CN101857072B - 无条件稳性整装型深吃水浮式采油平台及其海上安装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无条件稳性整装型深吃水浮式采油平台及其海上安装方法，其特征在于：它包括一底部环形压载舱，若干根小截面立柱，一中部环形浮箱，若干根大截面立柱和一上部钻机及油气处理模块；压载舱采用永久固定压载方式，舱内填充重物，保证平台的浮心高于重心；大、小截面立柱分别均匀布置在浮箱和压载舱上，且其下部分别与浮箱和压载舱连为一体；每根大截面立柱轴向设置有一中央孔道，中央孔道内下部设置有一带凹槽的砧板连接结构；建造完成后，小截面立柱对应插入所述大截面立柱中央孔道中并穿出，平台处于折叠状态；每根大截面立柱上均设置有一组系泊缆；在建造场地安装钻机及油气处理模块，采用干拖或湿拖方式整体运至安装场地后展开安装；本发明平台可应用于恶劣海洋环境条件下的深水油气开发。

Description

无条件稳性整装型深吃水浮式采油平台及其海上安装方法
技术领域
本发明涉及一种深水浮式采油平台及其海上安装方法，特别是关于一种用于深水海洋油气开发，可实现平台整体驳船干拖或自浮拖运两种运输方式，安装无需大型浮吊，可采用干式采油树的无条件稳性整装型深吃水浮式采油平台及其海上安装方法。
背景技术
随着海洋油气开发向深水进军，传统的固定式采油平台已不能满足海洋深水油气开发的需要，浮式采油平台成为目前海洋深水油气开发的主要装备。近年来，产生了多种用于海洋深水油气开发的浮式采油平台，广泛应用于世界各地的深水油气田开发，例如半潜式平台、深吃水单柱式平台和张力腿平台。上述每种平台都有其优缺点：半潜式平台其垂荡运动性能较差，用于作为深水油气开发生产平台时必须采用湿式采油树，而湿式采油树技术复杂、价格昂贵；深吃水单柱式平台具有良好的运动性能，可以使用干式采油树，但其具有平台上部和下部必须分体海上安装、海上安装和连接作业十分复杂、上部甲板面积小、设计难度大和油气处理设施布置困难等缺点；张力腿平台同样具有良好的运动性能，但由于其使用张力腿同海底基础连接，其造价随水深增加而迅速增加。
针对以上平台优缺点，海洋工程界提出了多种新型平台方案、新概念，但这些新概念和目前已有的传统浮式平台方案的海上安装均十分复杂，需要采用大型设备才能完成其海上安装，成本高昂。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种运动性能优良，甲板面积大，建造集成度高，可实现驳船干拖或自浮拖运两种运输方式，海上安装无需大型浮吊，可适应干式采油、湿式采油和干湿组合式采油等不同采油模式，造价对于水深增加不敏感的无条件稳性整装型深吃水浮式采油平台及其海上安装方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种无条件稳性整装型深吃水浮式采油平台，其特征在于：它包括一个底部环形压载舱，若干根位于所述环形压载舱上的小截面立柱，一个与所述环形压载舱形状相同或相近的中部环形浮箱，与所述小截面立柱数量相同且位于所述环形浮箱上的大截面立柱，以及一个位于所述大截面立柱顶部的上部钻机及油气处理模块；所述环形压载舱采用永久固定压载方式，舱内填充重物，保证平台的浮心高于重心；所述大截面立柱均匀布置在所述环形浮箱上，且其下部与所述环形浮箱连为一体；每根所述大截面立柱轴向设置有一中央孔道，所述中央孔道内下部设置有一带凹槽的砧板连接结构；与所述大截面立柱位置相对应，所述小截面立柱均匀布置在所述环形压载舱上，且其下部与所述环形压载舱连为一体；平台建造完成后所述小截面立柱对应插入到所述大截面立柱的中央孔道中并穿出，所述小截面立柱通过楔块、螺栓或插销与所述大截面立柱连接为一体，此时平台处于折叠状态；所述小截面立柱顶部设置有倒圆锥结构；每根所述大截面立柱上均设置有一组系泊缆，并采用传统锚固方式将所述系泊缆连接到海底锚点；在建造场地安装所述钻机及油气处理模块，采用干拖或湿拖方式整体运至安装场地后展开安装。
