CN101516720A - 深水油气输送系统 - Google Patents
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Abstract
由油气输送浮筒(2、82)和船舶(3、95)构成的系统，浮筒的长度(H1、H2、H3)至少是50米且长宽比至少是10∶1，并且浮筒包括：水下浮力构件(5、6、7、85)，其长度至少是30米且位于水平面以下至少10米深的位置处，支承框架(10、96)，其连接到浮力构件的顶部，并伸到水平面以上，支承框架承载支承平台(11、91)和用于附连到船舶的系泊臂连接器(21、100)的系泊浮筒连接器(36、99、102)，系泊臂连接器位于从船舶的船体伸到船外的臂(4、92)上，浮筒通过与竖直方向成一定角度延伸的锚索(23、24、83、84)锚固到海床，浮筒附连有至少一个油气立管(12、13、93、94)，支承框架(10、96)是开放式的支承框架，浮力构件通过至少一根大体竖直的绷紧的链束(31、32、33)连接到海床。
Description
技术领域
本发明涉及一种由油气输送浮筒和船舶构成的系统，浮筒的长度至少为50米且长宽比至少为10∶1，并且浮筒包括：水下浮力构件，其长度至少为30米且位于水平面以下至少10米的深度；开放式的支承框架，其连接到浮力构件的顶部且伸到水平面以上，支承框架承载支承平台和用于附连到船舶的系泊臂连接器的系泊浮筒连接器，该系泊臂连接器位于从船舶的船体伸到船外的臂上，浮筒通过与竖直方向成一定角度延伸的锚索锚固到海床；以及附连到浮筒的至少一个油气立管。
背景技术
从FR 2560549已知这样一种系统。该公报中描述的系泊系统示出了一种小而细长的浮筒，多根挠性立管附连到该浮筒。挠性立管将水下井连接到浮筒。油船通过旋转连接器部件附连到浮筒的顶部，旋转连接器部件位于从船舶的船首伸到船外的横臂的端部处。已知的系泊系统仅适合用于几百米的水深。此外，并没有指出用于使系泊臂端部与浮筒的顶部快速且容易地建立机械和液压联接的措施。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够连接钢悬链立管(SCRs)的可断开连接的深水系泊和流动水浮筒。本发明的又一目的是提供一种适用于深水的具有有限漂移的系泊系统。本发明的另一目的是提供一种稳定性提高而重量减小的系泊系统。本发明还有另外又一目的是提供一种系泊系统，在该系泊系统中可沿浮筒引导立管以呈现出减少弯曲力并将立管保持在规定的且稳定的状态中的轨道。本发明的另一目的是提供一种能够在其中快速建立和分开机械及流体连接的系泊系统。
另外，本发明的系统的特征在于，支承框架是开放式的支承框架，浮力构件通过至少一根大体竖直的绷紧的链束连接到海床，立管的长度至少是500米，并包括附连到浮筒的钢立管部分，立管向上延伸至系泊浮筒连接器，并能够由阀封闭住，立管在其端部处包括连接构件，用于以可释放的方式附连到系泊臂连接器上的导管。
通过经由两个侧向系泊系统以及一个或多个绷紧的链束将浮筒系泊到海床，获得具有相对较小的倾斜漂移的起伏稳定的浮筒，该浮筒与诸如钢悬链立管(SCR’s)之类的刚性立管组合可用于从诸如1千米及更深的超过500米水深的高温高压(例如在井口处为150℃及1000巴)下输送油气，而没有立管扭曲或断裂的风险。
与船舶上的机械连接器结合在位于浮筒顶部处的水上封闭住立管的可能性导致能够在恶劣的天气条件或紧急情况下快速断开连接。由于浮筒在发生正常波动的表面附近具有开放的上部支承框架，因此对于倾斜而言是非常稳定的，且倾斜角度可相对于竖直方向保持在15°以下。将钢立管直接连接到稳定细长的浮筒导致减小了立管的运动进而减小了疲劳。
