Offshore geoteknik

Plattformar utanför Mexiko.

Offshore geoteknik är ett delområde av geoteknik . Det handlar om grundkonstruktion, konstruktion, underhåll och avveckling av mänskligt skapade konstruktioner i havet . Oljeplattformar , konstgjorda öar och undervattensrörledningar är exempel på sådana strukturer. Havsbotten måste kunna motstå tyngden av dessa strukturer och pålagda belastningar. Geofaror måste också beaktas. Behovet av utbyggnader till havs härrör från en gradvis utarmning av kolvätereserver på land eller nära kustlinjerna, eftersom nya fält byggs ut på större avstånd till havs och på djupare vatten, med motsvarande anpassning av platsundersökningarna till havs. Idag finns det mer än 7 000 offshoreplattformar som arbetar på ett vattendjup på upp till och över 2 000 m. En typisk fältutbyggnad sträcker sig över tiotals kvadratkilometer och kan bestå av flera fasta strukturer, flödesledningar inom fältet med en exportrörledning antingen till strandlinjen eller kopplad till en regional stamlinje.

Skillnader mellan geoteknik på land och till havs

En offshoremiljö har flera konsekvenser för geoteknisk ingenjörskonst. Dessa inkluderar följande:

  • Markförbättring (på havsbotten) och platsundersökning är dyra.
  • Markförhållandena är ovanliga ( t.ex. förekomst av karbonater, ytlig gas).
  • Offshore-strukturer är höga och sträcker sig ofta över 100 meter (330 fot) över deras fundament.
  • Offshorekonstruktioner måste typiskt klara av betydande sidobelastningar ( dvs. stor momentbelastning i förhållande till konstruktionens vikt).
  • Cyklisk belastning kan vara ett stort designproblem.
  • Offshore-strukturer är utsatta för ett bredare spektrum av georisker .
  • Koderna och tekniska standarderna skiljer sig från de som används för landbaserade utbyggnader.
  • Design fokuserar på brottgränstillstånd i motsats till deformation.
  • Designändringar under konstruktionen är antingen omöjliga eller mycket dyra.
  • Designlivslängden för dessa strukturer varierar ofta mellan 25–50 år.
  • De miljömässiga och ekonomiska kostnaderna vid fel kan vara högre.

Offshoremiljön

Offshorekonstruktioner utsätts för olika miljöbelastningar: vind , vågor , strömmar och, i kalla hav, havsis och isberg . Miljölaster verkar främst i horisontell riktning, men har också en vertikal komponent. En del av dessa laster överförs till fundamentet (havsbotten). Vind-, våg- och strömregimer kan uppskattas från meteorologiska och oceanografiska data, som tillsammans kallas metocean data . Jordbävningsinducerad belastning kan också förekomma – de går i motsatt riktning: från grunden till strukturen. Beroende på plats kan andra georisker också vara ett problem. Alla dessa fenomen kan påverka integriteten eller användbarheten av strukturen och dess grund under dess operativa livslängd – de måste beaktas vid offshore-design.

Markens beskaffenhet

Följande är några av de egenskaper som kännetecknar marken i en offshore-miljö:

  • Marken är uppbyggd av sediment , som i allmänhet antas vara i ett mättat tillstånd – saltvatten fyller ut porutrymmet.
  • Marina sediment är sammansatta av detritalt material samt rester av marina organismer, de senare utgör kalkhaltiga jordar.
  • Den totala sedimenttjockleken varierar på regional skala – den är normalt högre nära kustlinjen än den är borta från den, där den också är finare.
  • På sina ställen kan havsbotten sakna sediment, på grund av starka bottenströmmar.
  • konsolideringstillstånd är antingen normalt konsoliderat (på grund av långsam sedimentavsättning) , överkonsoliderat (på sina ställen en kvarleva av glaciation) eller underkonsoliderat (på grund av hög sedimenttillförsel).

Metoceanska aspekter

Vågverkan mot en offshore-struktur.