所述环形压载舱采用正多边形结构，其中间下部设置有与其连为一体的垂荡板，且所述垂荡板中间开孔，使连通所述钻机及油气处理模块的油气生产立管/钻井立管从中穿过。
所述环形浮箱为宽大箱形结构，其尖角处倒圆角，且所述环形浮箱内设置有两道中纵水密舱壁将所述浮箱结构的内部空间分为三部分，两道所述中纵水密舱壁之间的空间设人行通道，两道所述中纵水密舱壁外侧的空间被分为多个水密舱室。
所述大截面立柱为圆柱、方柱、多边菱形柱或近圆柱壳体结构，且每根所述大截面立柱的侧面布置有螺旋形侧板。
所述系泊缆采用传统锚链方式、锚链-缆-锚链组合方式或全尼龙缆方式。
一种上述无条件稳性整装型深吃水浮式采油平台的海上安装方法，其包括以下步骤：1)采用驳船干拖或自浮拖运方式将平台拖运至安装地点，在安装地点卸载平台，平台处于自由漂浮状态；2)随后环形压载舱部分压载，平台整体下沉；3)当环形压载舱及压载水和小截面立柱的重量大于其所受浮力时，环形压载舱下沉，将小截面立柱从大截面立柱中在受控状态下逐步下放，环形压载舱依靠小截面立柱顶部的倒圆锥结构悬挂于环形浮箱的下方，整个平台依靠环形浮箱和大截面立柱提供的浮力漂浮在水中；4)使用吊机将液压模锻连接设备通过中央孔道放至小截面立柱中与大截面立柱连接处，进行液压模锻，通过液压力使小截面立柱与大截面立柱连接处的外壁板产生塑性变形，将其挤入大截面立柱下部连接处砧板连接结构的凹槽中，使两部分结构全强度联接为一个整体结构；5)完成小截面立柱与大截面立柱连接后，超声波检查连接处安装质量，合格后环形压载舱压载至设计值，安装锚泊系统和立管系统，完成平台所有安装工作。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明平台的环形压载舱采用永久固定压载方式，舱内填充铁矿砂或其它重物，以保证平台在任何时刻浮心高于重心，从而使平台在服役期间保持较深的吃水状态，不仅实现了平台在海洋环境中的无条件稳定，而且保证了平台的稳性和耐波性满足使用要求。同时，本发明的吃水深度较传统深吃水单柱式平台小，可有效降低平台建造、运输以及安装难度；本发明平台立柱直径较传统半潜平台立柱小，可有效减少作用于平台的表面波浪载荷。2、本发明平台采用可折叠结构，上部组块可在建造场地安装，在折叠状态下采用干拖或自浮拖运方式运至安装地点，不需大型浮吊配合，可以实现海上的简便安装，大大降低了平台安装成本。3、本发明平台的下部小截面立柱与环形压载舱连为一体，上部大截面立柱与环形浮箱连接为一体，环形浮箱既能作为平台整体支撑结构，也为平台提供足够的浮力，同时还可以使平台下部结构成为一个整体框架结构，从而提高平台整体强度，可有效抵抗作用于平台的环境载荷，将单根立柱遭受的载荷传递给平台整体结构。同时，环形压载舱和浮箱结构可有效传递由于波浪和平台不平衡装载所造成的各立柱之间的相互作用力，因此平台具有很好的整体结构刚度和强度，可有效降低平台遭受环境载荷条件下连接节点的疲劳热点应力，改善平台整体结构的疲劳寿命，提高平台适应恶劣海洋环境的能力。4、本发明的上部大截面立柱为圆柱、方柱、多边菱形柱或近圆柱壳体结构，可有效减小波浪对平台的拖曳力。每根大截面立柱上布置螺旋形侧板，以有效抑制海流所造成的平台涡激响应。5、本发明的环形压载舱的中间下部设置有与其连为一体的垂荡板，可有效增加平台垂荡附加质量和垂荡阻尼，改善平台的垂荡运动性能，采油树可放置于平台甲板上，从而使平台可使用干式采油树进行油气开采，大大降低采油作业成本；同时，根据油田开发模式的需要，本发明平台也可采用水下井口、立管回接于平台的湿式采油方式，或者对于油田不同油井采用干式或湿式采油的干湿组合式采油方式。6、本发明的浮箱结构为宽大箱形结构，其尖角处倒圆角，以减小波浪的拖曳力。