在根据本发明的系泊系统的一种实施方式中，系泊臂连接器包括机械连接器，该机械连接器具有能够绕大体竖直的轴线旋转的转台，由转台承载的、用于附连到系泊浮筒连接器至少一个圆锥形接收构件，该系泊浮筒连接器包括从支承平台延伸的大体竖直的支柱，转台承载管路，管路它们的端部处具有连接器，用于附连到位于立管的上端部处的连接构件。
圆锥形连接器提供能够快速建立且非常可靠的容易并自动对正的机械连接。借助于转台，不但船舶能够绕浮筒随风向改变方位，而且系泊臂连接器上的管路能够通过分离的驱动马达或者由船员手动旋转到正确的联接位置中，从而与浮筒建立机械及流体连接。转台优选地通过万向节连接到系泊臂，万向节能够分别绕横向于系泊臂延伸和大体沿系泊臂的方向延伸的两条垂直轴旋转，用于使系泊浮筒轴线能够相对于竖直方向倾斜。
在一种实施方式中，系泊臂连接器承载一个或多个油气旋转头，所述旋转头具有从一个旋转部件大体竖直向下延伸的进入管部分和沿臂的方向延伸的排出管部分，用于使船舶能够绕浮筒随风向改变方位。
系泊臂连接器可包括圆锥形联接面，系泊浮筒连接器包括圆筒，在圆筒的上端部处具有与圆锥形联接面互补的圆锥形连接缘。通过配合圆锥形表面，能够获得稳定并自动居中的机械连接。
系泊浮筒连接器可包括具有开放的顶端的圆筒，并且圆筒包括至少两个叠置的旋转头，每个旋转头均具有连接到相应立管的内环和连接到排出管的外部旋转环，排出管沿竖直方向朝位于圆筒上端部附近的流动连接构件延伸，用于连接到包含在圆锥形联接构件内的管路。旋转塔受到浮筒上的提供用于检查和/或维修的人员通道的覆面圆筒的保护。
在圆锥形臂联接装置的外表面上设置有诸如液压操作的夹具的附连构件，夹具具有用于与圆筒上的圆锥形连接缘的横向台肩接合的接合装置。附连构件将圆锥形臂连接器以夹持的方式拉至附连圆筒的圆锥形缘上方，用于提供牢固的机械连接。
至少两个立管管道可沿支承结构并沿至少一个浮体竖向延伸，管道在支承结构的下方连接到至少一个浮体。立管管道(或“I形管道”)沿规定的轨道穿过浪活跃区域，将立管的上半部沿浮筒向上引导至连接平台，并且防止立管相对于浮筒的相对运动。多个横向承载器可在立管管道的下端部的下方与刚性立管互相连接，用于将侧向刚度提供到立管。横向承载器具有立管接收部，用于下部横向承载器的立管接收部以比用于上部横向承载器的立管接收部的相互间距更大的相互间距间隔开，使得立管能够自然弯曲。这些下部横向承载器与立管之间也具有逐渐增大的间隙，并且这些下部横向承载器用作引导装置以在浮筒枢转时使钢悬链立管在一定长度上逐渐弯曲。
本发明的非常长的细长浮筒可具有连接到立管管道以下的立管的一个或多个浮舱，浮舱包括以开放的方式与环境连通的空气室。可以在不必借助能够耐受水下较深处存在的高压的非常沉重的加强浮筒的情况下，借助于压力补偿浮舱使浮力沿浮筒的长度分布。
在浮筒的下端部处，立管可通过桁架结构互相连接，桁架结构在其底部具有压载配重。压载配重可包括诸如水泥块之类的的固定压载体，并可用于通过一条或多条链束将浮筒的下半部连接到海床。链束可由合成材料制成，并通过可调节链段连接到浮筒下半部，以便在安装时或在链束随时间流逝而变松时来调节链束的拉力。
附图说明
将参照附图详细说明根据本发明的系泊系统的某些实施方式。附图中：
图1示出本发明的系泊系统的第一实施方式的侧视图，其中该系泊系统具有沿浮筒的长度分布的浮舱以及附连到系泊臂连接器的旋转接头；
图2示出处于拆分状态的图1的系泊系统；
图3示出图1的系泊浮筒的连接器和上端部的放大细节；
图4示出图1的系泊浮筒的水上立管流体连接器和高集成压力保护系统(HIPPS)的放大细节；
图5示出根据本发明的系泊系统的第二实施方式的侧视图，其中该系泊系统具有单个浮力构件和永久性地连接到浮筒的旋转塔；
