CN101421151A - 单柱浮式采油、储油和卸油系统 - Google Patents

单柱浮式采油、储油和卸油系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有圆形或多边形水平截面或圆形和多边形截面的组合的单柱形式的FPSO型平台，包括一个或多个中心加载罐(12)，其可以是单个罐或者被永久性压载罐(13)和通向海洋的压载罐(14)以交替和均匀的分布方式分隔开和环绕的罐。

Description

单柱浮式采油、储油和卸油系统
技术领域
本发明涉及一种用于在深水域或超深水域进行海洋石油开发的单柱形式的浮式采油、储油和卸油(FPSO)结构，其设有用于存储生产的油的装置，所述装置以使平台在其运动、甚至在不利的海况中更稳定的方式布置。
更特别地，本发明涉及对使用浮式结构类型的单柱平台结构的改进，所述浮式结构包括由(a)淹没在水中的下部分和(b)在海平面之上的上部分形成的可旋转对称体。所述下部分设有能够保持与其表面接触的大量水的外周突起，产生对抗由于波浪和涌流引起的结构移位的阻尼力；在所述上部分安装用于保持石油钻探和/或生产的设备的甲板。此外，上述提到的可旋转对称体还包括以隔室方式位于壳体的上部分和下部分中的压载罐。可旋转对称体的下部分具有内部空隙(“月池”)，所述内部空隙用作由波浪引起的运动的阻尼器而且隔水管从其中穿过，所述隔水管可以传送由在海底的井生产的流体。
阻尼装置的均匀应用以及罐的数量和布置给出了有益于这种类型的壳体的结构功能特征。
背景技术
位于海洋的深水域和超深水域(水层深度超过2,000米)的石油生产田的发现要求使用浮式结构，所述浮式结构具有用于接收其开发和生产所必需的设备和设施的能力和强度。这些浮式结构(或者固定不动的生产单元-SPU)连接到用于井生产的流体的生产和输出的隔水管上，所述浮式结构经受海洋涌流的作用。
由于水层深度、井的生产能力和在这些区域操作的安全要求的增加，寻求用于面对这种挑战的技术方案变得日益复杂，其将所包括的巨大费用增加到使整个企业不能独立生存的程度。
一个将面对的主要挑战涉及将由浮式结构支承的负载，因而出现了各种创新的实施例，其与最适合类型的结构选择相关并且与既用于浮式结构本身又用于生产隔水管的锚泊系统相关。然而，大多数的革新应用于传统结构(比如半潜式钻机和油罐)。
半潜式钻机的基本特征是它们在被锚泊之后保持在基本上稳定的位置并且在环境作用力(例如，比如风、波浪和海洋涌流)的作用下具有很小的运动。尽管如此，这些钻机具有有限的接收负载的能力，这阻碍了它们用于安装在加工厂使用的设备或用于存储大量的油的应用。另一个将要考虑的因素是构造它们的壳体的复杂性，这需要不同的、专用的并且关于设计变化不非常灵活的以及反映明显担负的设计工作的对策的施工技术。
在另一个方面，适用于在它们的甲板上接收生产工厂的油罐的使用已经成为一个非常好的使用过的备选方案，因为这些船具有大的储油能力。然而，在设备的安装位置和油罐的结构方面，负载分布问题成为这种结构的一个主要问题，其必须进行非常好的评估。
最近，已经提出了所述领域的技术人员已知的作为SPAR型平台的单柱型的深吃水深度结构。这些巨大的平台通常包括用于支承设施和设备的大圆筒体；所述圆筒体用缆绳系泊在海底。这种类型的结构被设计成经受很小的运动并且用于深水。然而，其缺点是具有长度非常大的吃水深度和很小的用于容纳设施的表面积，这使得它很难适应在其甲板上安装通常所必需的设施并且很难将其运送到油生产现场。因此，该工程需要在开阔的海上安装甲板，由于需要使用各种不同的海上支援辅助船舶，这些都高度复杂并且承担很高的操作费用，因而限制了这种项目的开展。
从尝试解决上述提到问题的方案中，我们现在讨论一些先前的提案。
第一个提案是在1994年3月1日公布的专利文献JP 1994/056074，其中提出了一种浮式海洋结构，其由安装在壳体的上部分上的由盘形和圆筒形的柱形成的壳体组成；所述柱包括在内部的内水隔室，所述内水隔室通过设在壳体中的水输送开口与外部的水相连。壳体的外周表面设有用于担负减少结构震荡任务的开口向下的倾斜翼片，使壳体能够用于休闲设施、旅馆等。所述结构不能满足在深水域或超深水域的工作条件。
