موجود در منطقه رساند. با استفاده از این روش می توان نفت استخراج شده از منطقه ی وسیعی شامل چندین چاه را به یک سکوی تولیدی که از قبل در یک منطقه ی استراتژیک نصب شده است، انتقال داد. این سیستم ها معمولاً در عمق ۲۲۴۰ متری و یا بیشتر کاربرد دارند اما قدرت حفاری برای آنها در نظرگرفته نشده است. به عبارت دیگر تنها در استخراج و انتقال محصولات نفتی کاربرد دارند.
خلاصه ای از مراحل ساخت پروژه های فراساحلی
همانند سایر پروژه های صنعتی، ساخت سکوی نفتی فراساحلی نیز بر اساس جدول زمان بندی مشخصی شامل: تجزیه و تحلیل صرفه اقتصادی، طراحی اولیه و جزئیات، نصب سازه های فولادی و تجهیزات امکان پذیر است. تمامی و یا هر قسمت از مراحل بالا می تواند توسط یک ارگان ذیصلاح و تحت استانداردهای مشخصی انجام پذیرد.
در حالت کلی ساخت سکوی نفتی فراساحلی طبق روند زیر صورت می پذیرد:
• تجزیه و تحلیل صرفه ی اقتصادی
• تحقیقات بر روی مکان ساخت که بازرسی محل نصب را نیز در بر می گیرد.
• طراحی مفهومی، طراحی ابتدایی و طراحی جزئیات
• محاسبات مربوط به مقاومت موادی که در سکو به کار گرفته می شوند
• تأیید طراحی توسط مراجع ذیصلاح
• تهیه ی مواد و ساخت تجهیرات
• ساخت سازه های فلزی
• آماده سازی عملیات انتقال اجزای سکو و روند نصب
• بارگیری، انتقال و عملیات نصب
• راه اندازی
معمولاً ساخت سازه های فولادی برای چنین ساختارهای عظیمی در مکانی صورت می گیرد که امکان انتقال آنها به محل نصب به راحتی امکان پذیر باشد. انتقال چنان تجهیزات عظیمی محتاج به طراحی خاص و پیچیده ای به همراه محاسبات مربوط به جایجایی است.
از آنجا که عملیات های مربوط به طراحی مهندسی، انتخاب مواد، ساخت سازه های فولادی و غیره بسیار زمان بر است، در اکثر مواقع با توجه به جدول زمانبندی دقیق تعدادی از آنها به صورت همزمان انجام می پذیرند.
طراحی سکوی نفتی فراساحلی ثابت
معمول ترین سکوی نفتی فراساحلی استفاده شده در خلیج مکزیک، نیجریه، کالیفرنیا و خلیج فارس سکوی نفتی قالبی ساخته شده از جنس فولاد هستند که به منظور اکتشاف و برداشت از میادین نفت و گاز به کار می روند. طراحی، تجزیه و تحلیل این تجهیزات فراساحلی باید مطابق با توصیه های ارائه شده توسط استاندارد (API ) انجام پذیرد.
تجزیه و تحلیل های گوناگون مربوط به سکوی نفتی قالبی با آنالیزهای مهندسی مربوط به سکوی نفتی قالبی از قرار زیر است:
• آنالیز مکان نصب
• آنالیز زلزله
• آنالیز خستگی
• آنالیز ضربه
• آنالیز موقتی (آنی)
• آنالیز بارگیری
• آنالیز حمل و نقل
• آنالیز دستگاهها
• آنالیز عمر کاری
• آنالیز نصب بر روی پایه ها
• آنالیز پایداری توده ای
• آنالیز توده ها و لوله های راهنما
• آنالیز حفاظت کاتدی
• آنالیز حمل و نقل
• آنالیز نصب
طراحی و آنالیز سکوی نفتی ثابت باید با در نظر گرفتن ” قوانین عملی جهت برنامه ریزی، طراحی و ساخت سکوهای ثابت فراساحلی” تهیه شده توسط API صورت پذیرد که آخرین ویرایش آن (ویرایش ۲۱) در دسامبر ۲۰۰۰ به چاپ رسیده است. این دفترچه نیازهای کمینه را با توجه به وضعیت وقوع طوفان در ۱۰۰ سال گذشته ی محل مشخص کرده است.