图6以放大的比例示出图5的系泊系统的上半部；
图7示出图5的系泊系统的系泊臂；
图8示出图5的系泊系统的系泊浮筒的上半部；
图9示出处于连接状态的图5的系泊系统的系泊臂连接器和系泊浮筒连接器的放大细节；
图10示出图5的系泊臂和连接器的俯视图。
具体实施方式
图1示出了油气输送系统1，该油气输送系统1包括系泊浮筒2和具有系泊臂4的船舶3。系泊浮筒2包括多个水下浮力构件5、6、7和承载支承平台11的桁架支承结构10。将钢立管12、13从水下井引导至支承平台11。立管12、13的上半部由立管管道或“I形管道”14、15引导。立管均止于立管支承平台11附近的阀16、17中，封闭住各个立管。船舶3上的臂4在其端部处承载有连接器21，连接器21用于机械连接到上浮筒端部，并用于在立管12、13与经由连接器21和臂4延伸至船舶3的管路之间提供流体连接。
浮筒2包括侧向系泊索23、24，侧向系泊索均以大约45°的角度延伸，并将浮筒附连到海床。侧向系泊索限制浮筒2的纵摇及起伏运动，并且防止刚性立管12、13呈过于竖直的状态，这样会使立管在其靠近海床的弯曲部件附近断裂。侧向系泊索23、24可由多股钢缆或聚酯线缆构成，并可具有上部链段25、26，用于在张紧时调节侧向系泊索的拉力。侧向系泊索位于海床附近的下半部由链段构成，以避免因与沙石接触而损坏系泊索。
侧向系泊索23、24、位于波浪活跃区域中的桁架支承10的组合开放式结构、以及浮力在水位线以下的分布导致浮筒2非常稳定，并致使浮筒2和受到支承的立管12、13由波浪所引发的运动减小。在处于小规模海浪处的常见系泊状态下，浮筒2与竖直方向的倾斜度被限制成小于15°或小于10°，这导致刚性钢立管12、13的疲劳降低。
在浮筒2的下端部27处，通过下部桁架结构29附连有压载配重28。多根绷紧的链束31、32、33通过连接器30和可调节的上部链段连接到下端部。如本领域众所周知的那样，链束可包括具有上部链段的金属索缆、张紧的聚酯索缆。如果使用索缆，那么它们可以以重的悬链或垂块在海底附近的位置处终止。所分布的这些链或块的重量和/或长度将在很大程度上决定这些近乎垂直的索缆的垂直刚度。
浮筒及附连的系泊臂连接器21的高度H1可包括例如24米，而臂4伸出船舶3的船体8的长度L可为30米。桁架支承结构10在水平面以下延伸例如30米，以致即使在强风暴期间，开放式的结构仍然防止波动将显著的动态运动给予立管。下部浮筒部分的高度H3可为120米，而其宽度W可为12米。
至少下部浮舱6、7优选地由压力平衡罐形成，其包括以开放的方式与环境连通的空气室。这避免需要罐具有沉重并加强的构造以耐受较大深度处的水压。
浮筒2包括沿其长度分布的多个阻尼板18、19以及20，这些阻尼板18、19以及20可通过弹性弯曲引导装置围绕下部立管或连接到立管的I形管道。阻尼板限制浮筒的剧烈运动。下部弯曲引导装置具有围绕立管的逐渐变大的孔。因此，这些引导装置用于逐渐延长立管使其在较长的长度上弯曲，从而不会在浮筒枢转至其设计角度的位置上导致任何无法接受的立管应变。
图2示出了在连接器21附连到浮筒连接器36的过程中系泊臂4和臂连接器21的位置，浮筒连接器36包括三个或更多个从连接平台11向上延伸的支柱37、38，支柱37、38用于与连接器21上的插接引导装置39、40配合。索缆41附连到浮筒连接器36，并经由滑轮42引导至船舶3上的绞车43。通过牵引索缆41，由配重45沿向上的方向平衡的臂4被往下拉动，并绕枢轴46枢转，直至插接引导装置39、40滑动至支柱37、38的上方以建立机械连接。在此操作过程中，关闭位于支承平台11顶部处的阀16、17。当将立管顶端与连接器21中的流体导管连接之后，才能够打开所述阀，并断开索缆41。
