無條件穩定浮式海上平臺的製作方法

2023-12-08 17:33:36 2

專利名稱：無條件穩定浮式海上平臺的製作方法
無條件穩定浮式海上平臺 關於聯邦資助的研究或開發的聲明不適用。
背景技術：
發明領域本發明一般地涉及浮動式海上結構，尤其涉及用於海上鑽井和生產的無條件穩定浮力半潛式平臺和張力腿平臺。
背景技術：
傳統的半潛式海上平臺和張力腿平臺包括船體，該船體有充足的浮力以支撐海平面以上的工作平臺以及從工作平臺延伸至海底的剛性和/或柔性管道或立管，其中在工作平臺海底布置一個或多個鑽井或井場。無論是半潛式還是張力腿平臺，船體典型地包括多個平行浮筒，它們支撐多個垂直的豎直立柱，這些立柱依次支撐水面上的工作平臺。例如，如在圖1A中，用於油氣鑽井和生產的傳統海上平臺10包括船體20，船體支撐海面11上的工作平臺30。船體20由多個基本上平行的浮筒21組成，浮筒在多個基本上垂直立柱22之間伸展。一般而言，浮筒的尺寸和立柱的數量取決於工作平臺和要支撐的相關載荷的尺寸和重量。對於張力腿平臺，立柱主要用於提供浮力，而鋼筋束提供穩定性(如抵抗平臺過度傾斜/側斜)。對於半潛式海上結構，浮筒的功能是浮力的主要來源，而立柱(和相關間距)提供穩定性。對於多數半潛式和張力腿平臺，每個立柱典型地包括位於海面上在其上端的開口。這樣的開口可包括允許人進入立柱的進入升降通道；允許鏈條進入的錨鏈筒和在立柱內的錨鏈艙中的儲存；通風管和管道；或其組合等。由于波浪衝刷淹沒立柱頂部或由於船的過度傾側海水進入立柱，這些開口可允許海水淹沒立柱。海面和海面以下風和波浪的激振力不斷地試圖移動海上結構。海面上半潛式平臺的平移運動通常受限於從平臺延伸至海底的錨泊纜，海面上張力腿平臺的平移運動通常受限於從平臺延伸至海底並被拉伸設置的鋼筋束。錨泊纜允許半潛式結構相對於海底的某些垂直移動(如起伏)，而鋼筋束限制和/或防止張力腿平臺相對於海底的垂直移動。風和波浪的激振力也可導致海上結構(如半潛式或張力腿平臺)向一側傾斜或側斜。例如，如圖1B所示，海上平臺10由於作用於海上平臺10上的風和波浪力向一側傾斜或側斜。海上結構相對於垂直、中心傾斜的角度常被稱為「傾側」角，在圖1B中標為角α。如果傾側角足夠大，海上結構可由於潛在的災難性影響而傾覆。對於半潛式平臺，立柱的幾何形狀和布置用於抵抗過度傾側，使平臺回到直立、居中位置。可是，在強風和/或強浪的激振力作用下，傾側角可能很大。在足夠大的傾側角時，海水被允許直接從海中流入平臺立柱頂部的一個或多個開口。一個或多個立柱的頂端開口被置於海平面時的最小傾側角通常稱為「下溢」角(downflooding angle)，在圖1C中標為角β。當傾側角大於或等於下溢角時，一個或多個立柱的不可控的溢流進一步加劇傾斜，可導致平臺傾覆。對於張力腿平臺，鋼筋束用於抵抗過度傾側，使平臺回到直立、居中位置。然而，在某些情況下，一個或多個鋼筋束可能失效，潛在地允許平臺傾斜至下溢角。因此，在本領域內需要使海上平臺無條件穩定並能抵抗傾覆。無論立柱的幾何形狀和布置以及鋼筋束的集成度，如果它們可以無條件穩定，這樣的海上平臺將尤其受歡迎。

發明內容