به عنوان نمونه برای تحلیل سکو در خلیج مکزیک شرایط محیطی مطابق با امواجی با ارتفاع ۲۱ متر، سرعت باد ۱۷۰ Km/hr و جزر و مد ۴ متر در قسمت های کم عمق در نظر گرفته می شود.
در خلیج فارس این مقادیر برابر با امواجی با ارتفاع ۲/۱۲ متر، سرعت باد ۱۳۰ Km/hr و جزر و مد ۳ متر می باشد. در دریای خزر ارتفاع امواج ۱۹ متر و در دریای شمال بسته به مکان دقیق آن در حدود ۳۲ متر تخمین زده می شود. همچنین بر اساس رویه ی API RP-2A ارتفاع پایین ترین نقطه سکوی نفتی می بایست با بیشترین ارتفاع مربوط به مجموع موج و جزر حداقل ۵/۱ متر فاصله داشته باشد. همچنین سکوی نفتی می بایست در برابر نیروهای ناشی از شرایط محیطی، حمل و نقل، نصب وسایل و دیگر نیروهای تولید شده توسط تجهیزات موجود بر روی عرشه مقاوم باشد.
داده های ژئوتکنیکی
یکی دیگر از مراحل مهم در طراحی سازه های فراساحلی، بازرسی خاک محل قرارگیری تجهیزات است. از آنجا که در نهایت این خاک عمق دریاست که می بایست در برابر نیروها و تحرکات مربوط به سکوی نفتی در عمق آب مخصوصاً در شرایط طوفانی مقاومت کند، بازرسی خاک از اهمیت ویژه ای برخوردار است. خاک بستر دریا می تواند شامل رس، ماسه، لجن و یا ترکیبی از آنها باشد. در هر پروژه می بایست مشخصات خاک جهت تحمل بار در کشش و فشار، مقاومت در برابر تنش برشی و مشخصات جابجایی نیروهای محوری و توده ای بررسی شده و در گزارشی به مراجع اطلاع داده شوند. این گزارش بر اساس نمونه برداری از خاک و انجام آزمایش های خاص در همان محل یا آزمایشگاه بر روی آن انجام شده که اطلاعات مفیدی را در اختیار مهندس طراح می گذارد.
نرم افزارهای طراحی سکوها
جهت تجزیه و تحلیل های ساختمانی
SACS, FASTRUDL, MARCS, OSCAR, STRUCAD, SESAM
جهت محاسبات هیدرولیکی
MAXSURF, HYDROMAX, SCAMOOR
جهت تجزیه و تحلیل ستون ها
GRL WEAP, PDA, CAPWAP
تجزیه و تحلیل ساختمانی
برای تجزیه و تحلیل ساختمانی ابتدا توسط یکی از نرم افزارهای ارائه شده که منحصراً به همین منظور طراحی شده اند، یک مدل ابتدایی از سکوی نفتی تولید می شود. این مدل می بایست تمامی قطعات اصلی، اتصالات و تجهیزات اساسی را در بر داشته باشد. یک سازه ی فراساحلی معمولی که با کمک ستون پشتیبانی می شود معمولاً دارای عرشه ی اصلی، عرشه ی زیرین، عرشه ی نیمه زیرین و سکوی فرود هلیکوپتر است. سازه ی عرشه توسط پایه هایی که به ستون اصلی متصل است، پشتیبانی می شود. ستون اصلی نیز که از زیر عرشه آغاز شده است راه خود را تا درون خاک بستر دریا ادامه می دهد. در زیر آب این ستون درون یک سازه ی پوششی قرار می گیرد تا از آن در برابر نیروهای خارجی محافظت کند. این پوشش سازه ای همچنین می تواند به عنوان یک راهنما برای ستون به کار رفته به گونه ای که ستون از داخل آن به درون عمق آب هدایت شود. در صورت استفاده از ستون دامنه ای، ستون اصلی می تواند از خارج سازه ی پوششی به عمق آب هدایت شود.به علاوه هرگونه تحلیلی بر روی سکوی نفتی فراساحلی باید وزن تجهیزات، حداکثر نیروی وارد بر عرشه و نیروی حاصل از باد را نیز پوشش دهد. در قسمت زیر آب نیز نیروهای حاصل از امواج و جریان های در عمق آب از اهمیت بالایی برخوردارند. این تحلیل شامل دو بخش تحلیل استاتیکی خطی برای اجزای بالای خط گل و لای و تحلیل استاتیکی غیر خطی برای خاکی که ستون در آن جای گرفته می باشد.