在2000年9月5日的专利文献US 6,113,314中，显示了一种用于快速拆卸浮式结构的方法，所述浮式结构处于主动漂浮状态，其为被所属领域的技术人员通称为TLP型平台(张力腿平台)。这种类型的平台包括具有高度稳定性的浮式结构，所述浮式结构用张紧的缆绳锚泊到海底保持定位并且连接到淹没在水中的浮式连接头上。在本文献中描述的生产平台具有安装在结构顶部的生产设备和具有高存储能力的生产容器，所述生产容器能够接收由各个生产井生产并随后传送到油罐中的油。生产容器优选为圆筒形形式，其能够包括绕中心部分分布的内腔室以及通过分隔壁连接到中心部分的外腔室。所述内腔室用于存储原油和天然气，所述外腔室用于存储海水或空气以确保结构的压载。生产容器利用施加钢筋混凝土的技术构造而成以确保结构的稳定性和用于抵抗恶劣的气候和冰山的碰撞以及其他威胁的强度。
在2002年11月14日公布专利文献WO 02/090177中提出的另一个提案描述了一种平台，所述平台包括能够在其上表面支承用于在海底钻探和/或生产碳氢化合物的设备的半潜式体。平台的主体优选为圆筒形形式，其具有平底面，在其下部分设有位于平台的重心下方的部分中的外周切口。圆筒形体设有中心开口，生产所必需的设备和用于生产流体的生产和输送的隔水管穿过所述中心开口。存储罐和进一步伸出的压载罐环绕所述中心开口布置。
2002年1月22日的专利文献US 6,340,272示出了一种构造海洋平台的方法。所述海洋平台将自浮式甲板结构与自浮式下部结构结合在一起，所述自浮式甲板结构可能是设备已经安装在其上的浮式码头或驳船。将结构分别带到现场，在该处将它们连接在一起；下部结构部分淹没在水中，码头或驳船位于下部结构的上方；从下部结构除去压载物以便在下部结构和浮式码头之间形成竖向的接合力。所述方法具有减少构造结构的时间和委托费用以及由于增加甲板复杂性所用的构造费用的优点。本方法的基本目的是减少与工程有关的费用，例如，构建临时使用的码头的费用、使用将结构运送到生产现场的驳船费用、在运输操作过程中由于失误而毁坏结构的费用等等。
在2003年8月7日公布的专利文献WO 03/064246中提出了一种SPAR型结构，其浮式壳体由被细分成隔室的多个单元形成，其漂浮由固定的和/或可变的压载物控制。所述单元可以不同方式制成并具有不同形式。压载物可以布置在单元上或单元中以便调节浮动、节省空间和提高结构的稳定性。即使如此，还不能完全解决由于结构的大小(主要是所需的深吃水深度)所引起的问题。
在2004年12月28日公布的专利文献BR 0300265-9中描述的提案提出了一种用于在深水域或超深水域的海上使用的石油生产或钻探的海洋设施的浮式结构。所述浮式结构由相对于竖向轴的旋转对称体形成，所述旋转对称体包括中心开口并具有两个不同部分：在海平面上的圆筒形或多边形的上部分，在其上部准备用于保持甲板，所述甲板设有钻探或生产操作所必需的所有设施，下部分有比上部分的尺寸更大的外部尺寸，两部分连接在一起以便形成形状为向下倾斜的过渡区的外部轮廓。过渡区负责根据海洋波浪的运动来控制引起结构倾斜的振荡。内部空隙和下部开口用作限制结构竖向运动(“垂荡”)的装置，允许隔水管穿过其内部并连接到平台结构上，确保在连接点处的张力明显减少。该结构构造成模块，所述模块彼此连接以形成真正的生产人工岛，所述结构的运动被最小化，为接收和输出产品的装置的选择提供了更大的灵活性，以及明显减少了工程费用。
不像SPAR型平台，这种类型的平台具有浅的吃水深度和用于安装设备的大平面，大大有助于其构建和安装。
发明内容
本发明涉及一种单柱形式的FPSO型平台，优选圆形或多边形水平横截面或者圆形和多边形水平横截面的组合，所述平台包括中心加载罐(load tank)，所述加载罐为单个罐或被永久性压载罐和通向大海的压载罐(“月池”)以交替和均匀分布的方式间隔开和环绕的罐。选择单元的外部几何形状以便给出减轻单元的角运动(“俯仰”)和竖向运动(“垂荡”)最大效果并且简化在壳体上甲板的安放，同时罐的这种以与上述的储罐和压载罐具有接合作用的布置的内部几何形状提高了其相对海洋波浪所引起的运动的衰减的效率。
