專利名稱：在大深度上安裝的水下管道的底部至表面連接方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在大深度上安裝的水下管道的底部至表面連接方法及系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域是從水下井口進(jìn)行水下開(kāi)采油、氣或其它可溶或易熔物質(zhì)或礦物懸浮液的上升生產(chǎn)管柱的制造和安裝領(lǐng)域，其目的是為了發(fā)展近海安裝的生產(chǎn)場(chǎng)地。本發(fā)明的主要應(yīng)用是在石油生產(chǎn)領(lǐng)域中。
本發(fā)明涉及公知的連接領(lǐng)域，這種連接領(lǐng)域包括一個(gè)錨定在海底的豎直的塔，該塔具有在塔頂?shù)母∽樱摳∽舆B接于一個(gè)浮動(dòng)支承體，該支承體借助一根管安裝在表面上，管的自重使其呈現(xiàn)垂曲線形狀。
在本說(shuō)明書(shū)中，生產(chǎn)場(chǎng)地被認(rèn)為是油田。一旦這種油田水下深度變大，它們就從浮動(dòng)支承體運(yùn)作。井口往往分布在整個(gè)油田上，生產(chǎn)管道，以及注水管道和控制指令纜設(shè)置在海底，鋪向一個(gè)固定位置，該位置具有一個(gè)浮動(dòng)支承體，該支承體在該位置上方豎直設(shè)置在表面上。
一般來(lái)說(shuō)，浮動(dòng)支承體具有錨定裝置以便使其保持在位而不受水流、風(fēng)及浪濤的影響。它一般也包括油的儲(chǔ)存和加工裝置，以及將油卸載到卸載油船上的裝置，油船定期到達(dá)以便將生產(chǎn)量運(yùn)走。這種浮動(dòng)支承體稱為“浮動(dòng)生產(chǎn)儲(chǔ)存和卸載”(FPSO)支承體，在本說(shuō)明書(shū)下面都使用縮寫(xiě)“FPSO”來(lái)稱謂這種支承體。
這種FPSO借助錨線從浮動(dòng)支承體的每個(gè)角部錨定，在這種情形中，不管周?chē)鷹l件怎樣FPSO都基本保持不變的方向(heading)，或者，F(xiàn)PSO具有一個(gè)固定在其結(jié)構(gòu)上的角塔，由一系列錨線錨定。在這種情形中，F(xiàn)PSO可相對(duì)于角塔自由轉(zhuǎn)動(dòng)，由角塔保持不變的方向；在這種情形中，F(xiàn)PSO呈現(xiàn)相應(yīng)于風(fēng)、水流和船體上的浪濤形成的合力的方向。在下文中，底部至表面連接大都被描述為連接于FPSO的被錨定的、因而具有不變方向的側(cè)面，而如果FPSO具有一個(gè)角塔，那么，其應(yīng)該連接于角塔本身(如圖6所示)。
底部至表面連接管道被稱為在本說(shuō)明書(shū)中使用的術(shù)語(yǔ)“升管”，它可以呈現(xiàn)連續(xù)地從設(shè)置在海底上的管上升并直接通至FPSO的管，因而其呈現(xiàn)垂曲線形狀，其相對(duì)于FPSO上的豎直方向的角度一般在3°至15°的范圍內(nèi)(垂曲線升管)。
當(dāng)水深小于數(shù)百米時(shí)，這種連接必須使用撓性管，但是，當(dāng)水深達(dá)到或超過(guò)800m至1000m時(shí)，撓性管可被牢固的剛性管取代，這種管由焊接或螺紋連接的剛性材料如復(fù)合材料或厚鋼板制成的管狀構(gòu)件構(gòu)成。這種厚的牢固材料構(gòu)成的垂曲線形狀的剛性升管通常稱為“鋼垂曲線升管”(SCRs)縮寫(xiě)SCR在本說(shuō)明書(shū)中使用，而不管所述升管是鋼制的，還是由其它材料如復(fù)合材料制成的。
撓性管和SCR型剛性升管，當(dāng)只承受重力時(shí)，以及當(dāng)它們具有相同高度時(shí)，在連接于FPSO的情形中表現(xiàn)出相對(duì)于豎直方向的相同的角度，并且在其整個(gè)懸置長(zhǎng)度上具有相同的曲率。從數(shù)學(xué)上講，這種彎曲是精確限定的，被稱為垂曲線。但是，從技術(shù)上講，SCRs要比撓性管簡(jiǎn)單得多，也便宜得多。撓性管是復(fù)雜、價(jià)格高的結(jié)構(gòu)，它們是由多個(gè)螺旋纏繞的套和復(fù)合材料制成的。
某些油田的深度大于1500m，可能深達(dá)2000m至3000m。每個(gè)SCR在FPSO上引起的張力可高達(dá)250至300公噸，發(fā)展某些油田所需要的大量升管需要顯著增強(qiáng)所述FPSO的結(jié)構(gòu)，如果右舷和左舷裝載不同，可能引起不平衡。另外，在FPSO繞其平均位置作圓形運(yùn)動(dòng)期間，SCR形成的垂曲線發(fā)生改變，在海底上的接觸點(diǎn)與FPSO運(yùn)動(dòng)相同的速率前后及左右移動(dòng)，使管的一部分上、下波動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)期反復(fù)進(jìn)行，在不堅(jiān)實(shí)的海底挖出一條溝，而這種海底在大深度上是常見(jiàn)的，如果這種現(xiàn)象顯著就會(huì)改變垂曲線的曲率，存在管受損的危險(xiǎn)，即，水下管道可能受到損壞和／或SCRs可能受到損壞。
由于這種設(shè)施中存在大量線路，因而最好采用塔式技術(shù)方案，其中，管和纜在塔根部會(huì)聚并向塔上升起，直至表面，或直至靠近表面的一個(gè)深度，然后，撓性管從該深度延伸，形成塔頂和FPSO之間的連接。塔則設(shè)有浮子裝置以保持其豎直位置，升管在塔根部通過(guò)連接套筒連接于水下管道，所述連接套筒使塔可作角度運(yùn)動(dòng)。所形成的組件通常稱為“混合式升管塔”，這是由于它采用了兩種技術(shù)第一種是豎直部分，塔，是由剛性管構(gòu)成的，第二種是升管頂部是由將塔頂連接于FPSO的垂曲線形狀的撓性管構(gòu)成的升管頂部。
1982年12月17日公開(kāi)的、題為“水中大深度升管柱”的法國(guó)專利FR2507672公開(kāi)了這樣一種混合式塔，它包括一個(gè)表面浮子，該浮子通過(guò)撓性管連接于FPSO，并承載懸置導(dǎo)向器，只有豎直的流體輸送管穿過(guò)該導(dǎo)向器。這種混合式塔通過(guò)張力下的纜錨定在海底上，纜使這種組件有一定量的豎直運(yùn)動(dòng)的靈活度，管的底部是自由的，在支承它們的海底上形成彎曲。
這種混合式塔的優(yōu)點(diǎn)在于，自由度使FPSO可從其正常位置上移開(kāi)，同時(shí)在塔中并在管的那些呈懸置的垂曲線的部分中引起微小的應(yīng)力。不管是在海底處或在表面處。FPSO一般借助連接于放在海底上的錨系的多條錨線來(lái)錨定。這種錨系會(huì)引起將FPSO保持在中和位置上的返回力。這種底部至表面連接引起附加的豎直和水平力，這些力具有使FPSO的軸向相對(duì)于所述中和位置偏置的作用。在沒(méi)有水流、風(fēng)和浪濤時(shí)，以及當(dāng)海潮處于平均水平時(shí)，F(xiàn)PSO的位置相應(yīng)于“基準(zhǔn)位置”P(pán)o。在環(huán)境條件對(duì)FPSO外殼及構(gòu)成升管的各構(gòu)件的綜合作用下，F(xiàn)PSO將與作用于系統(tǒng)上所有力的合力區(qū)域比地移開(kāi)上述基準(zhǔn)位置。