علاوه بر این ها باید تمامی اتصالات لوله ای آزمایش شده و از مقاومت آنها در برابر نیروهای ضربه ای اطمینان حاصل شود. تحلیل نیروی ضربه ای برشی را معمولاً با نام “تحلیل توانایی اتصالات” می شناسند.
تمامی قسمت های سازه با کمک نتایج به دست آمده از تحلیل های کامپیوتری، تحلیل های انجام پذیرفته در مکان نصب و دیگر تحلیل های ذکر شده در بالا انتخاب می شوند. در طراحی سکوی نفتی فراساحلی معمولاً از لوله ها یا تیرهای لبه دار جهت قطعات اصلی استفاده می شود. همزمان با تحلیل های سازه ای، تیم طراحی نیز نقشه های اولیه ی ساخت به همراه اندازه ها و ابعاد بهینه شده بر طبق آنالیز را آغاز کرده که حاوی جزئیات ساختی نظیر طریقه نصب، انتقال و جایگذاری ساختمان ها نیز می باشد. سکوی نفتی طراحی شده باید توانایی تحمل نیروها در بدترین شرایط و همچنین مقاومت در برابر خستگی در طول عمر خود را دارا باشد.
تحلیل خستگی با کمک فرمول Palmgeren-Miner و با بهره گیری از دیاگرام پراکندگی امواج، پاسخ دینامیکی طبیعی سکوی نفتی و همچنین سختی مربوط به ستون انجام می شود. تحلیل جزئی خستگی جهت ارزیابی صدمات مربوط به خستگی انجام می پذیرد. به دلیل پیچیدگی کار، API اجازه ی انجام تحلیل های خستگی ساده شده بر روی سکوی نفتی که شرایط زیر را داشته باشد صادر کرده است:
• عمق آب محل جایگیری سکو کمتر از ۱۲۲ متر باشد.
• از فولاد چکش خوار ساخته شده باشد
• دارای بدنه ای بزرگتر از مدل موجود در طراحی اولیه باشد
• فرکانس طبیعی نوسانات آن کمتر از ۳ ثانیه باشد
اجازه نامه ی مشتری و پروسه ی تأیید
تمامی قسمت های طراحی سکوی نفتی فراساحلی باید به تأیید مشتری برسد. نتایج تحلیل باید گواهی بر طراحی قابل قبول سکو بر اساس روش های استاندارد و بر طبق داده های تهیه شده در مکان نصب بوده و در عین حال با تمامی پارامترها و قوانین مشخص شده در API RP-2A و موسسه فولاد ساختمانی آمریکا همخوانی داشته باشد.بسته ی درخواست اجاره نامه باید شامل خلاصه ای از تحلیل های انجام شده ( و در صورت وجود توضیحاتی درباره ی اصلاحات صورت گرفته) بوده و بیشینه نیروی وارد بر شالوده را مشخص کند. یک گزارش از بررسی خاک و طرح های تأیید شده ی ساخت نیز باید به آن ضمیمه گردد.
تمامی طرح ها، نتایج تحلیل ها و کل بسته باید به امضای مهندسین مشاور و رئیس پروژه رسیده و به مشتری تحویل داده شود.