浮箱结构内设置两道中纵水密舱壁将其内部空间分为三部分，保证浮箱结构受损后的结构冗余度和平台稳性，以确保平台安全。两道中纵水密舱壁之间的空间设人行通道，可使平台操作人员到达以便检修。两道中纵水密舱壁外侧的空间被分为多个水密舱室，可用做燃油/淡水舱、设备舱和可调压载水舱。7、本发明采用多点锚泊定位方式定位，其造价对水深增加不敏感，可应用于深水和超深水海洋油气开发。当平台需要移位时，可采用传统方式将系泊缆收起，将平台转运至其它地点就位，可节约投资，提高经济效益。8、本发明由于采用多立柱结构，上部钻机及油气处理模块甲板面积大，可使上部油气处理设施布置更加优化，提高平台作业效率和上部设施布置的安全性。综上所述，本发明平台运动性能优良，具有无条件稳定性，适应作业水深范围广，整体结构强度好，重量轻，建造成本低，可应用于恶劣海洋环境条件下的深水油气开发。
附图说明
图1是本发明四立柱平台折叠状态示意图
图2是本发明四立柱平台折叠状态立柱连接方式示意图
图3是图2的局部放大图
图4是本发明浮箱结构的横截面示意图
图5是本发明四立柱平台环形压载舱的结构示意图
图6是本发明四立柱平台展开安装后示意图
图7是本发明四立柱平台八边形环形浮箱的结构示意图
图8是本发明四立柱平台八边形环形压载舱的结构示意图
图9a～f是本发明平台海上安装时各阶段形态示意图
图10a～d是本发明液压模锻连接变形过程示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明平台包括一个方形的底部环形压载舱1，四根位于环形压载舱1上的小截面立柱2(仅以此为例，并不限于此)，一个与环形压载舱1形状相同或相近的中部环形浮箱3，四根位于环形浮箱3上的大截面立柱4(仅以此为例，并不限于此)和一个位于大截面立柱4顶部的上部钻机及油气处理模块5。
如图1～图3所示，四根大截面立柱4均匀布置于环形浮箱3的四个角点处，且其下部与环形浮箱3连为一体。大截面立柱4为圆柱、方柱、多边菱形柱或近圆柱壳体结构，可有效减小波浪对平台的拖曳力。每根大截面立柱4的侧面布置有螺旋形侧板6，以有效抑制海流所造成的平台涡激运动。每根大截面立柱4轴向设置有一中央孔道7，中央孔道7内下部设置有一带凹槽的砧板连接结构8。
如图4所示，环形浮箱3为宽大箱形结构，其尖角处倒圆角，以减小波浪的拖曳力。环形浮箱3内设置有两道中纵水密舱壁9将其内部空间分为三部分，以保证环形浮箱3受损后的结构冗余度，确保平台安全。两道中纵水密舱壁9之间的空间设人行通道10，可使平台操作人员到达以便检修。两道中纵水密舱壁9外侧的空间被分为多个水密舱室11，可用做燃油/淡水舱、设备舱和可调压载水舱。
如图2、图5所示，与大截面立柱4位置相对应，四根小截面立柱2均匀布置于环形压载舱1的四个角点处，且其下部与环形压载舱1连为一体。小截面立柱2对应插入到大截面立柱4的中央孔道7中并穿出，小截面立柱2通过楔块、螺栓或插销12与大截面立柱4连接为一体，此时平台处于折叠状态。小截面立柱2顶部设置有倒圆锥结构13。
环形压载舱1采用永久固定压载方式，舱内填充铁矿砂或其它重物，以保证平台在任何时刻浮心高于重心，从而使平台在服役期间保持较深的吃水状态，不仅实现了平台在海洋环境中的无条件稳定，而且保证了平台的稳性和耐波性满足使用要求。环形压载舱1的中间下部设置有与其连为一体的垂荡板14，垂荡板14中间开孔，以使连通钻机及油气处理模块5的油气生产立管/钻井立管从中穿过，并可为立管提供横向支撑。
如图6所示，本发明采用多点锚泊定位方式定位，每根大截面立柱4上均设置有一组系泊缆15，并采用传统锚固方式将系泊缆15连接到海底锚点。系泊缆15可采用传统锚链方式、锚链-缆-锚链组合方式或全尼龙缆方式。当平台需要移位时，可采用传统方式将系泊缆15收起，将平台转运的其它地点就位，可节约投资，提高经济效益。