因此，對(duì)于作用在FPSO外殼上使其移離塔的軸線的力來(lái)說(shuō)，觀察到下述作用首先，垂曲線被拉伸，它相對(duì)于它在FPSO的連接點(diǎn)上的豎直方向的角度增加，從而增加了在FPSO上的豎直和水平力；第二，由于所述水平力引起的塔的傾角也增加。
為盡量減小FPSO偏移的影響，一般的作法是增加錨系的剛度，并在底部至表面連接中提供撓性。為此目的，與垂曲線相關(guān)的塔的結(jié)構(gòu)具有吸收FPSO偏移的大的能力，同時(shí)盡量減小塔的運(yùn)動(dòng)和垂曲線的變形。
為阻尼FPSO的運(yùn)動(dòng)，最好增加將其連接于塔頂?shù)墓艿那省?jù)信，撓性管很適于形成FPSO和塔頂?shù)倪B接。在FR2507672所述的“混合式塔”的現(xiàn)有實(shí)施例中，以及在例如US4391332和EP0802302中所述的其它結(jié)構(gòu)中，采用了壓入式撓性管，即，采用了在再次升起之前，在浮子下延伸相當(dāng)深度的管。這是可能的，因?yàn)閾闲怨苌踔猎谄淝适蛊淝拾霃絻H為幾米時(shí)也能耐受疲勞。
但是，撓性管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，并且其成本很高，這就是現(xiàn)有混合式塔的實(shí)施例一直尋求將塔升高至盡可能靠近表面處，同時(shí)又避免表面處的紊流區(qū)，即，使塔頂處于一般不超過(guò)200米，且最好在大約50米的深度上的原因。這樣就可以使用長(zhǎng)度短的撓性管，從而降低成本，總之，這樣就可以保證撓性管和塔頂之間的連接更易于被潛水者接近。
這樣的混合式塔的或這樣的垂曲線升管的所有構(gòu)件，其尺寸必須能夠承受在極端的海洋條件下的浪濤、水流和表面船舶的運(yùn)動(dòng)，從而需要能夠承受高水平應(yīng)力，并且能夠在其整個(gè)壽命，通常為20年或20年以上的壽命中承受疲勞現(xiàn)象的相當(dāng)大尺寸的浸入結(jié)構(gòu)。
因此帶來(lái)的問(wèn)題是要能夠制造和安裝大深度例如深于1000米的水下管道的底部至表面連接，這種連接包括一個(gè)豎直的塔，其錨定在海底上，其頂部浮子通過(guò)垂曲線形的管連接于在表面安裝的浮動(dòng)支承體，同時(shí)只要限制在浮子手將其連接于浮動(dòng)支承體上的管上的力，整個(gè)系統(tǒng)能夠承受應(yīng)力及疲勞，同時(shí)又要允許表面支承體的大位移而不要求大型、昂貴的結(jié)構(gòu)，應(yīng)能夠方便地且可逆地設(shè)置在位，從而能夠方便地保養(yǎng)和更換。
解決上述問(wèn)題的一種方案是一種安裝在大深度的水下管道的底部至表面連接系統(tǒng)，該系統(tǒng)首先包括一個(gè)豎直的塔，該塔至少由一個(gè)與一個(gè)錨系配合工作并承載至少一個(gè)豎直升管的浮子構(gòu)成，豎直升管將浮子連接于海底并能夠被連接于設(shè)置在海底上的水下管道，第二還包括至少一根從所述浮子延伸至表面支承體的連接管，按照本發(fā)明，所述連接管是一升管，它的壁是牢固的剛性管，特別是由鋼或復(fù)合材料制成的。
對(duì)于剛性管來(lái)說(shuō)，最小的可接受的曲率半徑是撓性管的最小的可接受的曲率半徑的10至100倍。為了限制疲勞，可以接受的是，鋼制的剛性管的曲率半徑基本應(yīng)該大于大約100米。為了提供撓性，以及為了實(shí)現(xiàn)吸收浮動(dòng)支承體的運(yùn)動(dòng)和塔的運(yùn)動(dòng)的相同的性能，當(dāng)使用剛性管時(shí)垂曲線較小彎曲的情況是通過(guò)增加浮動(dòng)支承體和塔頂處的浮子之間的距離，因而增加剛性管的長(zhǎng)度來(lái)補(bǔ)償?shù)?。但是，剛性管在水中的表觀重量大于撓性管的表觀重量，因而在浮子上的載荷和在塔頂處在浮子上的力增加。這可能導(dǎo)致浮子尺寸過(guò)大，因而導(dǎo)致高的成本。這就是按照本發(fā)明采取下述作法的原因，即，將塔的浮子的頂部安裝在距離水的表面較大距離處，特別是安裝在低于最后溫躍層(其中的“溫躍層”將在下文中定義)的深度上，最好在最后溫躍層下面不少于100米。具體來(lái)說(shuō)，塔的頂部浮子安裝在水表面下至少300米處，推薦安裝在水表面下至少500米處，最好安裝在大于塔被錨定的水的深度的一半的深度上。
通過(guò)以這種方式降低塔的頂部浮子，可以同時(shí)取得以下優(yōu)點(diǎn)-形成FPSO和塔頂之間連接的剛性管的長(zhǎng)度增加，因而形成對(duì)塔及FPSO的運(yùn)動(dòng)的較大的阻尼；-不管系統(tǒng)作為整體移動(dòng)多大，仍符合垂曲線的剛性管的最小可接受曲率半徑；-使成本最低，這是由于對(duì)較矮的塔來(lái)說(shuō)，水下結(jié)構(gòu)較小，因而成本低，并且使其處于張力下所需要的浮子較小，因而成本較低，盡管與長(zhǎng)度增加有關(guān)的水中表觀重量加大，上述情形是確實(shí)的。這是由于垂曲線朝著浮子不上升或上升很少，因而構(gòu)成垂曲線的剛性管的重量基本直接由FPSO來(lái)支承。
盡管如此，將塔保持一定高度，特別是不小于50米，最好不小于100米是有利的。這是由于通過(guò)使塔能夠移動(dòng)而有助于在FPSO運(yùn)動(dòng)的作用下對(duì)系統(tǒng)形成阻尼。
在一個(gè)推薦實(shí)施例中，錨系具有至少一個(gè)豎直的筋、一個(gè)所述筋的底端固定的底部的足部裝置和至少一個(gè)導(dǎo)向器，所述豎直的升管的底端穿過(guò)所述導(dǎo)向器。更具體來(lái)說(shuō)，上述導(dǎo)向器可以在足部裝置上。所述筋最好也具有沿其整個(gè)長(zhǎng)度分布的導(dǎo)向裝置，至少所述豎直的升管穿過(guò)所述導(dǎo)向裝置。
所述足部裝置只可以放置在海底上，在其自重下保持在位，或者它可以借助樁或其它任何適于將其保持在位的裝置將它錨定；浮子通過(guò)位于足部的撓性連接，以及通過(guò)由纜或由金屬棒或?qū)嶋H由管構(gòu)成的軸向連接而連接于所述足部裝置。在本說(shuō)明書(shū)中，軸向連接被稱為“筋(tendon)”。
在一個(gè)推薦實(shí)施例中，所述豎直的升管的頂端通過(guò)至少一個(gè)導(dǎo)向器懸置，所述導(dǎo)向器固定在所述浮子上、設(shè)置在浮子內(nèi)，或在其周邊上，所述豎直的升管的所述頂部通過(guò)所述浮子連接于所述連接管的端部的彎曲部上，所述豎直的升管的底端適于連接在一連接套筒的端部，所述套管同樣被彎曲，并可在一個(gè)高位和一個(gè)低位之間相對(duì)于所述足部裝置運(yùn)動(dòng)，所述套筒從所述足部裝置被懸掛，并與回位裝置配合迫使其在沒(méi)有升管時(shí)驅(qū)向其高位，所述回位裝置可以由一個(gè)配重構(gòu)成。通過(guò)設(shè)置能夠以上述方式移動(dòng)的連接套筒，就可以容許在溫度和壓力影響下升管長(zhǎng)度的變化。