附图说明
现在参照附图仅通过实例的方式进一步描述本发明，其中：
图1示意性显示了现有技术的单柱型平台；
图2示意性显示了本发明的第一实施例；
图3示意性显示了本发明的第二实施例；
图4示意性显示了本发明的第三实施例；
图5示意性显示了本发明的第四实施例；
图6显示了本发明的实施例的A-A横截面；
图6A显示了本发明平台的一种轮廓的变型的A-A横截面；
图7显示了本发明的实施例的B-B横截面；
具体实施方式
为了更好地理解本发明，将结合附图给出实施例的描述。
现有技术已知了平台结构的各种不同方案，所述平台用于在深水中操作，能够存储大量的油并且具有很大的稳定性。在2003年1月31日提出的巴西专利申请P1 0300265-9中提出了这种类型的浮式结构(或壳体)特别有趣，如在图1中的示意性显示。
如可以注意到的，浮式结构(1)具有浅吃水深度和大直径，其直接区别于SPAR型平台。这种结构可以通过锚索(3)的方式固定到海底(2)上，所述锚索根据海洋情况和需要而在结构的外表面的不同点处适当地连接起来。
结构主体(4)相对竖向轴呈对称形式而且可以是圆筒形或多边形形式。在外形上，所述结构主体具有较小直径的上部分(5)和较大直径的下部分(6)，所述上部分保持在海平面的上方，所述下部分保持淹没在水下并且通过向下倾斜的过渡区(7)与上部分(5)结合，所述下部分在其下部终止于形成了舭龙骨(8)的较大直径区域，所述舭龙骨形成了结构的平底。在内部，所述结构主体设有中心开口(9)-“月池”，所述中心开口的轮廓遵循主体的外部轮廓但允许其通过比具有所述中心开口更小的直径的下开口(10)与海洋连接。
如上述提到的文献中所讨论的，由于较小直径的下开口(10)与海洋波浪反相作用，其通过软化由潮汐所引起的竖向振荡运动(垂荡)为浮式结构提供了更大平衡。过渡区(7)起作用，衰减了由波浪的作用力所引起的角运动(“俯仰”)，确保结构的更大稳定性。
这些特征在非常深的水层和在不利的海洋情况下操作的结构中是非常希望的。
在最近的时间，已经出现了很大强度的飓风，尤其是在墨西哥海湾，对具有大的运动和振荡的操作平台造成了很大损害，对所属领域的实践者提出了挑战。
本发明设法改善作用力的平衡和分布，因此所述作用力更好地分布在整个结构中。
因此，在本发明的一个实施例中提出了一种FPSO型的浮式结构，其构造成单柱形式，其体现并完善了在浮式结构的运动和海水运动之间的水力补偿，所述海水以可控的方式进入设在并布置在所述浮式结构的壳体中的开口，使得这些运动以反相的方式彼此作用。
本发明的浮式结构包括具有圆形或多边形横截面或者具有圆形和多边形相结合的横截面的圆筒形体或壳体，包括在其内部、在其中部的加载罐，和交替、适当地环绕所述加载罐分布的永久性压载罐和通向大海的压载罐。
为了更好地理解本发明，根据本发明提出的浮式结构在图2-7中示意性示出。
在图2-5中，其中显示了形成平台的壳体(11)的单柱的水平横截面，可以确定的是壳体可以具有包括多种形式的组合的不同形式，优选圆筒形或多边形形式。用于储油或加载的一个或多个储罐(12)位于结构的中部，其被永久性压载罐(13)和通向海洋的压载罐(14)(在此也被称为“月池”)以交替和对称的方式环绕。不具有通向海洋的开口的压载罐可认为是永久性压载罐(13)。然而，这些罐可设有传统的控制设备，比如用于调节空气的入口和出口的阀或节流器。
通向海洋的压载罐(14)在其基部设有开口(15)，所述开口的大小适当以便在结构中产生有效的阻尼作用。在上部，设置了阀(在图中未显示)以便调节空气的入口和出口或者通过在通风管(16)中施加空气压力的方式直接连接到外界，目的是增大减轻平台的竖向运动和角运动的效率。
罐的径向和交替布置确保作用力平衡地分布在结构上，而且，从而，衰减了结构的运动，给出了对角运动(“摆动”和“俯仰”)的动态补偿的条件。