图3以放大的比例示出了系泊臂连接器21和浮筒连接器36。立管12、13的上端部附连到支承平台11，并由阀16、17封闭住立管12、13。连接管48、49竖直向上延伸，并设置有端部连接器50、51，端部连接器50、51用于以流体密封的方式附连到连接至旋转塔或旋转装置54的管路的补充连接器52、53。旋转塔54中的液压旋转头容置在系泊臂连接器21的壳体60中。每个旋转头均包括附连到竖向导管55、56的内环和以可旋转的方式连接到内环、并附连到水平导管57、58的外环，每个环均包括容液腔。内环及相关联的竖向导管55、56是交替固定的，而水平导管57、58及外旋转环能够在船舶3随风向改变方位时与臂4一起绕浮筒2旋转。插接引导装置39、40以及能够与支柱37、38以卡装的方式接合的夹具62、63通过偏航轴承65连接到连接器21的壳体60，偏航轴承65用于绕竖向轴线67旋转壳体60、外旋转环以及相关联的导管57、58。驱动马达68设置用于相对于壳体60绕轴线67偏转连接器21的下半部，用于在建立机械和流体连接之前，使连接器21上的竖向导管55、56与浮筒2上的管路48、49对齐。
图4示出了立管管道14通过对开活套支承法兰70连接到支承平台11的放大细节。容置在I形管道14中的立管13的上端部通过采油立管法兰71支承在I形立管管道14上。连接管49将立管上端部连接到阀16，阀16可包括如US7044156中所描述的这种类型的HIPPS(高集成压力保护系统)型阀。阀16与采油总管710流体连通，该采油总管710可包括具有横向导管部分72的环形导管，横向导管部分72具有与液压管路连接器52以可释放的方式连接的连接法兰73，液压管路连接器52又附连到旋转头54的导管55。夹具62、63由例如VETCOH-4型结构连接器形成。夹具62、63用于附连到桁架结构10。
在图5的系泊系统的实施方式中，浮筒82的浮力构件85由单体构成，钢悬垂立管93、94在其底部附近与其连接。利用诸如设计用以连接到具有有限枢转角度的浮动系统的弹性球状挠性接合装置或金属应力接合装置，将立管93、94连接到浮力构件85。浮筒82的小的倾斜度使得能够采用这些接合引导装置。在附连点上方，沿浮筒中的中心轴引导支座固定的立管。然后，立管可通过桁架96的竖向支腿或通过桁架的中心独立翻出。一旦这些立管到达平台91，它们就可通过HIPPS系统到达上部结构管路。横向系泊支脚83、84以及竖向链束或系链86、87将浮力构件85连接至海床。桁架支承结构96上的支承平台91承载机械连接器和旋转塔，在此实施方式中，当断开与船舶95的系泊臂92的连接时，该旋转塔与浮筒保持在一起。
如图6所示，旋转塔98大体定位在位于支承平台91上的圆筒形壳体99内。圆筒形壳体99在上端部支承随风向改变方位的轴承132，具有外部圆锥形连接凸缘的可旋转圆筒102附连在轴承132上。圆锥形连接器100通过万向节附连在臂92的端部，以便能够绕垂直于图面的轴线、并绕大体沿臂92的长度方向延伸的轴线枢转。圆锥形连接器100与可旋转圆筒102的外部圆锥形连接凸缘接合，用于建立机械连接。用于将旋转塔98连接到臂92上的挠性导管103的流体连接器被容置在系泊臂连接器100内，位于圆筒102的圆筒形旋转塔壳体的上边缘附近。在连接状态下，当释放位于臂92的后端部处的臂锁定机构106时，臂92就能够绕枢轴105枢转。
在图7中，示出了处于断开状态的臂92和臂连接器100。通过牵引索缆107将连接器100朝船舶95的船首向后牵引。配重101绕支点105向上枢转臂92，而臂92的后端部则通过位于立柱108的端部处的锁定机构而被锁定在适当位置。