在豎直的升管的頂部，固定在升管上的一個(gè)支座裝置抵靠安裝在浮子頂部上的支承導(dǎo)向器，因而支承整個(gè)升管；該升管則被懸置，其在水中的表觀重量受到浮子的部分浮力的支承。
在一個(gè)具體實(shí)施例中，沿筋的全長(zhǎng)分布的、所述豎直的升管穿過(guò)的每個(gè)所述的導(dǎo)向裝置包括一個(gè)最好設(shè)置在圓錐形漏斗下面的圓筒形腔，該圓筒形腔的內(nèi)徑大于豎直的升管的直徑，每個(gè)所述導(dǎo)向裝置具有一個(gè)固定在其圓筒形腔內(nèi)壁上的撓性膜，因而形成在所述膜和所述內(nèi)壁之間的袋，所述袋可以注入流體，最好是很高粘度的流體，以便抵靠在升管上。
摩擦蹄塊最好與所述膜配合工作，以便當(dāng)所述袋注入流體時(shí)抵靠在升管上。因此，所述蹄塊使升管在溫度和壓力下改變其長(zhǎng)度時(shí)可以滑動(dòng)。
本發(fā)明的目的也是通過(guò)一種連接方法實(shí)現(xiàn)的，如上所述，該方法首先利用一個(gè)豎直的塔，該塔由至少一個(gè)浮子構(gòu)成，所述浮子與一錨系配合工作，并承載至少一個(gè)適于向下伸至海底的豎直升管，該方法其次利用至少一個(gè)從所述浮子至一表面支承體的連接管，因而在本發(fā)明中，所述浮子浸入在位于最后溫躍層(“溫躍層”將在下文中定義和解釋)下面的深度上，所述浮子通過(guò)至少一根構(gòu)成所述連接管之一的牢固的剛性升管連接于所述表面支承體。
在本發(fā)明的連接方法的一個(gè)推薦實(shí)施例中-一個(gè)足部裝置在海底放置在位，固定在海底上，筋的底端固定在其上，筋的相對(duì)的頂端固定在所述浮子上，上述組件構(gòu)成所述豎直塔的所述錨系；-所述豎直的升管例如從位于所述浮子豎直上方的浮動(dòng)支承體，通過(guò)導(dǎo)向組件之一逐漸降下，直至其頂端抵靠所述浮子，然后，將其底端連接于預(yù)先安裝在所述足部裝置的連接套筒的頂部。
當(dāng)其下移時(shí)，豎直升管最好連續(xù)地穿過(guò)固定在稱為“筋(tendon)”的軸向連接件上的一系列導(dǎo)向器，從而保證將其保持在位，無(wú)論已經(jīng)安裝在相鄰的導(dǎo)向器中，還是在以后的安裝中都基本平行于所述筋及其它豎直升管。
在一個(gè)特定的實(shí)施例中，所述浮子安裝得浸在一個(gè)大于錨定本發(fā)明的塔的水的深度的一半的深度上，因此，可以在安裝前組裝整個(gè)的豎直升管，并相應(yīng)于浮子將其送至導(dǎo)向器豎直上方的一個(gè)位置，以便穿過(guò)導(dǎo)向器降下。
這樣就形成一種用于安裝在大深度上的水下管道的新穎的底部至表面的連接方法，解決了存在的問(wèn)題。
對(duì)世界各海洋中水流的研究表明，從表面直至海底存在各個(gè)層。因此，在超過(guò)500米至1000米的深度上，在大西洋型構(gòu)造中，如

圖1所示，觀察到以下情況
-在表面19下面至大約50米存在表面層181，在該表面層中水流是局部的，主要是由風(fēng)和潮汐現(xiàn)象引起的。在這個(gè)區(qū)域中，在該層的深度上，水流大、基本上是均勻的，其速度高達(dá)2．5每秒米(m／s)，背離西非洲；-稱為“溫躍層”的過(guò)渡層291可以有各種厚度，但是，它總是小厚度(3米至10米)的。在該過(guò)渡層291中，水流快速下降以匹配中間層的速度；-中間層182中水流在0．5m／s至1／ms的范圍內(nèi)。該中間層從大約-55米至大約-150米，水流主要是氣候現(xiàn)象引起的熱流；-一個(gè)第二過(guò)渡層292或稱“溫躍層”它也有各種厚度，但是是小厚度(≈10米)的。在該過(guò)渡層中，水流下降迅速以匹配底層的水流；-在底層183中水流小，一般不超過(guò)0．5m／s。這種水流主要是由于水的洲際流動(dòng)引起的。該層開(kāi)始于-150米至170米，它繼續(xù)直至海底12，即，向下至1000米至3000米，這取決于位置。
在某些海洋中，溫躍層29可以在上部觀察到，但是一般來(lái)說(shuō)，底層183開(kāi)始于-170米至-200米。
因此，由于按照本發(fā)明的塔及其浮子，如下所述，位于底部的溫躍層292下面，它們應(yīng)處在水層183中，這樣可引起水流造成的最小應(yīng)力。另外，浮子受到保護(hù)免受浪濤影響，浪濤的作用隨深度迅速下降，常見(jiàn)的作法是當(dāng)深度超過(guò)120米至150米時(shí)即將其忽略。因此，塔承受的力顯著減小，由于是因洲際深水流引起的，因而在整個(gè)其深度上基本是均勻的。
因此，由塔及相關(guān)的SCR構(gòu)成的本發(fā)明的系統(tǒng)可提供響應(yīng)于環(huán)境條件，普通條件或極端條件如每年一遇條件、10年一遇條件及百年一遇條件的好得多的性能。力和應(yīng)力非常顯著的減小，各種關(guān)鍵構(gòu)件的疲勞性能顯著提高，因而在油田整個(gè)壽命中可提供更好的服務(wù)。
因此，浮子處于相當(dāng)大的深度，它可以通過(guò)至少一個(gè)SCR而不是象目前的作法那樣通過(guò)撓性連接件而連接于FPSO。SCR連接簡(jiǎn)單，另外，SCRs、豎直升管和放置在海底上的管道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以是相同的，因而可以簡(jiǎn)化清洗刮板的通過(guò)。當(dāng)有固體沉積如石蠟或水合物時(shí)，這種清洗刮板的經(jīng)常通過(guò)是很重要的，必須反復(fù)地及有力地進(jìn)行而不損壞升管和管道的內(nèi)表面。
浮子一般安裝在總水深的大約一米處，但是也可以安裝得高些或低些，以便利用下述特定的情形。無(wú)論如何浮子不能位于靠近上述最后溫躍層，而總是安裝在較大一些的深度上，例如在溫躍層下面100米處，以便保證它不致于承受溫躍層產(chǎn)生的擾動(dòng)，也不致于承受在頂層中，在顯著改變的海洋運(yùn)動(dòng)的水流中發(fā)生行量范圍的擾動(dòng)時(shí)存在的水流。
SCR通過(guò)撓性接頭連接于在浮子頂部的豎直升管，使塔的軸線和垂曲線之間在所述撓性接頭處的角度較大地變化而不致在SCR上或浮子頂部上作用顯著的應(yīng)力。撓性接頭可以是帶有密封墊圈的球窩式接頭，也可以是彈性體板和金屬板粘合夾層制成的、能夠通過(guò)彈性體變形吸收大角度運(yùn)動(dòng)量的分層球體，這種分層球體還可保持完全的防漏作用，這是由于不存任何摩擦表面的緣故，或者它也可以是一短段的撓性管，也可提供相同的作用。
