專(zhuān)利名稱(chēng)：具有多個(gè)浮力室的自立提升機(jī)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及一種應(yīng)用在石油和天然氣開(kāi)采和生產(chǎn)操作中的自立提升機(jī)組件， 尤其涉及不限具體形式的一種自立提升機(jī)系統(tǒng)，其裝備有多個(gè)適用于在各種水深和海洋條 件下開(kāi)采的浮力室。
背景技術(shù)：
自立提升機(jī)(self-standing risers，下文簡(jiǎn)稱(chēng)SSR)用在石油和天然氣工業(yè)中， 用來(lái)懸浮自海底生產(chǎn)單元引出的產(chǎn)品和注射線(xiàn)(injection line)，并支撐著與漂浮的近海 結(jié)構(gòu)相連的支承鋼筋束。已知的SSR可用來(lái)輔助標(biāo)準(zhǔn)的淺水(例如，在0英尺至600英尺 的水域)鉆井單元，并通過(guò)在浮力室頂部設(shè)置井噴防護(hù)器(blow-out preventer)和采油樹(shù) (production tree)來(lái)使生產(chǎn)設(shè)備更具有成本效益。傳統(tǒng)方式的SSR設(shè)計(jì)是采用一個(gè)大的浮力室來(lái)支撐提升機(jī)或者鋼筋束負(fù)重。然 而，這種方式會(huì)引起浮力室在結(jié)構(gòu)和安裝上的成本增加。這些因素已導(dǎo)致SSR系統(tǒng)一直沒(méi) 有顯著的發(fā)展，因?yàn)殚_(kāi)采者關(guān)注一個(gè)廣泛的關(guān)聯(lián)利益。不過(guò)，整體的行業(yè)需要降低石油天 然氣產(chǎn)品的成本、減少鉆井開(kāi)采作業(yè)的時(shí)間延誤，以及增大現(xiàn)有已發(fā)現(xiàn)地區(qū)的開(kāi)發(fā)。因此， 存在一個(gè)長(zhǎng)期需要的卻未被滿(mǎn)足的需求，這個(gè)需求就是需要一個(gè)更小型、更靈活的提升機(jī) 系統(tǒng)能夠更迅速地制造和開(kāi)采，以便在現(xiàn)有的已開(kāi)采的石油天然氣地區(qū)上獲得可盈利的發(fā) 展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種適合于深水石油和天然氣開(kāi)采和生產(chǎn)的自立提升機(jī)系統(tǒng)，所述系 統(tǒng)包括與主井鉆夾具相連的低位提升機(jī)組件、一個(gè)或多個(gè)與所述低位提升機(jī)組件連接的中 間浮力室，并且一個(gè)或者多個(gè)所述中間浮力室與中間提升機(jī)組件的一個(gè)或者多個(gè)局部連 接，其中，一個(gè)或者多個(gè)所述浮力室進(jìn)一步包括底部開(kāi)口底表面部分、與一個(gè)或多個(gè)高位浮 力室連接的高位提升機(jī)組件，其中，一個(gè)或多個(gè)所述高位浮力室進(jìn)一步包括完全封閉部分。本發(fā)明還提供用在室內(nèi)的壓艙物、用于提升機(jī)組件的應(yīng)力接頭、系統(tǒng)開(kāi)采和維護(hù) 的方法和工具、井噴防護(hù)器的方式、井口(wellhead)和采油樹(shù)以及各種系統(tǒng)互連。


參考下列附圖，本領(lǐng)域技術(shù)人員可對(duì)本文所公開(kāi)的實(shí)施例有更好的理解，同時(shí)各個(gè)部件、特征、優(yōu)勢(shì)將更明晰地顯現(xiàn)。圖IA是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的示意性實(shí)施例的示意圖，其顯示的是在平靜的水中具有 底部開(kāi)口浮力室的自立提升機(jī)系統(tǒng)；圖IB是具有底部開(kāi)口浮力室的自立提升機(jī)系統(tǒng)的示意圖，此時(shí)浮力室靠近泄漏點(diǎn)。