通過海上鑽井和/或生產作業平臺在一個實施例中涉及本領域的這些或其他需要。在實施例中，平臺包括配置為設置在水面上的設備甲板。另外，平臺包括連接至設備甲板並配置為延伸至水面下的浮力船體。船體包括第一立柱，該第一立柱有中心軸、連接至甲板的上端、遠離甲板的下端和多個位於上端和下端之間的軸向堆疊的單元。每個單元限定單元中的內部腔室和單元外部的外部區域。多個單元包括從第一子立柱的上端延伸的第一單元，和軸向置於第一單元下面的第二單元。第一單元是水密性的。第二單元包括配置為向第二單元的內部箱體提供浮力控制氣體的氣口。通過海上鑽井和/或生產作業平臺的在另一個實施例中涉及本領域的這些或其他需要。在實施例中，平臺包括配置為設置在水面上的設備甲板。另外，平臺包括連接至設備甲板並配置為延伸至水面下的浮力船體。船體包括第一和第二立柱，每個立柱包括連接到甲板上的上端和遠離甲板的下端。船體也包括第一伸長浮筒，該浮筒在第一立柱和第二立柱之間延伸。第一立柱包括多個伸長的平行的子立柱，這些子立柱包括有中心軸的第一子立柱，位於第一立柱上端的上部上端，位於第一立柱下端的下部下端，和多個位於上端和下端之間的垂直堆疊的單元，每個單元限定單元中的內部腔室和單元外部的外部區域。多個單元包括從第一子立柱的上端軸向延伸的第一單元，和軸向置於第一單元和第一子立柱的下端之間的第二單元。第二單元包括用於配置為向第二單元的內部腔室提供浮力控制氣體的氣口。另外，船體包括口，允許水自由流入或流出第二單元的內部腔室。通過海上鑽井和/或生產作業平臺在另一個實施例中涉及本領域的這些或其他需要。在實施例中，平臺包括配置為設置在水面上的設備甲板。另外，平臺包括連接至設備甲板並配置為延伸至水面下的浮力船體。該浮力船體被配置為產生扶正力矩的減小值，接著產生扶正力矩的增加值。因此，此處描述的實施例包括用於解決與某些現有的裝置、系統和方法相關的多方面的不足的特徵和優點的結合。通過閱讀一個或多個以下詳細描述和參考附圖，上述多方面的特性和其他特徵對本領域人員是顯而易見的。


為了詳述本發明的優選實施例，引用附圖。其中:圖1A是在穩定、垂直方位的常規海上平臺的示意圖。圖1B是圖1A中處於穩定位置、向一面側斜的海上平臺的示意圖。圖1C是圖1A中處於可能的不穩定位置的海上平臺的示意圖，在該位置平臺的傾側角大於或等於平臺的下溢角。圖2是根據這裡描述的原理的無條件穩定多立柱浮式海上張力腿平臺的實施例。圖3是圖2的船體的側視圖。圖4是圖2的船體的底平面圖。
圖5是圖2的船體的示意底視圖。圖6是圖2的船體浮筒之一的示意底視圖。圖7是圖2的船體立柱之一的示意側視圖。圖8是根據這裡描述的原理的無條件穩定的半潛式多立柱浮式海上平臺的實施例。圖9是圖8的船體的側視圖。圖10是響應於100海裡/小時風力載荷，作用在常規海上平臺的扶正力矩的曲線圖。圖11是響應於100海裡/小時風力載荷，根據這裡描述的原理作用在無條件穩定的海上平臺上的實施例的扶正力矩的曲線圖。圖12是根據這裡描述的原理，針對無條件穩定性配置海上平臺的方法的示意流程圖。某些優選實施例詳述以下討論針對本發明的多個實施例。雖然這些實施例中的一個或多個可以是優選，公開的實施例不應當被解釋或否則被用於限制包括權利要求的本公開的範圍。另外，本領域技術人員應當理解以下描述有廣泛的應用，任何實施例的討論僅僅意味著解釋那個實施例，並不意味著暗示包括權利要求的公開範圍局限於該實施例。特定術語被用於以下描述和權利要求中來指特定的特徵或部件。如同本領域技術人員應當了解，不同的人使用不同的名稱指代相同的特徵或部件。本文對名稱不同但功能相同的部件和特徵之間不加以區分。附圖不必須按照比例繪製。這裡的特定特徵和部件可通過比例或通過某些示意的形式擴張地示出，出於簡明的目的，常規元件的某些細節可不示出。在以下討論和權利要求中，術語「包括」和「包含」被用作開放的形式，因此應解釋為意味著「包括，但不限於……」。同樣術語「連接」或「耦合」意味著非直接或者直接連接。因此，如果第一設備連接至第二設備，該連接可通過直接連接，或者通過其他設備、部件和連接的非直接連接。此外，如這裡所用，術語「軸」或「軸向地」 一般意味著沿著或平行於中心軸(如物體或口的中心軸)，而術語「徑向」或「徑向地」一般指垂直於中心軸。例如，軸向距離是指沿著或平行於中心軸測量的距離，徑向距離是指垂直於中心軸測量的距離。