本發(fā)明的系統(tǒng)最好裝有在撓性接頭處的自動(dòng)連接器，可在塔和撓性接頭之間，也可在撓性接頭和FPSO之間。因此，這種SCR可以按下述方式安裝，即，完全自動(dòng)的方式而不需使用潛水員。安裝程序包括安裝塔、然后以豎直位置運(yùn)輸未來(lái)的SCR，并將其以最終的位置固定在FPSO的側(cè)面上。然后借助遙控操作運(yùn)載工具(ROV)操縱一條連接于未來(lái)的SCR的底端的纜，以便帶至塔的頂部，以及連接于固定在浮子上的牽引裝置并由ROV控制，ROV則提供必須的動(dòng)力，同時(shí)也借助攝象機(jī)監(jiān)視操作，攝象機(jī)的信號(hào)傳至表面，供位于浮動(dòng)維修船上的操作者使用。然后，所述纜被牽入，裝有自動(dòng)連接器的陽(yáng)端件的SCR的端部被帶至同一自動(dòng)連接器的陰端件。在趨近階段結(jié)束時(shí)，組件被鎖定在一起，牽引裝置被松釋，以便能夠被用于安裝下一線路。自動(dòng)連接器的原理是液壓和氣動(dòng)專業(yè)技術(shù)人員公知的，因而本說(shuō)明書(shū)中不再贅述。
這種安裝方法的優(yōu)點(diǎn)在于自動(dòng)連接器設(shè)計(jì)得能夠被脫開(kāi)連接，因而是完全可逆的。因此，在工作中可作用在單一的SCR上，其目的是脫開(kāi)連接并加以更換而不會(huì)干擾其余的生產(chǎn)，因而無(wú)需停止在相鄰升管和SCRs上的生產(chǎn)。
同樣，塔和升管最好采用下述順序安裝。
-將足部裝置放置就位，并固定在海底上；-安裝設(shè)有導(dǎo)向器和頂部浮子的筋；-以豎直位置運(yùn)輸組裝好的豎直的升管，以便處于在浮子中的它的導(dǎo)向器的豎直上方；-豎直的升管穿過(guò)其導(dǎo)向器逐漸被降下，降下的操作從表面加以監(jiān)視；-在降下結(jié)束時(shí)，升管的頭部放置在浮子的頂部，升管頭部包括一個(gè)彎部，以及例如所述撓性接頭，該接頭上具有固定在其上的上述自動(dòng)連接器的陰部；-豎直的升管的底端也最好裝有自動(dòng)連接器，最好設(shè)有自動(dòng)連接器的陽(yáng)部，這是由于它較小，所述組件可以連接于水下管道的端部，所述水下管道將塔的根部連接于一個(gè)井口，所述端部裝有所述自動(dòng)連接器的陰部。
以上述方式安裝豎直的升管的優(yōu)點(diǎn)在于，在所述升管的根部自動(dòng)連接器同樣設(shè)計(jì)成可被斷開(kāi)連接的，因而完全是可逆的。因此，在工作中可作用在單一的升管上，以便拆卸和更換而不干擾其余的生產(chǎn)，因而無(wú)需停止相鄰升管和SCRs中的生產(chǎn)。
由于浮子安裝在比總水深度的一半大的深度上，因而完全裝好的升管能夠以豎直的位置運(yùn)輸并通過(guò)浮子降下。如果浮子比水的深度的一半還高，那么，用于安裝升管的船舶應(yīng)該定位在浮子的豎直上方，升管的各構(gòu)件應(yīng)該在其底端穿過(guò)浮子和沿筋安裝的各導(dǎo)向器下降時(shí)彼此組裝起來(lái)，這種組裝例如借助焊接、粘合劑或通過(guò)機(jī)械組裝如螺紋連接、螺栓凸緣或卷邊進(jìn)行。在系統(tǒng)的推薦形式中，一般長(zhǎng)度的預(yù)先組裝的升管以豎直位置從遠(yuǎn)離塔的組裝地點(diǎn)運(yùn)輸，所述長(zhǎng)度短于留在表面和塔頂之間的水深度。按照這種方式，維修船舶可占據(jù)浮子豎直上方的位置，預(yù)先組裝且在底端裝有自動(dòng)連接器的陽(yáng)部的一段升管，準(zhǔn)備向著并穿過(guò)浮子并穿過(guò)沿筋安裝的各導(dǎo)向器降下。在其下移時(shí)，如上所述組裝升管的缺少的頂端部分。
上述操作方法縮短維修船舶在塔附近停留的時(shí)間，因而減少事故的危險(xiǎn)。因此，為了能夠在以后的日期采取行動(dòng)并以簡(jiǎn)單的方式拆除升管，最好采用適于快速、無(wú)破壞的拆卸的組裝方法，例如螺紋連接，從而使升管可以從其支承件取出，使其可以通過(guò)旋下頂部的接續(xù)各段而被拆卸，但是，只拆卸足夠的數(shù)目，以便從浮子的頂部松釋升管的底部，其后，維修船舶可連同從其懸掛的升管的其余部分改變位置，在結(jié)束保養(yǎng)操作前駛向遠(yuǎn)離敏感的(sensitive)設(shè)備的位置。
為了減少維修船舶在塔豎直上方的存在，最好將浮子安裝在大于總水深度一米的深度上，從而可使維修船舶裝、卸整個(gè)升管而無(wú)需裝、拆任何其構(gòu)件，從而進(jìn)一步減小在塔及敏感設(shè)備附近發(fā)生事故的危險(xiǎn)。
通過(guò)閱讀對(duì)照以下附圖進(jìn)行的描述式的、非限定性的說(shuō)明可以更好地理解本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)。
圖1是如前所述大西洋式構(gòu)造中整個(gè)水深度的示意圖，以每秒米(m／s)表示的水流值是沿橫坐標(biāo)給出的，各層的大致深度和相應(yīng)的熱時(shí)間(thermal times)是沿縱坐標(biāo)給出的；圖2是在1500米深度油田開(kāi)發(fā)的立體圖，表示在表面的FPSO，回收油溢出物的中央塔和用于注水的兩個(gè)側(cè)塔；圖3是通過(guò)浮子的剖視圖以及中央筋和兩根升管的側(cè)視圖；圖4是塔的足部裝置的側(cè)視圖，它包括兩個(gè)升管、中央筋和用來(lái)連接于水下管道的兩個(gè)套筒；圖5是具有單一升管的塔的足部裝置的側(cè)視圖；圖6的示意圖表示在深度為2000米的水中的、角塔錨定的、以及連接于處于1000米深度的本發(fā)明的塔的FPSO的靜態(tài)計(jì)算；圖7是兩條曲線的曲線圖，這兩條曲線表示作為深度為2000米的水中的浮子深度的函數(shù)、以及對(duì)于8％的移動(dòng)來(lái)說(shuō)的水平張力及錨定足部裝置和FPSO浮子之間的水平距離的變化；圖8是兩條曲線的曲線圖，這兩條曲線表示作為深度為2000米的水中的浮子深度的函數(shù)、以及對(duì)于FPSO和浮體間的距離為950米的情況來(lái)說(shuō)的FPSO的移動(dòng)及水平張力的變化；圖9是圖3所示升管導(dǎo)向器之一的側(cè)剖圖；圖10是沿圖9中A-A線的剖視圖。
在這些附圖中，除非另有說(shuō)明，相同或相似的零件使用相同的標(biāo)記。
圖2表示一個(gè)FPSO1，其借助錨系(未畫(huà)出)在水18下1500米的深度上錨定在油田上，例如，包括在左舷側(cè)的一個(gè)支承系統(tǒng)2，其用于支承石油溢出物的SCR管和注水管4。石油溢出物SCRs通過(guò)浮子5的頂部連接于從表面19位于-800米處的一個(gè)塔，所述浮子5具有四個(gè)穿過(guò)位置，只占用其中的兩個(gè)。所述浮子借助筋6連接于海底上的足部裝置8，所述筋有多個(gè)導(dǎo)向器7固定在其上，升管9穿過(guò)導(dǎo)向器安裝，所述升管在足部裝置處連接于連接套筒111，連接套筒本身則通過(guò)中間連接塊13連接于水下管道10；其它的連接套筒112用于安裝相應(yīng)的豎直升管。
兩個(gè)相同的注水塔分別由浮子14構(gòu)成，浮子14安裝在從表面-1000米處，并借助一升管15連接于一足部裝置16，升管15也具有筋的功能。一連接套筒17提供了升管底部和中間連接塊13之間的連接。