圖IC是具有底部開(kāi)口浮力室的自立提升機(jī)系統(tǒng)的示意圖，此時(shí)浮力室已傾斜到泄漏點(diǎn)之外；圖2是描述底部封閉浮力室上的壓力、溫度和深度對(duì)其的影響的示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的示意性實(shí)施例的示意圖，顯示的是具有多個(gè)浮力室的自立提 升機(jī)系統(tǒng)；圖4是根據(jù)本發(fā)明的示意性實(shí)施例的示意圖，其描述具有多個(gè)浮力室的自立提升 機(jī)系統(tǒng)的安裝過(guò)程。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)有的適用于石油和天然氣開(kāi)采和生產(chǎn)的潛水浮力室有兩種類(lèi)型，一種是封閉式 容器設(shè)計(jì)，另一種是底部開(kāi)口式設(shè)計(jì)。兩種類(lèi)型的浮力室，如果被提升機(jī)加壓和固定，會(huì)對(duì) 提升機(jī)施加一個(gè)向上的提升力。有些具體實(shí)施例也包括能為系統(tǒng)提供可調(diào)節(jié)性的技術(shù)特 征，這樣的特征對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)已知是有多種實(shí)現(xiàn)形式的。封閉式容器設(shè)計(jì)與潛水艇在某些方面類(lèi)似，在容器中具有一個(gè)或多個(gè)典型的用來(lái) 盛放流體的載物室(ballast chamber)，所述流體例如輕型燃?xì)狻⒑Ｋ?。一旦達(dá)到所需的 一定比例的流體，通過(guò)閥門(mén)或者其它本領(lǐng)域公知的工具可將所述載物室封閉。底部開(kāi)口浮力室包括設(shè)計(jì)有多種功能，這些功能與那些封閉式容器設(shè)計(jì)有很多是 相似的。不過(guò)，一旦達(dá)到所需的浮力特征，置于室內(nèi)的流體被室的側(cè)面和頂部限制在內(nèi)。圖IA所示的是與SSR相連的一個(gè)已知的底部開(kāi)口浮力室，所述浮力室內(nèi)填滿(mǎn)流 體，如加壓氣體。由圖可知，平靜的水流、極小的外力以及足夠的浮力共同作用在SSR上，產(chǎn) 生很小的側(cè)向位移力。因此，圖IA所示的浮力室相對(duì)于其垂直軸只有一點(diǎn)甚至沒(méi)有傾斜， 室內(nèi)的流體仍然被封閉在其中。不過(guò)，如果有足夠大的力作用在室上，比如受到如圖IB所示的強(qiáng)水流作用，SSR將 會(huì)開(kāi)始傾斜而偏離其垂直軸。圖IB還顯示出隨著系統(tǒng)傾斜并偏離其垂直軸，室內(nèi)的流體如 何改變。但是，室可以承受一定的傾斜角(傾斜角很大程度上取決于設(shè)計(jì)的尺寸)，直到傾 斜角達(dá)到泄漏點(diǎn)的角度，流體開(kāi)始從室內(nèi)流出。圖IC進(jìn)一步顯示了隨著傾斜角達(dá)到臨界值并超過(guò)臨界值，底部開(kāi)口浮力室內(nèi)的 氣體的泄漏比例會(huì)逐漸增大。尤其是，泄漏會(huì)導(dǎo)致浮力的更大程度的損失，因而傾斜角會(huì)同 比增大，從而引起越來(lái)越多的氣體從室內(nèi)漏出。最終，足夠的氣體流出后浮力減小到浮力室 不再能夠支撐所述提升機(jī)，進(jìn)而引起系統(tǒng)不能工作。盡管有這樣的缺陷，底部開(kāi)口浮力室能夠在很深的水下工作，其比封閉式系統(tǒng)可 以相對(duì)少的考慮到結(jié)構(gòu)破裂的問(wèn)題，因?yàn)殚_(kāi)口式設(shè)計(jì)在即使很大的深度下仍使得室內(nèi)的液 壓與周?chē)膲毫ο嗤?。另外，底部開(kāi)口式設(shè)計(jì)的總體系統(tǒng)重量小，因?yàn)闆](méi)有底部，殼體為了 承受深水的水壓所需要的厚度小，故而整體需要的結(jié)構(gòu)材料少。相反，封閉式容器浮力室較少地受到因水流和表面作用而引起傾斜的問(wèn)題影響， 因而較為適合于那些水流和表面作用足夠引起較大的偏離垂直軸的側(cè)向位移的水域。