現在參考圖2和圖3，示出了根據這裡描述原理的多立柱浮式海上張力腿平臺100的實施例。所示平臺100被部署在水體101中，處於作業配置並用多個鋼筋束112錨泊在作業場上方，每個鋼筋束從平臺100延伸至海底。海上平臺100包括浮式船體115，該浮式船體有可調節的浮式水平基底120和多個可調節的浮式立柱150，其中基底設置在水101的表面102以下，浮式立柱從基底120垂直延伸穿過表面102。鋼筋束112被確定尺寸和設計為在海底和平臺100之間形成張力。因此，基底120和立柱150的浮力被調節使得船體115淨漂浮，因此確保鋼筋束112處於張力狀態。當平臺100部署為處於作業狀態時，工作平臺或設備甲板160在立柱150頂部被安裝在船體115。平臺100可作為單個單元被運輸至作業場(如在移動平臺100至作業場前，甲板160在船塢或岸處被安裝在船體115上)，或者平臺100可在作業場完成(如甲板160可在海上作業場被安裝在船體115上)。典型地用於鑽井和/或生產作業的多種設備，如井架、絞車、泵、洗滌器、沉澱器和類似的設備，可設置於並受支撐於設備甲板160上。現在參考圖2-5，船體115的基底120包括多個直立的、伸長的浮筒121，浮筒首尾相連以形成具有中心開口 123的封閉環基底120，通過中心開口 123，立管可向上穿過而至設備甲板160。在這個實施例中，四個等長的浮筒121首尾相連形成基本上矩形的基底120，該基底在每對浮筒121的相交部分形成四個拐角128。在這個實施例中，兩個鋼筋束112從每個拐角128延伸至海底。每個浮筒121在兩個立柱150之間延伸，並包括壓載艙，壓載艙可選擇性地填充壓載水以調節基底120的浮力。現在參考圖4-6，每個浮筒121支撐兩個立柱150，並沿著中心或縱向軸122在第一端121a和第二端121b之間線性延伸。在這個實施例中，每個浮筒121在底視圖中關於其軸122對稱。每個浮筒121具有平行於其末端121a、b之間的軸122測量的長度L121。在這個實施例中，每個浮筒121的長度L121相同，然而，在其他的實施例中，一個或多個浮筒的長度(如一個或多個浮筒121的長度L121)可不同。如上所述，這四個直立的，伸長的浮筒121首尾相接而形成封閉環船體115。特別是每個浮筒121的每個末端121a、b與另一個浮筒121的一個末端121a、b相交以形成拐角128。例如，最好如圖4和5所示，圍繞基底120順時針轉動，第一浮筒121的第二末端121b與第二浮筒121的第一末端121a相交，第二浮筒121的第二末端121b與第三浮筒121的第一末端121a相交，以及第三浮筒121的第二末端121b與第四浮筒121的第一末端121a相交。在這個實施例中，每個浮筒121有矩形橫截面，其與縱向軸122垂直。然而，一般來說，浮筒(如浮筒121)可以有任意合適的橫截面幾何形狀，包括但不限於圓形、橢圓形、三角形等。仍參考圖4-6，每個浮筒121包括在立柱150下面並給予支撐的、在末端121a處的第一部分或節點124，在另一個立柱150下面並給予支撐的、在相對末端121b處的第二部分或節點128，在節點124、128之間軸向延伸的中間段126。第一節點124從第一末端121a軸向延伸至中間段126和通常與垂直於軸122的垂直面P124—致的隔板131，第二節點128從第二末端121b軸向延伸至中間段126和通常與垂直於軸122的垂直面P127—致的隔板134。