位于從表面-800米處的石油溢出物塔的浮子例如位于從垂曲線形SCR連接的FPSO的側(cè)面垂直向下的一個(gè)點(diǎn)側(cè)向距離大約500米處，所述垂曲線水平地到達(dá)浮子，這樣顯著地便于水面船舶進(jìn)行安裝和保養(yǎng)操作而不致干擾FPSO的日常運(yùn)營(yíng)操作。另外，所述水面船舶可以占據(jù)塔的垂直上方的工位，并且可以調(diào)動(dòng)而并不引起碰撞所述FPSO的永久錨線的危險(xiǎn)。由于注水塔的浮子14處于表面下-1000米處，即，處于比上述塔較大的深度，它處于離FPSO側(cè)面550米處。
圖3是多升管塔的浮子5的剖視圖及各有關(guān)構(gòu)件的側(cè)視圖。例如，所述浮子5是由填有人造泡沫的浮筒構(gòu)成的，并且通過(guò)一個(gè)連接裝置14連接于中央筋6，所述連接裝置在其底端具有一個(gè)可變的慣性件21，其用于在筋和浮子之間傳遞應(yīng)力。浮子具有中空的豎直導(dǎo)向器22，其與導(dǎo)向器7的導(dǎo)向裝置23對(duì)準(zhǔn)，導(dǎo)向器7沿筋6以(可選擇的一定)間距安裝，并借助緊固裝置24固定在筋上。導(dǎo)向器22可以在浮子內(nèi)為整體的，或者也可以安裝在其周邊上，或者確定處于其中央部分上。導(dǎo)向器接受豎直的升管9，在圖中左側(cè)，升管9完全裝好，并連接于SCR3，在圖的右側(cè)則剛開(kāi)始升管9的自動(dòng)連接器的陽(yáng)端部25的插入。
所述自動(dòng)連接器端部25連接于穿過(guò)導(dǎo)向器22，23向下至塔的足部裝置8的引線纜26，在所述足部處裝有返回滑輪27。足部裝置8和圖4中所示的滑輪27在圖3中用纜的虛線返回線28表示。纜26升至表面至維修船舶，在那里由恒定張力絞盤(pán)保在張力下。因此，維修船舶位于升管9完全裝好的塔的垂向上方，這是由于在本實(shí)施例中浮子5的-800米的深度大于升管9的700米的長(zhǎng)度。一個(gè)ROV將引線纜26固定在自動(dòng)連接器25的端部，在包括足部裝置8、筋6和浮子5的組件就位之前，引線纜已預(yù)先安裝。另一端被帶至表面，以便連接于恒定張力的絞盤(pán)(未畫(huà)出)。降下升管91的操作是通過(guò)在纜26中保持張力進(jìn)行的，然后，所述張力使自動(dòng)連接器的端部25接續(xù)地穿過(guò)每個(gè)導(dǎo)向器231。在纜26中進(jìn)行上述操作所需要的張力隨著塔的傾角的增加而增加。在塔上安裝第一升管期間，塔將處于基本豎直的位置。在相應(yīng)的SCR已連接于FPSO之后，SCR將在塔上施加水平力，因而使塔向著FPSO相對(duì)于豎直方向傾斜。當(dāng)接續(xù)的升管安裝時(shí)，上述角度增加，在纜26中的需要的張力成比例地增加。
圖3中的左側(cè)表示安裝在其導(dǎo)向器22中的升管92，其端部30放置在導(dǎo)向器22的端部上，構(gòu)成自動(dòng)連接器的陰部，所述連接器的陽(yáng)部31插入所述陰部，所述陽(yáng)部連接于一個(gè)彎部32，該彎部本身連接于撓性接頭33，該接頭連接于SCR3的端部。
由于SCR的長(zhǎng)度短于水的深度，且SCR被維修船舶裝置遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)，然后被輸送向下吊至它被轉(zhuǎn)送到的，其頂端所連接的FPSO。其底部裝配有撓性接頭33、彎部32和自動(dòng)接頭的陽(yáng)部31，該底部連接于一根纜，纜的另一端由ROV轉(zhuǎn)送至牽引裝置(未畫(huà)出)，該牽引裝置固定于浮子，并且例如由ROV或通過(guò)ROV提供的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。當(dāng)所述纜從浮子被牽引時(shí)，管呈垂曲線形狀，當(dāng)所述陽(yáng)部31接近相應(yīng)的陰部30時(shí)，借助液壓和氣動(dòng)連接器領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的裝置(未畫(huà)出)使兩部分連接起來(lái)。當(dāng)SCR3就位之后，支座34被安裝在浮子上以抵靠彎部32上的環(huán)套35，從而接受SCR產(chǎn)生的水平力，并防止組件，特別是彎部繞升管9的軸線36轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖4是多升管塔的足部裝置8的側(cè)視圖，它是由壓載底板40構(gòu)成，該底板放置在海底12上，支承著一個(gè)金屬結(jié)構(gòu)，該金屬結(jié)構(gòu)具有導(dǎo)向器31，以及一個(gè)中央撓性接頭42，其適于接納筋6的底端。圖中有兩個(gè)升管9，在圖的左側(cè)升管91通過(guò)自動(dòng)連接器的陽(yáng)部251連接于所述連接器的陰部441，其固定在引至水下管道(未畫(huà)出)的連接套筒111上。如果承受溫度變化，升管9可以膨脹，穿過(guò)沿塔分布的各導(dǎo)向器7滑動(dòng)。在底部，底端的運(yùn)動(dòng)在極端變化下可這幾米，因此，與其套筒111配合工作的升管91在固定于足部裝置8的結(jié)構(gòu)上的導(dǎo)向器411和491中豎直方向自由移動(dòng)。
由配重481和經(jīng)過(guò)固定在足部裝置8的結(jié)構(gòu)上的滑輪451的纜461構(gòu)成的配重系統(tǒng)通過(guò)連接點(diǎn)471連接于套筒111上的加固部501。配重的尺寸使得在沒(méi)有升管91時(shí)套筒保持在高位，加固部501通過(guò)導(dǎo)向器491抵接足部裝置8的結(jié)構(gòu)。在圖的右側(cè)詳示了上述高位，在該高位上，升管92在自動(dòng)連接器陽(yáng)部252穿過(guò)最后的導(dǎo)向器412之后處于降下的過(guò)程中。從表面保持張力、用于牽引穿過(guò)各導(dǎo)向器的升管的端部的纜26已通過(guò)ROV脫開(kāi)連接。然后，升管92被向下移動(dòng)，直至陽(yáng)部252接納在陰部442中。在這種接合過(guò)程中，由于配重482的尺寸可支承至少套筒自重加上接合階段所需的垂向力，因而套筒112仍處于其高位。在發(fā)生接合以后，升管9可以向下移動(dòng)，直至其頂部抵靠在浮子上，套筒11則處于其低位上，配重被相應(yīng)提起。
因此，在未來(lái)折卸升管92所需的工作中，ROV將使自動(dòng)連接器解鎖，在拔取升管的過(guò)程中，由于配重482的作用，套筒將返回其高位。升管92在修復(fù)后將按照初始安裝的相同方式再次安裝，這是由于本發(fā)明的系統(tǒng)的裝置完全是可逆的。