不 過(guò)，如果上述浮力室二者中任何一種存在裂縫(例如，由容器破裂、閥門(mén)失效等引起)，氣體 或者其他流體流走，則SSR就會(huì)失效，如圖IC所示。封閉式容器浮力室必須同樣堅(jiān)固，以足夠抵消外力如深水液壓。如圖2所示，此室 必須，達(dá)到一個(gè)臨界值，具有足夠的結(jié)構(gòu)完整性和壁厚來(lái)抵抗預(yù)知的壓力，防止這些壓力弓丨起室體外殼的破裂。另外，當(dāng)布置填充有氣體的封閉浮力室時(shí)，內(nèi)部氣壓和溫度足夠同比于 外部水壓和溫度，以便相關(guān)壓力或溫度梯度不會(huì)引起室內(nèi)氣體體積的有效變化，因?yàn)檫@種 提及變化可能引起室的外殼裂縫或者坍塌。通常來(lái)說(shuō)，SSR系統(tǒng)都僅限于使用單一的浮力室，浮力室具有較大的尺寸。然而， 較大的浮力室設(shè)計(jì)增加了建造和安排所述作業(yè)系統(tǒng)的時(shí)間和成本。另外，事實(shí)證明在深水 (例如，> 500英尺或者類(lèi)似)設(shè)置大的加壓室是一件非常困難的事情。同時(shí)，隨著浮力室 的直徑的增大，在建造和實(shí)施過(guò)程中處理結(jié)構(gòu)失效和翹曲的可能性也同樣增大。下文的具體描述包括示意性的系統(tǒng)、方法和技術(shù)來(lái)使本發(fā)明主體更具體化。不過(guò)， 需要本領(lǐng)域技術(shù)人員理解的是，所描述的具體實(shí)施例可能沒(méi)有描述到一個(gè)或多個(gè)所公開(kāi)的 具體細(xì)節(jié)，又或者熟知的制造設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)和技術(shù)并沒(méi)有在具體描述中提到，以免引起 描述上的模糊不清。參考圖3所示的實(shí)施例，所描述的SSR系統(tǒng)14包括多個(gè)下級(jí)浮力室，用來(lái)安裝在 比任何現(xiàn)有已知的SSR系統(tǒng)更深的水域內(nèi)。根據(jù)替換的實(shí)施例，SSR14可堆設(shè)有多個(gè)浮力 室，如圖4A、4B、4C和4D所示。盡管圖3所示只具有低位SSR組件10和高位SSR組件12， 整個(gè)SSR系統(tǒng)14可具有任何數(shù)目的獨(dú)立的SSR組件。在圖3所示的實(shí)施例中，低位SSR組件10最先布置。在一示例中，為了布置浮力 室，配備有特別設(shè)計(jì)的容器，并利用SSR組件。經(jīng)過(guò)布置，低位SSR組件10與建在泥線(xiàn)附近 的匣形井口(casing wellhead)機(jī)械地連接。在一典型實(shí)施例中，所述匣形井口預(yù)設(shè)在鉆 入相關(guān)的海底表面內(nèi)的井孔中。再進(jìn)一步的實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)中間浮力室16裝到低位SSR組件10上，從而在 深水或者動(dòng)蕩水域加強(qiáng)穩(wěn)固。受操作條件影響，中間浮力室16可包括封閉式容器設(shè)計(jì)，但 由于上面描述的原因，在大多數(shù)情況下會(huì)包括底部開(kāi)口式設(shè)計(jì)，中間室16必須在任何情況 下都可以為控制低位SSR組件10和高位SSR組件14提供所需的支撐力，這一點(diǎn)是絕對(duì)需 要的。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，中間浮力室16與現(xiàn)有已知的或者為慣用的的鉆井、生產(chǎn)或 者開(kāi)采設(shè)備機(jī)械連接。因而，舉例來(lái)說(shuō)，中間浮力室的頂部和底部可能包含一個(gè)或多個(gè)井噴 防護(hù)器、采油樹(shù)，或者井口，所述井口的作用與設(shè)置在海底泥線(xiàn)附近的匣形井口類(lèi)似。