由於兩個浮筒121在每個拐角128和每個節點124、128處相交，應當理解，在底視圖中，一個浮筒121的第一節點124與不同的浮筒121的第二節點128—致(和重疊)。在底視圖(圖4和5)中，中間段126是每個浮筒121唯一不與另一個浮筒121相交或重疊的部分。每個節點124的下表面有表面積A124,每個節點128的下表面有表面積A128,每個中間段126的下表面有表面積A126。可以理解，每個節點124與一個節點128—致，並且因此，每個節點124的下表面積A124與每個節點128的下表面積A128相同。而且，在這個實施例中，每個節點124、128的下表面積A124、A128是相同的，每個中間段126的下表面積A126是相同的。在底視圖中，每個浮筒121具有垂直於其軸122測量的寬度W121。不同於傳統浮筒通常具有沿著它們的整個長度的固定或均一的寬度，在這個實施例中，每個浮筒121的寬度W121隨其長度L121而變化，即第一節點124有固定或均一的寬度W124，第二節點128有固定或均一的寬度W128，而在中間段126，寬度W121是變化的。特別是，每個中間段126可分成第一過渡部分126a、第二過渡部分126c和中間部分126b，第一過渡部分126a有寬度W126a,第二過渡部分126c有寬度W126。，中間部分126b在過渡部分126a、b之間軸向延伸並有寬度W126b。在從第一節點124軸向移動至中間部分126b的第一過渡部分126a中，寬度W126a遞減。在從第一節點124軸向移動至中間部分126b的第二過渡部分126c中，寬度W126。遞減，在中間部分126b中，寬度W126b是固定或均一的。在這個實施例中，寬度W124和寬度W128相同，然而，寬度W126b小於寬度W124和寬度W128兩者。此外，寬度W126a、W126。分別從寬度W124、W128變化至寬度W126b。因此，每個浮筒121的寬度W121在節點124、128處最大(即寬度W124和寬度W128各代表每個浮筒121的最大寬度)，在中間段126的中間部分126b寬度最小(即寬度W126b代表每個浮筒121的最小寬度)。因此，每個浮筒121通常可描述為具有在底視圖中的「犬骨」形狀。最好如圖5和6所不,在底視圖中，每個浮筒121在其軸122的各面上有一對橫向側壁136。在底視圖中，在過渡部分126a、c中，當橫向側壁136朝向過渡部分126延伸時，它們朝向彼此交匯，並且在底視圖中，在中間段126中，橫向側壁136通常平行於軸122延伸。特別是在過渡部分126a，c中，每個側壁136在底視圖中相對於軸122定向成銳角α。角α優選為30°至60°之間。在平臺100的這個實施例中，每個側壁136在過渡部分126a，c內定向呈大約45°的角度α。不限於這個或任何特別理論，海上浮式結構(例如平臺100)的起伏特性受結構的吃水深度和幾何尺寸影響。關於幾何尺寸，影響起伏的關鍵因素是下浮筒(例如浮筒121)的形狀，特別是浮筒下表面的形狀，其承受波浪作用的垂直力。浮筒下表面的形狀可能通過「浮筒下表面積比」來表徵，「浮筒下表面積比」定義為除掉節點的浮筒下表面積與浮筒的節點的總下表面面積的比率，如下所示:
權利要求
1.一種海上鑽井和/或生產作業平臺，包括: 設備甲板，配置為設置於水面以上； 浮力船體，連接至所述設備甲板並被配置為延伸至水面以下； 其中所述船體包括: 第一立柱，具有中心軸、連接至甲板的上端、遠離甲板的下端、和在上端和下端之間軸向堆疊的多個單元，每個單元都在單元內限定內腔室並且在單元外部限定外部區域； 其中所述多個單元包括:從第一子立柱的上端延伸的第一單元和軸向地位於所述第一單元下面的第二單元； 其中所述第一單元是水密性的； 其中所述第二單元包括氣口，該氣口配置為向所述第二單元的內腔室提供浮力控制氣體。