圖9表示升管9的導(dǎo)向裝置7的細(xì)節(jié)，所述導(dǎo)向裝置通過(guò)緊固件24固定在筋6(未畫(huà)出)上。導(dǎo)向裝置7由圓錐形漏斗7b下面的圓筒形管7a構(gòu)成，當(dāng)使升管就位時(shí)引導(dǎo)自動(dòng)連接器(未畫(huà)出)的陽(yáng)部。由于所述連接器的直徑大于升管9的直徑，因而導(dǎo)向器的直徑必須顯著大于升管9的直徑。為了限制和阻尼工作中升管的側(cè)向移動(dòng)，導(dǎo)向裝置有利地設(shè)有一個(gè)可調(diào)直徑裝置，使圓筒形管7a的內(nèi)徑可被調(diào)節(jié)。在升管的裝、卸過(guò)程中，上述裝置完全縮回，使圓筒形管7a具有最大直徑，而當(dāng)升管處于工作結(jié)構(gòu)時(shí)，上述裝置擴(kuò)張。
上述可調(diào)裝置是由通過(guò)上、下卷邊環(huán)61固定在圓筒形導(dǎo)向裝置7上的撓性膜60構(gòu)成的，因而形成能夠通過(guò)設(shè)有隔離閥64的孔63接收流體的密封袋。多個(gè)蹄塊65a-65b，例如6個(gè)或8個(gè)蹄塊固定在膜60上，當(dāng)上述袋完全充滿時(shí)抵靠升管9。在圖9和圖10中，圖左側(cè)表示處于縮回位置的與蹄塊65b配合工作的膜60，而圖右側(cè)表示在有效位置上，即，與升管接觸時(shí)的與蹄塊65a配合工作的膜。袋62與膜66形成外腔連通，膜66本身由兩個(gè)箍67密封，一個(gè)孔68使兩個(gè)腔彼此連通。因此，當(dāng)通過(guò)閥64抽出流體泄空袋62的內(nèi)容物時(shí)，兩個(gè)腔60和66壓靠圓筒形導(dǎo)向器7a，多個(gè)蹄塊65完全縮回，因而留出一個(gè)最大尺寸的通道。當(dāng)升管就位時(shí)，注入的流體通過(guò)閥64注入，直至外部膜被壓力膨脹。然后，所述閥被封閉，形成定心作用，只通過(guò)注入附加量的流體可以調(diào)節(jié)力，以便進(jìn)一步使外部膜膨脹，所述膜用作一個(gè)壓力容器，即，形成壓力源。通過(guò)采用具有很高粘度的流體如一種可選擇地注入的粘油脂，組件可以用作吸收能量的阻尼器，從而在承受水流作用時(shí)可避免出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。膨脹、放泄或調(diào)節(jié)壓力的階段是使用操縱臂和在維修用的ROVs上的泵來(lái)進(jìn)行的。輸出膜66用作一種可看到的指示器，因而無(wú)需附加的裝置只通過(guò)ROVs上設(shè)有的攝象機(jī)檢查就可以觀察到上述阻尼器的引導(dǎo)狀態(tài)。
圖5是單升管塔的底部的側(cè)視圖，該塔的底部由一個(gè)足部裝置16構(gòu)成，該足部裝置放置在海底上，支承一個(gè)彎曲的連接套筒17，該套筒在其端部裝有一個(gè)撓性接頭37，該接頭則連接于一個(gè)自動(dòng)連接器的陰部38。升管15的底部裝配于同一自動(dòng)連接器的陽(yáng)部39。在本發(fā)明的系統(tǒng)的這個(gè)實(shí)施例中，升管15也用作筋，自動(dòng)連接器38-39連同撓性接頭37的尺寸使得能夠接受壓力下流體產(chǎn)生的張力加上浮子14及圍繞包括SCR4和塔的組件的條件所產(chǎn)生的張力。
圖6的示意圖表示對(duì)于深度為2000米的設(shè)有位于1000米深度的本發(fā)明的塔的浮子的油田來(lái)說(shuō)，角塔錨定的FPSO的兩個(gè)位置，是采用靜態(tài)計(jì)算的結(jié)果而獲得的，即忽略了動(dòng)態(tài)作用。SCR3的，以及用作筋的單一豎直的升管9的表觀線性重量，兩者都假定注滿石油，取值為97．96Kg／m，在浮子5上的凈浮力取為180公噸(浮子的浮力減去浮子5、筋和豎直升管9在水中的表觀重量)。SCR3和豎直升管9是用相同材料制成的；具有相同的結(jié)構(gòu)，例如，直徑為10．25英寸(”)，厚度為1”，縱向剛度假定為無(wú)限大，并且具有一定的隔絕。海水的密度認(rèn)為是1033Kg／m3。
FPSO1的平均位置為P0，計(jì)算的結(jié)果得出遠(yuǎn)位P1和近位P2的特征，其對(duì)應(yīng)于2000米的水深的8％的最大移動(dòng)，浮子5位于的深度等于水的總深度的大約一半，浮子借助長(zhǎng)度為1014米的升管9連接于底部12。
在遠(yuǎn)位P1上，SCR3的最小曲率半徑為506米，對(duì)于157噸的張力來(lái)說(shuō)，頂角α1為19°，對(duì)于51噸的水平張力來(lái)說(shuō)，底角β1為15°；對(duì)于浸在1019米的浮子5來(lái)說(shuō)，SCR3的展開(kāi)長(zhǎng)度為1322米；在張力下的升管9的頂角r1為15°；FPSO1至升管的足部裝置8的水平距離為1027米。
對(duì)于近位P2來(lái)說(shuō)，SCR3的最小曲率半徑為300米，對(duì)于133噸的張力來(lái)說(shuō)，頂角α2為13°；對(duì)于30噸的水平張力來(lái)說(shuō)，底角β2為-10°，SCR 3的展開(kāi)長(zhǎng)度當(dāng)然與上述位置相同，即，1322米，浮子5浸在1000米深度；在張力下的升管9的頂角r2為9．6°，當(dāng)至平均位置P0的距離為L(zhǎng)=947米時(shí)，從FPSO1至足部裝置8的水平距離為868米。
在對(duì)照?qǐng)D6詳述的假定的基礎(chǔ)上，圖7表示水平張力和足焙裝置8和FPSO1之間的距離L作為浮子5的深度的函數(shù)變化的情況。因此可以看出，對(duì)于浮子5的深度增加來(lái)說(shuō)，水平張力減小，在-1400米處最小。另外，對(duì)于-1000米至-1800米的深度范圍來(lái)說(shuō)，張力處于52噸至53噸的范圍，因而基本上是恒定的。同樣，至FPSO1的距離L在-1400米處具有最大值，對(duì)于-1000米至-1800米范圍的深度來(lái)說(shuō)，基本保持在950米至960米的基本恒定不變。因此，如果兩個(gè)塔基本與FPSO相同距離地安裝，而浮子位于顯著不同的深度上，那么，它們的性形將是類似的，但是，顯著不同的SCRs將不會(huì)有相互干擾的任何危險(xiǎn)。
在對(duì)照?qǐng)D6所述的假定的基礎(chǔ)上，圖8表示作為浮子5的深度的函數(shù)，以及對(duì)于FPSO1和足部裝置8之間的距離為950米(位置P0)的情況來(lái)說(shuō)，F(xiàn)PSO的偏移及水平張力的變化。計(jì)算是以相應(yīng)于1000米的浮子深度的8％的偏移為基礎(chǔ)的。當(dāng)設(shè)計(jì)油田時(shí)，常見(jiàn)的作法是考慮，最大偏移并不確實(shí)相應(yīng)于水深度的8％，對(duì)于深度為2000米的水來(lái)說(shuō)，其相應(yīng)于160米。因此可以看出，對(duì)于浮子5的深度減小來(lái)說(shuō)，最大偏移和水平張力傾向于增加，而對(duì)于上述深度增加來(lái)說(shuō)，偏移仍穩(wěn)定在8％左右，張力仍穩(wěn)定在50噸左右。因此，似乎對(duì)于超過(guò)1000米的深度來(lái)說(shuō)，最大偏移和張力保持穩(wěn)定和靜態(tài)。因此，這構(gòu)成系統(tǒng)的不變量，該不變量對(duì)于承受動(dòng)態(tài)作用的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)具有穩(wěn)定作用。