在不 偏離本發(fā)明范圍的前提下，利用已知的或慣用的連接和緊固件例如液壓耦合器、各種螺母 和螺栓組件、焊接接頭、壓力配件(用或者不用墊圈)、鍛壓等，可將鉆井、生產(chǎn)和開(kāi)采設(shè)備 連接。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，高位SSR組件12設(shè)置得與井口、井噴防護(hù)器或者采油樹(shù) (或者，與一個(gè)或多個(gè)此類(lèi)設(shè)備連接的常規(guī)設(shè)計(jì)的設(shè)備)機(jī)械連接，并安裝在中間室16或者 與其相關(guān)的連接元件的上表面上。根據(jù)其他示意性實(shí)施例，安裝過(guò)程持續(xù)到所需數(shù)目的這 類(lèi)多個(gè)組件相互連續(xù)地連接，以便形成穩(wěn)定而有效的SSR系統(tǒng)14，如圖4A至4D所示。為了進(jìn)一步穩(wěn)固SSR系統(tǒng)14，實(shí)施例采用應(yīng)力接頭22，如圖3所示。應(yīng)力接頭22 可包括任何已知的材料，例如，塑料、橡膠或者金屬材料，但在任何情況下都能維持SSR14 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完整性和整體穩(wěn)定性。與圖3所示的SSR系統(tǒng)14 一致，多個(gè)高位浮力室18、20包括底部開(kāi)口室18和底 部封閉室20。在一示意性實(shí)施例中，至少一個(gè)所述高位室——通常位于最上方——包括封閉式設(shè)計(jì)，而系統(tǒng)中的其他室，包括中間室16，都會(huì)包括底部開(kāi)口式設(shè)計(jì)。在另一示意性實(shí) 施例中，系統(tǒng)中的所有室都是開(kāi)口式或者封閉式的，在進(jìn)一步的實(shí)施例中，開(kāi)口式和封閉式 室在系統(tǒng)中同時(shí)存在。在一些實(shí)施例中，在周?chē)簤鹤畲蟮纳钏畢^(qū)域，采用多個(gè)底部開(kāi)口式設(shè)計(jì)浮力室 來(lái)促進(jìn)深水區(qū)域的布置和安裝。其他實(shí)施例采用多個(gè)設(shè)置在SSR系統(tǒng)14頂部附近的底部 封閉時(shí)室，可提高系統(tǒng)的整體穩(wěn)固性和平衡。這種配置還可以幫助避免系統(tǒng)受到例如強(qiáng)勁 的橫向水流等外部側(cè)向力的作用而傾斜偏離其垂直軸的傾向。在更進(jìn)一步的實(shí)施例中，設(shè)置得與高位SSR組件12機(jī)械連接的多個(gè)浮力室允許整 個(gè)SSR系統(tǒng)14在各種水深和條件下維持正常功能和穩(wěn)定性，進(jìn)而改善效率和可操作性。進(jìn)一步的實(shí)施例包括多個(gè)高位浮力室，其與公知的鉆井、生產(chǎn)和開(kāi)采設(shè)備機(jī)械連 接。因此，例如，高位浮力室的頂部和底部可包括一個(gè)或多個(gè)井噴防護(hù)器、采油樹(shù)或者井口， 所述井口的作用與設(shè)置在海底泥線(xiàn)附近的匣形井口的作用類(lèi)似。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，系統(tǒng)所采用的浮力室進(jìn)一步包括輔助的浮力材料，例如復(fù) 合泡沫塑料或者填充有空氣的玻璃微球，以為系統(tǒng)增加浮力。向底部開(kāi)口式室內(nèi)注射入一 種或者多種這些材料，在發(fā)生傾斜時(shí)或者如果管道、閥門(mén)或者其他與浮力室連接的設(shè)備破 裂或失效，能夠幫助防止浮力流體(如氣體、液體等)的損失。在圖4A所示的實(shí)施例中，在配置容器時(shí)在海底設(shè)置一個(gè)低位SSR組件40，此低位 SSR組件40與靠近泥線(xiàn)的匣形井口相連。圖4A進(jìn)一步描述了安裝在SSR組件40頂部的 中間浮力室41。