2.根據權利要求1的平臺，其中所述氣口被配置為從所述第二單元的內腔室中排出至少部分浮力控制氣體。
3.根據權利要求2的平臺，其中所述第二單元從所述第一子立柱的下端軸向延伸。
4.根據權利要求1的平臺，其中所述第一單元的內腔室用空氣完全填充。
5.根據權利要求2的平臺，其中所述第二單元進一步包括與第二單元的內腔室和第二單元外的外部區域進行流體連通的口。
6.根據權利要求5的平臺，進一步包括閥，配置用於控制所述浮力控制氣體通過所述第二單元的氣口的流動。
7.根據權利要求1的平臺，其中軸向設置在所述第二單元和所述第一子立柱的上端之間的多個單元是水密性的且至少部分地用空氣填充。
8.根據權利要求1的平臺，其中所述第一立柱是子立柱。
9.根據權利要求1的平臺，進一步包括: 第二立柱，具有中心軸、連接至甲板的上端、及遠離甲板的下端； 第一伸長浮筒，在所述第一立柱和所述第二立柱之間延伸； 其中所述第一浮筒具有縱軸、連接至所述第一立柱的第一末端、及連接至所述第二立柱的第二末端； 其中所述第一浮筒包括 :設置於浮筒的第一末端處並位於所述第一立柱的下端下面的第一節點，設置於浮筒的第二末端處並位於所述第二立柱的下端下面的第二節點，和從所述第一節點到所述第二節點軸向延伸的中間段； 其中所述第一節點具有在底視圖中垂直於縱軸測量的寬度W1，所述第二節點具有在底視圖中垂直於縱軸測量的寬度W2，以及所述中間段具有在底視圖中垂直於縱軸測量的寬度W3; 其中所述寬度W3隨著從第一節點軸向移動到第二節點而變化。
10.根據權利要求9的平臺，其中所述中間段包括:第一過渡部分、第二過渡部分和從所述第一過渡部分軸向延伸至所述第二過渡部分的中間部分； 其中所述第一過渡部分從所述第一節點軸向延伸至所述中間部分，所述第二過渡部分從所述第二節點軸向延伸至所述中間部分；以及 其中在從所述第一節點軸向移動至所述中間部分的所述第一過渡部分中，所述中間段的寬度W3遞減，在從所述第二節點軸向移動至所述中間部分的所述第二過渡部分中，所述中間段的寬度W3遞減。
11.根據權利要求9的平臺，其中所述第一浮筒具有在底視圖中垂直於所述第一浮筒的縱軸測量的最小寬度Wmin，所述第一立柱的下端具有在底視圖中垂直於所述第一浮筒的縱軸測量的寬度WMlM;以及 其中寬度Wmin和寬度Wralmm的比值在0.65至0.75之間。
12.根據權利要求9的平臺，其中第一節點有下表面積A1，第二節點有下表面積^，和中間段有下表面積A3;以及 其中面積A3與面積A1和面積A2之和的比值在0.45至0.60之間。
13.根據權利要求9的平臺，其中每個立柱包括多個伸長的平行子立柱，每個子立柱具有中心軸，封閉的上端、與上端相對的下端，和在所述上端和所述下端之間軸向堆疊的多個單元； 其中每個子立柱的每個單元限定單元內的內腔室和單元外部的外部區域； 其中每個子立柱的多個單元包括:從子立柱上端軸向延伸的第一單元，和軸向地位於所述子立柱的第一單元下面的第二單 元； 其中每個子立柱的第一單元是水密性的； 其中每個子立柱的第二單元包括: 氣口，被配置為向所述第二單元的內腔室提供浮力控制氣體，以及從所述第二單元的內腔室中排出至少部分浮力控制氣體； 口，與所述第二單元的內腔室和所述第二單元外的外部的區域流體連通。