因此，在本發(fā)明中，將浮子5設(shè)置在大于水的深度一半的深度上，這具有穩(wěn)定系統(tǒng)的顯著優(yōu)點(diǎn)，因而具有在油田的壽命中關(guān)于系統(tǒng)的疲勞性能的顯著優(yōu)點(diǎn)。
因此，為了開(kāi)發(fā)需要大量塔的油田，似乎通過(guò)將在底部中的浮子設(shè)置在水深一半處的方式可以獲得關(guān)于浮子定位的大幅度，從而引起水平力和塔與FPSO距離的小的變化。這樣就可以在三維上定位大量的塔和SCR的組件，同時(shí)避免浮子間的干涉和SCRs間的干涉，從而在油田壽命期間增加安全度及提高安裝性能。
在對(duì)本發(fā)明的系統(tǒng)的全部描述中，自動(dòng)連接器的陽(yáng)部和陰部一直描述為處于一個(gè)既定的位置，但是，它們也可以顛倒設(shè)置而并不改變本發(fā)明的性質(zhì)。同樣，自動(dòng)連接器的位置和鄰近的撓性接頭可以互換而并不改變本發(fā)明的性質(zhì)。
一般來(lái)說(shuō)，塔增加FPSO繞其平均位置偏移的能力，同時(shí)一個(gè)大尺寸的SCR則改善系的阻尼性能、直線型的、恒定彎曲剛度的管所呈現(xiàn)的垂曲線所代表的數(shù)學(xué)曲線，其從FPSO開(kāi)始至浮子的曲率是恒定變化的，該曲率在FPSO處具有最小值(最大曲率半徑)，然后向著浮子處的最大值(最小曲率半徑)增加。承受環(huán)境條件的FPSO將其運(yùn)動(dòng)傳遞至由SCR(s)和塔組成的組件。SCR的激發(fā)將導(dǎo)致所述SCR的整體運(yùn)動(dòng)，引起曲率半徑的局部變化，這將產(chǎn)生橫向移動(dòng)，具有吸收部分能量的效果。因此，大尺寸的SCRs在其全長(zhǎng)上吸收最大量的能量，傳至浮子的激發(fā)能量減至最小。因此，從塔看去，SCR用作一個(gè)過(guò)濾器，其用于濾出FPSO產(chǎn)生的激發(fā)運(yùn)動(dòng)。
然而利于改善小角度變化的偏移性能的塔是一種不佳的阻尼器，另外，它承受紊流現(xiàn)象(漩渦)，這就是本發(fā)明的系統(tǒng)將塔及其浮子安裝在水流穩(wěn)定且漩渦作用小的區(qū)域中的大深度上的原因。
因此，對(duì)于下述油田系統(tǒng)例如設(shè)置在1500米水中且設(shè)有矮的塔，例如位于底部上方100米的塔，一個(gè)具有大約1400米長(zhǎng)度的SCR相對(duì)于FPSO的表現(xiàn)就象一個(gè)傳統(tǒng)的SCR，盡管如此，還可避免現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，以及與接觸點(diǎn)形成污物有關(guān)的和與在該區(qū)域中損壞SCR的危險(xiǎn)有關(guān)的缺陷。
在FPSO上及在塔的浮子上設(shè)置鉸鏈接頭有利于垂曲線的激發(fā)，從而引起能量吸收，因而導(dǎo)致全面阻尼，同時(shí)減小在端部，即，在FPSO和在塔的浮子上力的傳遞，這是由于這兩端無(wú)一是嵌入式的。
當(dāng)需要具有高性能隔絕系統(tǒng)如管中管系統(tǒng)(pipe-in-pipe system)時(shí)，推薦采用高塔。管中管構(gòu)思是由兩根同心管構(gòu)成的，其間設(shè)有隔絕系統(tǒng)。隔絕系統(tǒng)可以是聚氨酯泡沫、合成泡沫或是處于底部壓力例如至絕對(duì)真空范圍中的絕對(duì)壓力上的氣體，其中絕對(duì)真空可提供最好的隔絕性能。在這個(gè)問(wèn)題上，合成泡沫是由微球構(gòu)成的，一般由玻璃構(gòu)成，嵌在環(huán)氧樹(shù)脂或聚氨酯類的耐用材料的基質(zhì)中。這種管中管系統(tǒng)成本高、實(shí)施復(fù)雜，這是由于它一般是由12米或24米長(zhǎng)的構(gòu)件構(gòu)成，并借助焊接或螺紋連接組裝在一起。雖然它特別適于塔的升管，但是，它較難應(yīng)用在SCRs中，在中等深度上，最好采用較為牢固的、但較低性能和成本的隔絕系統(tǒng)，例如，合成泡沫的殼體。因此，對(duì)于高塔來(lái)說(shuō)，采用高成本，但性能高的管中管技術(shù)，但是只是在塔中采用，因而可以取得最大的關(guān)于壽命的保證，這是由于塔位于水的深度的最為平靜的區(qū)域中。在頂部中采用SCRs，與在熱學(xué)方面性能較低但更適于在設(shè)備壽命期間承受環(huán)境條件的隔絕系統(tǒng)配合工作，這樣可顯著降低成本。因此，流體例如以55℃的溫度到達(dá)塔的根部，在沿塔上行時(shí)只降低幾度，例如，4℃至5℃，這主要是由于溢出物當(dāng)其運(yùn)行水深度的例如45％時(shí)，損失了壓力，當(dāng)在其余的水深度，即，55％上在SCR中運(yùn)行時(shí)，將降低更多的度數(shù)，例如，7℃至9℃，這部分是由于絕熱性能較低，部分是由于溢出物損失了壓力的緣故。在所述實(shí)例中，當(dāng)采用兩種具有不同性能水平的絕熱系統(tǒng)時(shí)，流體將總共降低11℃至14℃，這是由于所尋求的目標(biāo)是在關(guān)于壽命和成本的標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上使總體絕熱最佳化。
當(dāng)在升管柱中存在形成氣塞的傾向時(shí)也推薦采用高塔。跟隨氣塞的是可能以很高速度移動(dòng)的液體前鋒，從而以無(wú)常的方式引起水錘式內(nèi)部現(xiàn)象。這種現(xiàn)象沖擊SCR，并影響到FPSO，在流體內(nèi)引起內(nèi)部壓力前鋒。這種在豎直升管中的水錘可能引起在端部的數(shù)噸的力。這些力將在浮子處變明顯，但是由于其總量可達(dá)100噸至200噸，因而在升管系統(tǒng)中這種現(xiàn)象的后果并不顯著。因此認(rèn)為這種水錘的作用，當(dāng)其在豎直塔中出現(xiàn)時(shí)作用是次一級(jí)的，而當(dāng)其在相同高度的SCR中出現(xiàn)時(shí)作用則是第一級(jí)的。
因此，一般來(lái)說(shuō)，在溢出物生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中，特別是在需要絕熱的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中，使用高塔是有利的。