عملیات ساخت
API RP-2A لیستی از جنس مواد مورد استفاده در ساخت قطعات فولادی سکوها تهیه و منتشر کرده است. کمینه مقاومت برای فولادها برابر با فولادهای رده ی A36 در انجمن مواد و آزمایشات آمریکا (ASTM ) و مقاومت ۲۵۰ Mpa در AISC است. برای مواردی که مقاومت بیشتری نیاز دارند مثل لوله ها، رده ی X52 در API 5L پیشنهاد شده است. تمامی مواد، جوش ها و حتی جوشکارها باید به دقت بازرسی و آزمایش شوند. برای برش ها، جوشها و مونتاژها باید طرح های دقیقی تهیه شده و این پروسه ها کاملاً بر اساس آنها انجام پذیرد. انتخاب خط تولید کار آمد نیز از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است. این خط های تولید باید کاملاً مجهز بوده و به اندازه ای بزرگ باشد که توانایی تولید قطعات غول پیکر سکوها را داشته باشد.
بارگیری و حمل و نقل
به منظور صرفه جویی در هزینه ها و راحتی عملیات کارگاههای ساخت سکوی نفتی معمولاً در نواحی ساحلی دایر می شوند. بعد از اتمام ساخت تمامی قطعات باید بر روی کشتی بارگیری شده و به محل نصب دائمی انتقال یابد. از همین رو در طراحی ها باید به بارگیری و عملیات حمل و نقل نیز توجه کافی شده، تمام مراحل بارگیری مد نظر قرار گرفته و تنش ها بررسی می شوند. قبل از شروع انتقالات باید قطعات برای یک سفر دریایی تحلیل شده، به کرجی ها محکم شده و سپس عملیات انتقال شروع می شود. در تحلیل های صورت گرفته برای حمل و نقل باید اثرات چرخش کششی، ضربه، تخلیه اثرات غیر متقارن بودن سکوی نفتی کاملاً بررسی شود. به این منظور باید اطلاعات دقیقی از بدترین وضعیت جوی مسیر در همان بازه ی زمانی مشخص از سال در اختیار مهندسین قرار گیرد.
عملیات نصب
تمامی موارد طراحی باید به گونه ای انجام پذیرد که در آنها تنشهای عملیات نصب مربوط به بلند کردن، به صورت قائم در آوردن، بر پایه سوار کردن و غیره در نظر گرفته شده باشد. پوشش های پایه باید به گونه ای باشند که در طول مدت زمان نصب احتیاج به پشتیبانی خارجی نداشته باشند. از Mudmat ها در صفحه افقی زیرین مکان نصب جهت انتقال موقتی نیروها به بستر دریا و خاک آن قبل از اتمام عملیات ستون گذاری استفاده می شود. در هنگام طراحی ستون ها توجه به مقاومت آنها در برابر تنشهای ایجاد شده در هنگام جای گیریشان از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است. اولین قسمت باید به اندازه ای بلند باشد که از چند متر بالای محل جای گیری پایه تا بالای خط گل و لای امتداد یابد (در این حالت نفوذ خود به خودی پایه ها به دلیل وزنشان باید مدنظر قرار گیرند). باقی قطعات باید در همان مکان به قطعه ی اول جوش داده شوند. هنگامی که تمامی پایه ها به عمقی که انتظار می رود رسیدند، آنها را باید به آرایش از قبل طراحی شده متناسب با قسمت بالایی در آورد. سپس پوشش پایه ها تا ارتفاعی در حدود یک متر پایین تر از سر بالایی پایه ها به دور آنها جوش داده می شود.
نتیجه گیری
انتخاب سکوی نفتی و دستگاههای حفاری مستقیماً با عمق آب و نوع سرویس مورد نیاز متناسب است. سکوی نفتی Jack up برای آبهای کم عمق تا حدود ۱۵۰ متر به کار می روند. سکوهای ثابت قالبی در اندازه ها و عمق های متفاوتی کاربرد دارند اما اکثر استفاده ی آنها در عمق هایی کمتر از ۱۵۰ متر است. سکوی نفتی نیمه شناور در آبهای عمیقی یعنی تا حدود ۱۸۰۰ متر کارایی خود را حفظ می کنند. سکوهای با پایه ی کششی در عمق بیش از ۳۰۰ متر استفاده می شوند. سکوهای دکلی مسئولیت اکتشافات در آبهای بسیار عمیق را بر عهده دارند.