Vågkrafter inducerar rörelse hos flytande strukturer i alla sex frihetsgrader – de är ett viktigt designkriterium för offshore-strukturer. När en vågs omloppsrörelse når havsbotten inducerar den sedimenttransport. Detta inträffar bara till ett vattendjup på cirka 200 meter (660 fot), vilket är den allmänt antagna gränsen mellan grunt vatten och djupt vatten . Anledningen är att omloppsrörelsen bara sträcker sig till ett vattendjup som är halva våglängden, och den maximala möjliga våglängden anses generellt vara 400 meter (1 300 fot). På grunt vatten kan vågor skapa ett portrycksuppbyggnad i jorden, vilket kan leda till flödesglidning, och upprepade stötar på en plattform kan orsaka vätskebildning och förlust av stöd.

Strömmar är en källa till horisontell belastning för offshorekonstruktioner. På grund av Bernoulli-effekten kan de också utöva krafter uppåt eller nedåt på strukturella ytor och kan inducera vibrationer av ledningar och rörledningar. Strömmar är ansvariga för virvlar runt en struktur, som orsakar skurning och erosion av jorden. Det finns olika typer av strömmar: oceanisk cirkulation , geostrofisk , tidvatten , vinddriven och täthetsströmmar .

Geofaror

Två typer av seismiska profiler (överst: kvittra; botten: vattenkanon) av ett fel på havsbotten i Mexikanska golfen.
Global distribution av gashydrater, som är en annan potentiell fara för offshore-utbyggnader.
Ett exempel på ett sidoskanningsekolod, en enhet som används för att övervaka havsbotten.
En 3D-bild av Monterey Canyon-systemet, ett exempel på vad som kan erhållas från multibeam ekolod.

Geofaror är förknippade med geologisk aktivitet, geotekniska egenskaper och miljöförhållanden. Grunda georisker är de som uppstår på mindre än 400 meter (1 300 fot) under havsbotten. Information om de potentiella riskerna förknippade med dessa fenomen erhålls genom studier av geomorfologi, geologisk miljö och tektoniska ramar i det intressanta området, samt genom geofysiska och geotekniska undersökningar av havsbotten. Exempel på potentiella hot inkluderar tsunamis , jordskred , aktiva förkastningar , lerdunkar och beskaffenheten av jordskiktningen (närvaro av karst , gashydrater , karbonater). I kalla regioner mejslande isdrag ett hot mot undervattensinstallationer, såsom rörledningar. Riskerna förknippade med en viss typ av geofara är en funktion av hur exponerad strukturen är för händelsen, hur allvarlig denna händelse är och hur ofta den inträffar (för episodiska händelser). Alla hot måste övervakas och mildras eller tas bort.

Platsundersökning

Offshore-platsundersökningar är inte olik de som utförs på land (se Geoteknisk undersökning ) . De kan delas in i tre faser:

  • En skrivbordsstudie , som inkluderar datasammanställning.
  • Geofysiska undersökningar , antingen grund och djup havsbotten.
  • Geotekniska undersökningar , som inkluderar provtagning/borrning och in situ testning.

Skrivbordsstudie

I denna fas, som kan pågå under en period av flera månader (beroende på projektstorlek), samlas information in från olika källor, inklusive rapporter, vetenskaplig litteratur (tidskriftsartiklar, konferenshandlingar) och databaser, i syfte att utvärdera risker, bedöma designalternativ och planera de efterföljande faserna. Batymetri , regional geologi, potentiella georisker, havsbottnshinder och metoceandata är några av de uppgifter som efterfrågas under den fasen.

Geofysiska undersökningar

Geofysiska undersökningar kan användas för olika ändamål. Den ena är att studera batymetrin på den intressanta platsen och att ta fram en bild av havsbotten (oregelbundenheter, föremål på havsbotten, sidovariationer, ishålor , ...). Seismiska brytningsundersökningar kan göras för att få information om stratigrafi på grund havsbotten – den kan också användas för att lokalisera material som sand, sandavlagringar och grus för användning vid konstruktion av konstgjorda öar . Geofysiska undersökningar utförs från ett forskningsfartyg utrustat med ekolodsanordningar och relaterad utrustning, såsom enkelstråle- och multistråleekolod , sidoavsöknings-ekolod , "towfish" och fjärrstyrda fordon (ROVs) . För stratigrafin under botten inkluderar de verktyg som används boomers, sparkers, pingers och chirp. Geofysiska undersökningar krävs normalt innan de geotekniska undersökningarna genomförs; i större projekt kan dessa faser vara sammanvävda.