當(dāng)注水時(shí)，這是用很穩(wěn)定的流體流進(jìn)行的，結(jié)果并不引起水錘現(xiàn)象，因而最好安裝矮塔，以便更靠近設(shè)置在海底上的簡(jiǎn)單的SCR的結(jié)構(gòu)，同時(shí)仍可避免現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷。
在這些情形下，中央筋最好由管替代，注水通過(guò)管運(yùn)行。注水升管一般以很小的數(shù)目設(shè)置，它們?cè)诤５淄ㄟ^(guò)多個(gè)分支連接，從這些分支水下管道延伸至注水井。這樣的筋-管發(fā)揮兩種功能，雖然在生產(chǎn)石油溢出物時(shí)這種選擇確實(shí)可能，但是，由于隨后的保養(yǎng)操作需要拆卸整個(gè)的浮子-管-筋組件，因而并不合乎需要。
油田往往是隨著鉆井及井口的安裝在若干年內(nèi)順序開(kāi)發(fā)的。本發(fā)明的系統(tǒng)可以有利地圍繞FPSO安裝多個(gè)相互獨(dú)立的位于不同深度的塔，其優(yōu)點(diǎn)在于，每個(gè)塔的根部在離開(kāi)FPSO不同的水平距離處，F(xiàn)PSO可以較大，增加浮子的深度。這樣的設(shè)置可以在每個(gè)塔根部會(huì)聚大量的水下管道，而不會(huì)與相鄰塔的根部發(fā)生干涉，也不會(huì)與相鄰塔相關(guān)的水下管道發(fā)生干涉。
權(quán)利要求
1．一種用于安裝在大深度上的水下管道的底部至表面連接系統(tǒng)，該系統(tǒng)首先包括一個(gè)豎直的塔，該塔由至少一個(gè)浮子(5，14)構(gòu)成，所述浮子與一錨系(6，8，16)配合工作，且承載至少一個(gè)豎直升管(9，15)，所述升管將所述浮子連接于海底(18)，并能夠被連接于放置在海底上的所述水下管道之一，該系統(tǒng)還包括至少一個(gè)從所述浮子(5，14)至一個(gè)表面支承體(1)的連接管(4，3)，所述系統(tǒng)的特征在于所述連接管(4，3)是升管，升管的壁是牢固的剛性管。
2．如權(quán)利要求1所述的連接系統(tǒng)，其特征在于所述浮子(5，14)安裝在位于最后溫躍層下面的深度上，推薦安裝在大于300米的深度上，最好安裝在大于500米的深度上。
3．如權(quán)利要求2所述的連接系統(tǒng)，其特征在于所述浮子安裝在大于錨定所述塔的水的深度的一半的深度上。
4．如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的連接系統(tǒng)，其特征在于所述錨系包括至少一個(gè)豎直的筋(6)、一個(gè)固定所述筋的底端的底部的足部裝置(8)和至少一個(gè)導(dǎo)向器(41)，所述升管(9)的底端(25)穿過(guò)所述導(dǎo)向器。
5．如權(quán)利要求4所述的連接系統(tǒng)，其特征在于所述豎直的升管(9)的底端(25)適于被連接在一連接套筒彎曲部的端部(41)上，所述連接套筒彎曲部可在一個(gè)高位和一個(gè)低位之間相對(duì)于所述足部裝置移動(dòng)，所述套筒懸置于所述足部裝置，并與在沒(méi)有升管(9)時(shí)將其迫向高位的回位裝置配合工作。
6．如權(quán)利要求4或5所述的系統(tǒng)，其特征在于所述筋(6)具有沿其全長(zhǎng)分布的導(dǎo)向裝置(7)，至少所述豎直的升管(9)穿過(guò)所述導(dǎo)向裝置。
7．如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于所述豎直的升管(9，15)的頂端(30)通過(guò)至少一個(gè)固定在所述浮子(5，14)上的導(dǎo)向器(22)懸置，并通過(guò)其頂部連接于所述連接管(4，3)的彎曲端部(32)上。
8．如權(quán)利要求6或7所述的系統(tǒng)，其特征在于所述導(dǎo)向裝置(7)包括一個(gè)圓筒形腔(7a)，其最好在一個(gè)圓錐形漏斗(7b)下面，所述圓筒形腔(7a)的內(nèi)徑大于豎直的升管(9)的直徑，所述導(dǎo)向裝置包括一個(gè)固定在所述圓筒形腔(7a)的內(nèi)壁上的撓性膜(60)，從而形成一個(gè)在所述膜(60)之間的防漏袋(62)，所述袋可以注入流體，最好是很高粘度的流體，以便壓靠在所述升管上。
9．如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于摩擦蹄塊(65)與所述膜(60)配合工作，當(dāng)所述袋(62)注入流體時(shí)抵靠所述升管(9)。
10．一種用于安裝在大深度上的水下管道的底部至表面連接方法，所述方法首先利用一個(gè)豎直的塔，所述塔由至少一個(gè)浮子(5，14)構(gòu)成，所述浮子與一個(gè)錨系(6，8，16)配合工作，并承載至少一根豎直的適于伸向海底(18)的升管(9)，所述方法其次利用從所述浮子(5，14)延伸至少一個(gè)表面支承體(1)的至少一根連接管(4，3)，所述方法的特征在于所述浮子(5，14)安裝在最后溫躍層(29)下面的深度上。
11．如權(quán)利要求10所述的連接方法，其特征在于所述浮子(5，14)通過(guò)至少一個(gè)構(gòu)成所述連接管(4，3)的牢固的剛性升管連接于所述表面支承體(1)。
12．如權(quán)利要求10或11所述的連接方法，其特征在于-將一個(gè)足部裝置(8)安裝在海底(12)上，并固定在海底(12)上，一個(gè)筋(6)的底端固定在其上，所述筋的頂部另一端固定在所述浮子(5)上，上述組件構(gòu)成所述豎直的塔的所述錨系；以及-從表面(19)并通過(guò)所述浮子(5)的一個(gè)導(dǎo)向組件(22)逐漸降下所述升管(9)，直至其頂端(30)抵靠所述浮子(5)，其底端與預(yù)先裝在所述足部裝置(8)上的連接套筒(11)的頂部連接起來(lái)。
13．如權(quán)利要求10至12中任一項(xiàng)所述的連接方法，其特征在于將所述浮子(5，14)安裝在大于錨定所述塔的水的深度的一半的深度上。
14．如權(quán)利要求12和13所述的連接方法，其特征在于整個(gè)豎直的外管(9)是預(yù)先組裝的，所述升管以豎直的位置運(yùn)至浮子(5)的相應(yīng)的導(dǎo)向器(22)的豎直上方。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于安裝在大深度上的水下管道的底部至表面連接系統(tǒng),該系統(tǒng)首先包括:一個(gè)豎直的塔,該塔由至少一個(gè)與錨系(6,8,16)配合工作且承載至少一個(gè)適于降至海底(18)的浮子(5,14)構(gòu)成,所述系統(tǒng)其次包括至少一個(gè)從所述浮子(5,14)延伸至表面支承體(1)的連接管(4,3)。按照本發(fā)明,所述連接管是升管,其壁由剛性的鋼管構(gòu)成,所述浮子(5,14)安裝在位于最后溫躍層下面的深度上。
文檔編號(hào)E21B17/01GK1294654SQ0080018
公開(kāi)日2001年5月9日 申請(qǐng)日期2000年2月17日 優(yōu)先權(quán)日1999年2月19日
發(fā)明者雷吉斯·皮納提, 格扎維艾·羅謝 申請(qǐng)人:布伊格濱海公司