图8示出了具有支承轴承132的圆筒形旋转塔壳体99和具有圆锥形联接凸缘的圆筒102。如图9所示，旋转塔中的旋转头的内环经由进入总管110和阀88连接到立管。通过旋转该旋转头的外环，将油气输送至沿竖向向上延伸至连接器115、116的导管112、113。连接器100在臂92的端部处由轴承132上的圆筒102支承，以致能够与外部旋转环、导管111、112、113、连接器115、116、117、平台114以及连接器100上的管路127、128、129一起绕竖向轴线109旋转。在连接器100的圆锥形联接面与圆锥形凸缘接触之后，位于连接器100的外表面上的液压锁定臂120、121将夹持装置122、123旋转到凸缘102的横向台肩125的下方，以将连接器100锁定到圆锥形凸缘上。在建立机械连接之后，致动连接器115、116以及117，以将旋转塔98中的旋转头的排出管路连接到连接器100上的管路126、127、128，该排出管路与臂92上的挠性软管103流体连接。
能够利用连接到轴承132的驱动马达134旋转浮筒上的外部旋转头。一旦确保系泊连接，马达将旋转浮筒102的旋转部分，以使旋转管路与连接器100中的管路对正。当管路对正时，旋转部分102上的锁定销就被液压致动，且将固定部分99和旋转部分102互相连接并锁定在一起。因此就连接上述两部分的立管连接构件，从而建立仿照HIPPS的无流体泄漏的通道。
图10示出了臂92的俯视图，臂92可包括Y形框架，在Y形框架的端部处承载有万向节131，连接器100被支承在该万向节131中，使得其能够绕垂直的轴104、130枢转。
Claims (14)
1.一种由油气输送浮筒(2、82)和船舶(3、95)构成的系统，所述浮筒的长度(H1、H2、H3)至少是50米且长宽比至少是10∶1，并且所述浮筒包括水下浮力构件(5、6、7、85)，所述水下浮力构件的长度至少是30米，并且所述水下浮力构件位于水平面以下至少10米深的位置处，支承框架(10、96)，所述支承框架连接到所述浮力构件(5、6、7、85)的顶部并伸到水平面以上，所述支承框架承载支承平台(11、91)和用于附连到船舶的系泊臂连接器(21、100)的系泊浮筒连接器(36、99、102)，所述系泊臂连接器(21、100)位于从所述船舶的船体(8、95)伸到船外的臂(4、92)上，所述浮筒通过与竖直方向成一定角度延伸的锚索(23、24、83、84)锚固到海床，至少一个油气立管(12、13、93、94)被附连到所述浮筒，
其特征在于，所述支承框架(10、96)是开放式的支承框架，所述浮力构件通过至少一根大体竖直的绷紧的链束(31、32、33、86、87)连接到所述海床，所述立管(12、13、93、94)的长度至少是500米，并且所述立管包括附连到所述浮筒的钢立管部分，所述立管向上延伸至所述系泊浮筒连接器(36、99、102)并能够由阀(16、17、88)封闭住，所述立管在端部处包括连接构件(50、51、115、116、117)，用于以可释放的方式附连到所述系泊臂连接器(21、100)上的导管(55、56、127、128)。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述系泊臂连接器(21、100)包括机械连接器，所述机械连接器具有能够绕大体竖直的轴线(67、109)旋转的转台(65、132)以及由所述转台(65、132)承载的、用于附连到所述系泊浮筒连接器的至少一个圆锥形接收构件(39、40、100)，所述系泊浮筒连接器包括从所述支承平台(11、91)延伸的大体竖直的支柱(37、38、99)，所述转台承载管路(55、56、126、127、128)，所述管路在它们的端部处具有连接器(52、53、115、116、117)，用于附连到位于所述立管的上端部处的所述连接构件(50、51、115、116、117)。