中間浮力室41的其他實(shí)施例進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)已知或慣用的附屬機(jī) 構(gòu)，例如結(jié)合的井噴防護(hù)器和采油樹(shù)，以便在操作過(guò)程中除了與高位SSR組件42連接的目 的，中間室41還在其他方面有用。在不同的其他實(shí)施例中，設(shè)置有多個(gè)中間浮力室41且與 已經(jīng)安裝好的SSR組件或者其他中間浮力室(例如，見(jiàn)圖4B至4D)機(jī)械連接。在圖4C中，中間SSR組件42和44設(shè)置得與固定在中間浮力室42頂部的井口機(jī) 械連接。在一些示意性實(shí)施例中，另外的中間浮力室41、43、45作為中間SSR組件的附加支 撐和連接構(gòu)件。這些實(shí)施例具有附加的多個(gè)中間SSR組件，從而可以達(dá)到迄今為止尚未知 的超過(guò)15，000英尺的SSR系統(tǒng)深度。如圖4D所示的示意性實(shí)施例，最終的SSR組件46配置成完整的SSR系統(tǒng)50。圖 4D進(jìn)一步描述了一個(gè)采用多個(gè)位于SSR組件46頂部的浮力室47以便完成整個(gè)SSR系統(tǒng) 50的實(shí)施例。如前面所述，多個(gè)浮力室47的實(shí)施例可同時(shí)包含底部開(kāi)口式和底部封閉式設(shè) 計(jì)，或者操作條件所需的任何其他配置，包括只安裝一個(gè)這種浮力室的配置。前面的具體描述只用來(lái)舉例說(shuō)明，并不意圖描述出本發(fā)明所有可能的方面。另外， 盡管本發(fā)明已經(jīng)通過(guò)多個(gè)示意性實(shí)施例得到顯示和描述，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該知 道，在不偏離本發(fā)明范圍或精神的條件下，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行關(guān)于描述的微小改動(dòng)、其他各 種修飾、省略和添加。
權(quán)利要求
一種適用于深水石油和天然氣開(kāi)采和生產(chǎn)的自立提升機(jī)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括低位提升機(jī)組件，其與主井鉆夾具連接；一個(gè)或多個(gè)中間浮力室，其與所述低位提升機(jī)組件以及中間提升機(jī)組件的一個(gè)或多個(gè)部分連接，其中，一個(gè)或多個(gè)所述浮力室進(jìn)一步包括底部開(kāi)口部分；高位提升機(jī)組件，其與一個(gè)或多個(gè)高位浮力室連接，其中，一個(gè)或多個(gè)所述高位浮力室進(jìn)一步包括底部開(kāi)口部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自立提升機(jī)系統(tǒng)，其中，每個(gè)所述底部開(kāi)口中間浮力室進(jìn)一 步包括流體壓艙物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自立提升機(jī)系統(tǒng)，其中，所述流體壓艙物進(jìn)一步包括氣體壓 艙物。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自立提升機(jī)系統(tǒng)，其中，所述流體壓艙物進(jìn)一步包括液體壓 艙物。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自立提升機(jī)系統(tǒng)，其中，所述流體壓艙物進(jìn)一步包括同時(shí)含 有液體和氣體的壓艙物。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自立提升機(jī)系統(tǒng)，其中，所述流體壓艙物進(jìn)一步包括輔助壓 艙物，所述輔助壓艙物為所述流體提供附加的壓力和密度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的自立提升機(jī)系統(tǒng)，其中，當(dāng)所述底部開(kāi)口中間浮力室相對(duì)于 其自身垂直軸傾斜而偏離到臨界角之外，所述輔助壓艙物延緩流體從所述室內(nèi)流出。