Geotekniska undersökningar

Geotekniska undersökningar innebär en kombination av provtagning, borrning, in situ-testning samt laboratoriemarkprovning som utförs offshore och, med prover, onshore. De tjänar till att sanna resultaten av de geofysiska undersökningarna; de ger också en detaljerad redogörelse för havsbottens stratigrafi och marktekniska egenskaper. Beroende på vattendjup och metoceana förhållanden kan geotekniska undersökningar utföras från ett dedikerat geotekniskt borrskepp , en semi-submersible , en jackup-rigg , en stor svävare eller annat. De görs på en rad specifika platser, medan fartyget håller en konstant position. Dynamisk positionering och förtöjning med fyrpunktsförankringssystem används för det ändamålet.

Geotekniska undersökningar av grund penetration kan innefatta jordprovtagning av havsbottenytan eller mekaniska provningar på plats. De används för att generera information om havsbottens fysiska och mekaniska egenskaper. De sträcker sig till de första metrarna under lerkanten. Undersökningar gjorda på dessa djup, som kan utföras samtidigt med den grunda geofysiska undersökningen, kan räcka om strukturen som ska placeras ut på den platsen är relativt lätt. Dessa undersökningar är också användbara för planering av undervattensrörledningar.

Syftet med geotekniska undersökningar av djup penetration är att samla in information om havsbottnens stratigrafi till djup som sträcker sig upp till några 100 meter under lerlinjen. Dessa undersökningar görs när större strukturer planeras på dessa platser. Djupa borrhål kräver några dagar under vilka borrenheten måste förbli exakt i samma position (se dynamisk positionering ) .

Provtagning och borrning

En gravitationsdriven jordprovtagare, som används för kärnborrning av havsbotten.
En gravitationsdriven jordprovtagare, som används för kärnborrning av havsbotten.
Lådkärna för att ta ut jordprover från havsbotten.

Ytprovtagning på havsbotten kan göras med en gripprovtagare och med en lådkärna . Den sistnämnda ger ostörda exemplar, på vilka tester kan utföras, till exempel för att bestämma jordens relativa densitet , vattenhalt och mekaniska egenskaper . Provtagning kan också göras med en rörborrmaskin, antingen gravitationsdriven, eller som kan tryckas ner i havsbotten med en kolv eller med hjälp av ett vibrationssystem (en anordning som kallas vibroborrmaskin).

Borrning är ett annat sätt att ta prover på havsbotten. Den används för att få ett register över havsbottnens stratigrafi eller bergformationerna under den. Den uppställning som används för att ta prov på en offshore-strukturs fundament liknar den som används av oljeindustrin för att nå och avgränsa kolvätereservoarer, med vissa skillnader i typerna av testning. Borrsträngen består av en serie rörsegment med en diameter på 5 tum (13 cm) skruvade ände mot ände, med en borrkrona i botten . När släpbiten (tänder som sträcker sig nedåt från borrkronan) skär ner i jorden, produceras jordsticklingar. Viskös borrslam som rinner ner i borrröret samlar upp dessa sticklingar och bär upp dem utanför borrröret. Som är fallet för geotekniska undersökningar på land kan olika verktyg användas för att ta prover på jorden från ett borrhål, särskilt "Shelby-rör", "kolvprovtagare" och "delade skedprovtagare".

In situ jordprovning

Diagram som visar principen för en konpenetrometer för att få markens hållfasthetsprofil.
Diagram som visar principen för en klippvinge för att mäta markens topphållfasthet och resthållfasthet.

Information om jordens mekaniska hållfasthet kan erhållas in situ (från själva havsbotten till skillnad från i ett laboratorium från ett jordprov). Fördelen med detta tillvägagångssätt är att uppgifterna hämtas från mark som inte har drabbats av någon störning till följd av sin flytt. Två av de mest använda instrumenten som används för detta ändamål är konpenetrometern (CPT) och skjuvvingen .