3.如权利要求1或2所述系统，其中，所述立管(93、94、12、13)延伸至位于水平面上方的所述支承平台(11、91)，所述立管的上端部连接到阀(16、18)，所述阀(16、18)与连接到所述船舶(3、95)的上部管路流体连通并包括高集成压力保护系统，所述高集成压力保护系统保护所述上部管路使其免受能够沿所述立管传播的压力波动的影响。
4.如权利要求2或3所述的系统，其中，所述转台(132)的轴承连接有驱动马达(134)，以便在将所述系泊臂连接好之后使所述转台(132)的管路的管端部与所述立管的上端部对正。
5.如权利要求2所述的系统，其中，所述转台(65、132)经由第一枢轴(130)和第二枢轴(104)连接到所述系泊臂(4、92)，所述第一枢轴(130)大体横向于所述臂的竖向长度方向延伸，所述第二枢轴(104)大体沿所述臂的长度方向延伸。
6.如权利要求2所述的系统，其中，所述系泊臂连接器(21、100)包括壳体(60)，所述壳体(60)承载至少一个旋转头(54)，所述旋转头(54)具有沿大体竖直的方向延伸、用于连接到所述立管连接构件(50、51)的进入管部分(55、56)和从所述旋转头(54)沿所述臂(4)的方向延伸的排出管部分(57、58)。
7.如权利要求2所述的系统，其中，所述系泊臂连接器(100)包括圆锥形联接面，所述系泊浮筒连接器包括圆筒(99)，在所述圆筒(99)的上端部处具有可旋转构件，所述可旋转构件具有与所述圆锥形联接面互补的圆锥形连接缘(102)。
8.如权利要求5所述的系统，其中，所述圆筒(99)具有开放的顶部并包括至少两个叠置的旋转头(98)，每个旋转头均具有连接到相应立管的内环以及连接到排出管(111、112、113)的外部旋转环，所述排出管沿竖直方向延伸到位于所述圆筒的上端部附近的立管连接构件(115、116、117)，用于连接到包含在所述系泊臂连接器(100)内的所述管路(126、127、128)。
9.如权利要求5或6所述的系统，其中，附连构件(120、121)位于所述圆锥形臂连接器(100)的外表面上，同时用于接合的接合装置(122、123)位于所述圆锥形连接缘(102)的横向台肩(125)下方。
10.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中，至少两个立管管道(12、13)沿所述支承结构并沿至少一个浮体(5、6、7)竖向延伸，所述管道在所述支承结构(10)下方连接到所述至少一个浮体(5、6、7)。
11.如权利要求10所述的系统，其中，多个横向承载器(18、19、20)在所述立管管道(14、15)的下端部下方与所述刚性立管(12、13)互相连接。
12.如权利要求11所述的系统，其中，所述横向承载器(18、19、20)具有立管接收部，用于下部横向承载器的立管接收部以比用于上部横向承载器的立管接收部的相互间距大的相互间距间隔开，并且所述下部承载器被构造用以引导和/或弯曲所述立管。
13.如权利要求10至12中任一项所述的系统，其中，所述立管(12、13)连接有浮舱(5、6、7)，所述浮舱包括以开放的方式与环境连通的空气室。
14.如权利要求11、12或13所述的系统，其中，在所述浮筒的下端部处，所述立管通过桁架结构(29)互相连接，所述桁架结构的底部具有压载配重(28)。
如权利要求7至14中任一项所述的系统，其中，所述链束(31、32、33)由金属或合成材料制成，并通过可调节链段连接到下部连接部。
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