如图2所示，可以看到一种布置，其包括在中部的加载罐(12)和以加载罐(12)具有仅与通向海洋的压载罐(14)直接接触的壁的方式分布的永久性压载罐(13)和通向海洋的压载罐(14)。作为一种备选方案，永久性压载罐(13)和通向海洋的压载罐(14)可以交换使得加载罐(12)具有仅与永久性压载罐(13)接触的壁。壳体(11)可以具有圆形横截面或与多边形横截面结合的圆形横截面。
在图3所示的布置中，壳体(11)具有多边形横截面的形式，加载罐(12)在其中部，但是具有以加载罐(12)不具有与海洋直接接触的壁的方式布置的永久性压载罐(13)和通向海洋的压载罐(14)。
在图4中所示的布置中，壳体(11)具有完全多边形横截面，但是无双壁的径向罐绕加载罐(12)分布。
这种布置的一个优点为节省了双壁，让所有油罐远离由于碰撞(即使在外部)可能引起的损坏区域。为了符合环境立法的强制要求，中心储罐(12)可以构造成具有双底，防止在发生损坏的情况下将油倒入海洋中。
在图5所示的布置中，提出了一个替代实施例，但是具有被保留的罐分布的最初概念。在这种布置中，中心罐旨在用于压载或保持倒空，而油罐(12)、永久性压载罐(13)和通向海洋的压载罐(14)以交替的方式环绕所述中心罐分布，使得油罐(12)总是被永久性压载罐(13)从外部保护，而且被通向海洋的压载罐(14)从横向保护。
清楚的是在不脱离本发明的范围的情况下，图中所示的壳体(11)可以具有圆形或多边形形式或二者的组合。
压载罐(13、14)的径向和交替布置的另一个优点是它们为布置生活住所提供了更大的面积，防止它们在油罐的上方，从而，避开了具有很大振荡和在它们的下部可能遭受波浪冲击的结构。
图6以简化的形式显示了在图2-4中提出的结构的A-A纵向截面。在通常的轮廓中，在横截面中，中心储罐(12)、永久性压载罐(13)和上部分(17)突出来。还注意到上部分(17)的水平部分的加宽，其具有与现有技术相关的优点，如果在进行“甲板接合”或“海洋接合”类型(即在带有很深的吃水深度的浮动单元的壳体上安装甲板)的操作的情况下，利用所述加宽部分可能增加壳体的横向面积并且可能有对甲板的更大支承面积。
另一个优点涉及壳体(11)的下部的“舭龙骨”(18)。根据操作和结构要求，可能使这些“舭龙骨”(18)的内部和外部形式更自由地变化。图6A提出了平台轮廓的可能变化，但是本发明不限于所提出的这些。
如图6A所示，外部形式在主操作吃水深度的水平处可以具有多于一个的“海滩”，通过壳体的流体静力刚性的变化来帮助减轻角运动。换句话说，可能有更大量的壳体直径的变化，以这种方式使得更好地响应具有从完全加载到完全倒空的各种不同操作的吃水深度的运动。所述领域的技术人员清楚构造许多其它变型的可能性。
在图7中呈现的截面B-B显示了中心储罐(12)、永久性压载罐(13)和通向海洋的压载罐(14)的部分，所述通向海洋的压载罐(14)的部分设有与海洋连接的下开口(15)和在其上部的通风管(16)。随着适当调整下开口(15)的大小以及结合这些通向海洋的压载罐(14)的空气入口和出口的变化，通过对于平静的、平均的或较严重的海况进行简单调节，可能增加消除不希望的运动的区域。
所属领域的技术人员清楚的是在操作者发现适合的中心油罐或加载储罐时，所述中心油罐或加载储罐可以被间隔开，能够包括用于容纳压载泵或加载泵以及“海箱(sea chests)”的封闭的存储“主体(trunk)”或“柱身(shaft)”。
本发明的另一个优点涉及更好地保护隔水管的可能性。所述隔水管从海底上的井将生产流体传送到平台上，所述隔水管可以向上穿过开口(15)，从而被保护免受由碰撞引起的损坏。
对于所属领域的技术人员来说，其他可能的布置是显而易见的，这些符合本发明的一般概念，将加载罐定位于浮式结构的中部并且将永久性压载罐和通向海洋的压载罐交替布置，使得这种布置的接合作用能够减轻结构的角运动和竖直运动。
外侧和内侧可为圆筒形或多边形或其组合，具有纵向或径向的加强结构，试图更适合将使用的构造方法。

Claims (16)