CPT är ett stavformat verktyg vars ände har formen av en kon med en känd spetsvinkel ( t.ex. 60 grader). När den trycks ner i jorden mäts motståndet mot penetration, vilket ger en indikation på jordens styrka. En hylsa bakom konen tillåter oberoende bestämning av friktionsmotståndet. Vissa koner kan också mäta porvattentrycket . Skjuvvingstestet används för att bestämma den odränerade skjuvhållfastheten hos mjuka till medelhöga jordar . Detta instrument består vanligtvis av fyra plattor svetsade i 90 grader från varandra i änden av en stång. Staven förs sedan in i jorden och ett vridmoment appliceras på den för att uppnå en konstant rotationshastighet. Vridmomentmotståndet mäts och en ekvation används sedan för att bestämma den odränerade skjuvhållfastheten (och resthållfastheten), som tar hänsyn till vingens storlek och geometri.

Offshorekonstruktioner och geotekniska överväganden

Offshore-strukturer representeras huvudsakligen av plattformar , särskilt jackup-riggar , stålmantelstrukturer och gravitationsbaserade strukturer . Havsbottens beskaffenhet måste beaktas vid planeringen av denna utveckling. Till exempel har en gravitationsbaserad struktur vanligtvis ett mycket stort fotavtryck och är relativt flytande (eftersom den omsluter en stor öppen volym). Under dessa omständigheter kan den vertikala belastningen av fundamentet inte vara lika betydande som de horisontella belastningar som utövas av vågverkan och överförs till havsbotten. I det scenariot kan glidning vara det dominerande sättet att misslyckas. Ett mer specifikt exempel är Woodside "North Rankin A" stålmantelstruktur utanför Australien. Schaktkapaciteten för pålarna som utgör vart och ett av konstruktionens ben uppskattades på basis av konventionella designmetoder, särskilt när de drivs in i kiselhaltig sand. Men jorden på den platsen var en kalkhaltig sand med lägre kapacitet. Det krävdes kostsamma saneringsåtgärder för att rätta till denna förbiseende.

Korrekt karakterisering av havsbotten krävs också för förtöjningssystem . Till exempel måste utformningen och installationen av sugpålar ta hänsyn till markegenskaperna, särskilt dess odränerade skjuvhållfasthet. Detsamma gäller för installation och kapacitetsbedömning av plattankare .

Undervattensrörledningar

Huvudartikel: Ubåtspipeline

Undervattensrörledningar är en annan vanlig typ av konstgjorda strukturer i offshoremiljön. Dessa strukturer vilar antingen på havsbottnen eller placeras i ett dike för att skydda dem från fisketrålare , släpande ankare eller utmattning på grund av ströminducerade svängningar. Grävning används också för att skydda rörledningar från iskölar . I båda fallen innebär planering av rörledningen geotekniska överväganden. Rörledningar som vilar på havsbotten kräver geotekniska data längs den föreslagna rörledningssträckningen för att utvärdera potentiella stabilitetsproblem, såsom passivt brott i marken under den (rörledningen faller) på grund av otillräcklig bärighet eller glidningsfel (rörledningen skiftar i sidled) , p.g.a. till lågt glidmotstånd. Grävningsprocessen måste, när så krävs, ta hänsyn till markegenskaperna och hur de skulle påverka plöjningstiden. Knäckningspotential som induceras av den nedgrävda rörledningens axiella och tvärgående respons under dess operativa livslängd måste bedömas i planeringsfasen, och detta kommer att bero på motståndet i den omslutande jorden.

Offshore inbäddade ankare

Huvudartikel: Offshore-inbäddade ankare

Offshore-inbäddade ankare är ankare som får sin kapacitet från friktions- och/eller bärighetsmotståndet hos jorden som omger dem. Detta är omvänt till gravitationsankare som får sin kapacitet från sin vikt. När offshore-utvecklingar flyttar in på djupare vatten gravitationsbaserade strukturer mindre ekonomiska på grund av den stora storleken och transportkostnaderna. Detta visar sig vara lämpligt för användning av inbäddade ankare.