14.一種用於海上鑽井和/或生產作業的平臺，包括: 設備甲板，配置為設置在水面以上； 浮力船體，連接至所述設備甲板並被配置為延伸至水面以下； 其中船體包括: 第一立柱和第二立柱，每個立柱都具有連接至甲板的上端和遠離甲板的下端； 第一伸長浮筒，在所述第一立柱和所述第二立柱之間延伸； 其中所述第一立柱包括多個伸長的平行子立柱，所述子立柱包括第一子立柱，所述第一子立柱具有中心軸、在所述第一立柱上端處的上端、在所述第一立柱下端處的下端、和在所述上端和所述下端之間垂直堆疊的多個單元，每個單元都限定單元內的內腔室和單元外部的外部區域； 其中所述多個單元包括:從所述第一子立柱的上端軸向延伸的第一單元，和軸向地位於所述第一單元和所述第一子立柱的下端之間的第二單元； 其中所述第二單元包括:氣口，被配置為向所述第二單元的內腔室提供浮力控制氣體；以及 口，被配置為允許水自由流入和流出所述第二單元的內腔室。
15.根據權利要求14的平臺，其中所述氣口被配置為釋放所述第二單元的內腔室中的至少部分浮力控制氣體。
16.根據權利要求15的平臺，進一步包括閥，該閥被配置為控制通過所述氣口的浮力控制氣體的流動。
17.根據權利要求14的平臺，其中所述第一單元是水密性的且至少部分地用空氣填充。
18.根據權利要求14的平臺，其中所述第一浮筒具有縱軸、連接至所述第一立柱的第一末端、和連接至所述第二立柱的第二末端； 其中所述第一浮筒包括:設置於浮筒的第一末端處並位於所述第一立柱的下端下面的第一節點、設置於浮筒的第二末端處並位於所述第二立柱的下端下面的第二節點、和從所述第一節點到所述第二節點軸向延伸的中間段， 其中所述第一節點具有在底視圖中垂直於縱軸測量的寬度W1，所述第二節點具有在底視圖中垂直於縱軸測量的寬度W2，以及所述中間段具有在底視圖中垂直於縱軸測量的寬度W3; 其中所述中間段包括:第一過渡部分、第二過渡部分和從所述第一過渡部分軸向延伸至所述第二過渡部分的中間部分； 其中所述第一過渡部分從所述第一節點軸向延伸至所述中間部分，所述第二過渡部分從所述第二節點軸向延伸至所述中間部分；以及 其中在從所述第一節點軸向移動至 所述中間部分的所述第一過渡部分中，所述中間段的寬度W3遞減，在從所述第二節點軸向移動至所述中間部分的所述第二過渡部分中，所述中間段的寬度W3遞減。
19.根據權利要求14的平臺，進一步包括從船體延伸的多個錨泊纜或鋼筋束。
20.一種用於海上鑽井和/或生產作業的平臺，包括: 設備甲板，配置為設置於水面以上； 浮力船體，連接至所述設備甲板並被配置為延伸至水面以下； 其中所述浮力船體被配置為產生跟隨有扶正力矩的增加值的扶正力矩的減小值。
21.根據權利要求20的平臺，其中所述浮力船體被配置為產生扶正力矩，且所述扶正力矩在所有非零傾側角下是正值。
22.根據權利要求20的平臺，其中所述浮力船體被配置為產生扶正力矩，且所述扶正力矩具有在局部最小值之後的正斜率。
23.根據權利要求20的平臺，其中所述浮力船體被配置為當扶正力矩值從大於傾側力矩值變化至小於傾側力矩值時，產生扶正力矩的增加值。
全文摘要
一種用於海上鑽井和/或生產作業的平臺，包括設備甲板。另外，平臺包括連接至設備甲板並延伸至水面以下的浮力船體。船體包括第一立柱，該第一立柱有中心軸、連接至甲板的上端、遠離甲板的下端和在上端和下端之間軸向堆疊的多個單元。每個單元都限定單元內的內腔室和單元外的外部區域。多個單元包括從第一子立柱的上端延伸的第一單元，和軸向置於第一單元下面的第二單元。第一單元是水密性的。此外，第二單元包括氣口，配置為向第二單元的內腔室提供浮力控制氣體。
文檔編號E21B15/02GK103140644SQ201180019298
公開日2013年6月5日 申請日期2011年4月15日 優先權日2010年4月15日
發明者阿坎德拉·塔哈爾, 愛德華·E·霍頓三世, 詹姆斯·V·馬厄 申請人:霍頓-維森深水公司