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自立提升機(jī)系統(tǒng)，其中，一個(gè)或多個(gè)所述中間浮力室進(jìn)一步 包括底部封閉部分。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自立提升機(jī)系統(tǒng)，其中，一個(gè)或多個(gè)所述高位浮力室進(jìn)一步 包括底部封閉部分。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自立提升機(jī)系統(tǒng)，其中，每個(gè)所述底部開(kāi)口高位浮力室進(jìn)一 步包括流體壓艙物。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的自立提升機(jī)系統(tǒng)，其中，所述流體壓艙物進(jìn)一步包括氣體 壓艙物。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的自立提升機(jī)系統(tǒng)，其中，所述流體壓艙物進(jìn)一步包括液體 壓艙物。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的自立提升機(jī)系統(tǒng)，其中，所述流體壓艙物進(jìn)一步包括同時(shí) 含有液體和氣體的壓艙物。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的自立提升機(jī)系統(tǒng)，其中，所述流體壓艙物進(jìn)一步包括輔助 壓艙物，所述輔助壓艙物為所述流體提供附加的壓力和密度。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的自立提升機(jī)系統(tǒng)，其中，當(dāng)所述底部開(kāi)口中間浮力室相對(duì) 自身垂直軸傾斜偏離臨界角之外，所述輔助壓艙物延緩流體從所述室內(nèi)流出。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自立提升機(jī)系統(tǒng)，其中，一個(gè)或者多個(gè)長(zhǎng)度的所述低位提升 機(jī)組件和所述高位提升機(jī)組件進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)應(yīng)力接頭，永不吸收所述組件的長(zhǎng)度 上所累積的應(yīng)力。
全文摘要
多層式自立提升機(jī)系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)用來(lái)對(duì)相關(guān)的提升機(jī)組件的繩索提供上舉力的中間浮力室。所述中間浮力室具有底部開(kāi)口式或者底部封閉式容器設(shè)計(jì)。所述室可進(jìn)一步包括輔助浮力材料，其混有或者包含射入所述室內(nèi)的加壓流體。所述自立提升機(jī)系統(tǒng)進(jìn)一步包括低位提升機(jī)組件，其固定到主井鉆夾具上。所述系統(tǒng)也包括高位提升機(jī)組件和一個(gè)或多個(gè)附加的浮力室，此一個(gè)或多個(gè)浮力室直接或間接地相互連接，并與相關(guān)操作所需要的鉆井、生產(chǎn)和開(kāi)采裝置連接。
文檔編號(hào)E02D25/00GK101939491SQ200880117681
公開(kāi)日2011年1月5日 申請(qǐng)日期2008年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月19日
發(fā)明者基思·K·米爾姆 申請(qǐng)人:基思·K·米爾姆