1.一种单柱FPSO，包括具有圆形或多边形横截面或二者组合的横截面的壳体(11)，所述壳体(11)包括在其内部的且在其中部的用于存储油的至少一个加载罐(12)和环绕所述至少一个加载罐交替布置的永久性压载罐(13)和通向海洋的压载罐(14)，所述通向海洋的压载罐(14)设有与海洋连接的下开口(15)和在其上部的通风管(16)，从而减轻结构的角运动和竖向运动。
2.根据权利要求1所述的单柱FPSO，其中所述壳体(11)是圆筒形体。
3.根据权利要求1或2所述的单柱FPSO，其中多个加载罐(12)包含在所述壳体(11)的中部。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的单柱FPSO，其中角运动和竖向运动通过海水流动穿过所述下开口(15)而减轻。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的单柱FPSO，其中壳体(11)具有上部分(17)，该上部分(17)在其顶部具有加宽的水平部分，使得能得到甲板的更大支承面积。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的单柱FPSO，还包括在所述单柱FPSO的下部分的舭龙骨(18)。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的单柱FPSO，该单柱FPSO构造和布置成提供浮动结构的运动和海水的运动之间的水力补偿，所述海水以使这些运动彼此反相作用的方式且以可控的方式进入下开口
(15)。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的单柱FPSO，还包括用于调节所述下开口(15)大小的装置，以及用于改变通向海洋的压载罐(14)的空气入口和出口的装置，从而通过对平静的、平均的或严重的海况进行简单调节来增加消除不希望的运动的区域。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的单柱FPSO，其中罐的径向和交替布置确保结构上的作用力的平衡分布并且衰减了结构的运动，从而对角运动(“摇摆”或“俯仰”)进行了动态补偿。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的单柱FPSO，其中中心加载储罐(12)是分隔开的。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的单柱FPSO，还包括被倒空的或用于压载的中心罐。
12.根据权利要求11所述的单柱FPSO，其中，所述至少一个加载罐(12)、永久性压载罐(13)和通向海洋的压载罐(14)以交替的方式环绕中心罐布置，以这种方式使得至少一个加载罐(12)总是被永久性压载罐(13)从外部保护并且被通向海洋的压载罐(14)从侧向保护。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的单柱FPSO，其中至少一个加载罐(12)构造有双底，使得其在被损坏的情况下，不易将油倒入海洋中。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的单柱FPSO，其中所述至少一个加载罐(12)的中心定位使所述至少一个加载罐远离由于即使是外部的碰撞可能损害的区域。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的单柱FPSO，其中从海底上的井将生产流体传送到平台的隔水管向上穿过通向海洋的压载罐(14)的下开口(15)，从而保护隔水管免受碰撞所引起的损坏。
16.根据前述权利要求中的任一项所述的单柱FPSO，还包括在主操作吃水深度的水平上的多于一个的“海滩”，从而提供许多壳体直径的变化以便更好地响应从完全加载到完全倒空的各种不同操作吃水深度的运动，通过壳体的流体静力学刚性的改变来帮助减轻角运动。
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