Se även

Anteckningar

Bibliografi

  • Bai Y. och Bai Q. (2010) Subsea Engineering Handbook . Gulf Professional Publishing, New York, 919 s.
  • Barrette, P (2011). "Offshore rörledningsskydd mot havsbottnens mejsling av is: En översikt" . Kalla regioner vetenskap och teknik . 69 : 3–20. doi : 10.1016/j.coldregions.2011.06.007 .
  • Bransby MF, Yun GJ Morrow DR och Brunning P. (2005) Rörledningsplogars prestanda i lagerjordar. I: SCM Gourvenec (redaktör), Frontiers in Offshore Geotechnics , Taylor & Francis, Perth, Australien, s. 597–605.
  • Cardenas, IC; et al. "Exponerade marina georisker: osäkerheter inblandade" . Marina georesurser och geoteknik . doi : 10.1080/1064119X.2022.2078252 .
  • Cathie DN, Jaeck C., Ballard J.-C. och Wintgens J.-F. (2005) Pipeline geoteknik – state-of-the-art. I: SCM Gourvenec (redaktör), Frontiers in Offshore Geotechnics . Taylor & Francis, Perth, Australien, s. 95–114.
  • Das BM (2010) Principles of geotechnical engineering , Cengage Learning, Stamfort, USA, 666 sid.
  • Dean ETR (2010) Offshore Geotechnical Engineering – Principles and Practice , Thomas Telford, Reston, VA, USA, 520 sid.
  • Gerwick BC, (2000) Konstruktion av marina och offshore-strukturer , CRC Press, Boca Raton, USA, 657 s.
  • Hogan P., Lane A., Hooper J., Broughton A. och Romans B. (2008) Geohazard-utmaningar i Woodside OceanWay Secure Energy LNG-utvecklingen, offshore södra Kalifornien, Proceedings of the 40th Offshore Technology Conference (OTC) , Paper OTC19563 , Houston.
  • Kolk HJ och Wegerif J. (2005) Offshore platsundersökningar: nya gränser. I: SCM Gourvenec (redaktör), Frontiers in Offshore Geotechnics , Taylor & Francis, Perth, Australien, s. 145–161.
  • Newson TA, Bransby MF, Brunning P. och Morrow DR (2004) Bestämning av odränerade skjuvhållfasthetsparametrar för begravd rörledningsstabilitet i deltaiska mjuka leror, Proceedings of the 14th International Offshore and Polar Engineering Conference, The International Society of Offshore and Polar Engineers ( ISOPE), Toulon, s. 38–48.
  • Palmer, AC och Been K. (2011) Pipeline geohazards for Arctic conditions. I: WO McCarron (redaktör), Deepwater Foundations and Pipeline Geomechanics , J. Ross Publishing, Fort Lauderdale, Florida, s. 171–188.
  • Peuchen LJ och Raap C., (2007) Loggning, provtagning och testning för offshore geohazards, Proceedings of the 39th Offshore Technology Conference (OTC), Paper 18664, Houston.
  • Ramakrishnan TV (2008). Offshore Engineering , Gene-Tech Books, New Delhi, Indien, 347 sid.
  • Randolph M. och Gourvenec S. (2011) Offshore geotechnical engineering , Spon Press, NY, 550 sid.
  • Younes AI, Gibson JL och Shipp RC (2005) Geohazard-bedömning av djupvattens Princess-fältet i nordöstra Mexikanska golfen: Exempel på utvärdering av komplexa förkastningar i en undervattensutveckling, Proceedings of the 37th Offshore Technology Conference (OTC), Paper 17577 , Houston .
  • Zhang J. och Erbrich CT (2005) Stabilitetsdesign av ogravda rörledningar – geotekniska aspekter. I: SCM Gourvenec (redaktör), Frontiers in Offshore Geotechnics , Taylor & Francis, Perth, Australien, s. 623–628.
Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Offshore_geotechnical_engineering&oldid=1136264116 "