上述实施例中，环形压载舱1和环形浮箱3也可以采用正八边形结构，小截面立柱2和大截面立柱4分别均匀布置于环形压载舱1和环形浮箱3每边的中部(如图7、图8所示)。同样，环形压载舱1和环形浮箱3也可以采用正三边形或正六边形结构，正三边形结构的环形压载舱1和环形浮箱3上分别设置有三根小截面立柱2和大截面立柱4，且小截面立柱2和大截面立柱4位于环形压载舱1和环形浮箱3的角点处；正六边形结构的环形压载舱1和环形浮箱3上也分别设置有三根小截面立柱2和大截面立柱4，且小截面立柱2和大截面立柱4位于环形压载舱1和环形浮箱3每边的中部。正三边形、正六边形、正八边形平台的整体结构与方形平台的结构相似，故不再赘述。
上述实施例中，在平台建造场地安装上部钻机及油气处理模块5，与在海上安装钻机及油气处理模块5相比，安装成本大大降低。同时，钻机及油气处理模块5可以根据油田开发模式的不同，选用现有技术中的常规钻机和油气处理设施进行设备配置，可大大降低本发明应用的技术风险。
本发明平台在建造场地建造完成后处于折叠状态，此时环形浮箱3完全置于环形压载舱1上，平台总体高度较低(如图1所示)。本发明平台的海上安装方法包括以下步骤：
1、采用驳船干拖或自浮拖运方式将平台拖运至安装地点，在安装地点卸载平台，平台处于自由漂浮状态(如图9a、图9b所示)。
2、随后环形压载舱1部分压载，平台整体下沉(如图9c所示)。
3、当环形压载舱1及其中压载水和小截面立柱2的重量大于环形压载舱1所受浮力时，环形压载舱1下沉，小截面立柱2从大截面立柱4中在受控状态下逐步下放，环形压载舱1依靠小截面立柱2顶部的倒圆锥结构13悬挂于环形浮箱3的下方，整个平台依靠环形浮箱3和大截面立柱4提供的浮力漂浮在水中(如图9d、9e所示)。
4、使用平台自身吊机将液压模锻连接设备16通过中央孔道7放至小截面立柱2中与大截面立柱4连接处，进行液压模锻，通过液压力使小截面立柱2与大截面立柱4连接处的外壁板产生塑性变形，将其挤入大截面立柱4下部连接处砧板连接结构8的凹槽中，使两部分结构全强度联接为一个整体结构(如图9e所示)。液压模锻连接变形过程可分为以下四个阶段：
A阶段，为初始阶段，将液压模锻连接设备16放入连接位置，液压模锻连接设备16的上、下密封环17、18将小截面立柱2相应连接位置密封为一密闭空间19，密闭空间19充高压液体，小截面立柱2的外壁板开始变形(如图10a所示)；
B阶段，增大液体压力，小截面立柱2的外壁板开始塑性变形，小截面立柱的外壁板接触砧板连接结构8的凹槽尖角(如图10b所示)；
C阶段，增大液体压力，小截面立柱2的外壁板继续塑性变形，小截面立柱2的外壁板接触砧板连接结构8的凹槽底部(如图10c所示)；
D阶段，增大液体压力，小截面立柱2的外壁板继续塑性变形，除砧板连接结构8的凹槽底部尖角处，小截面立柱2的外壁板与大截面立柱4下部的砧板连接结构8完全紧密接触，连接为一体(如图10d所示)。
5、完成小截面立柱2与大截面立柱4连接后，超声波检查连接处安装质量，合格后环形压载舱1压载至设计值，安装锚泊系统和立管系统，完成平台所有安装工作(如图9f所示)。
本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置、及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种无条件稳性整装型深吃水浮式采油平台，其特征在于：它包括一个底部环形压载舱，若干根位于所述环形压载舱上的小截面立柱，一个与所述环形压载舱形状相同或相近的中部环形浮箱，与所述小截面立柱数量相同且位于所述环形浮箱上的大截面立柱，以及一个位于所述大截面立柱顶部的上部钻机及油气处理模块；所述环形压载舱采用永久固定压载方式，舱内填充重物，保证平台的浮心高于重心；
所述大截面立柱均匀布置在所述环形浮箱上，且其下部与所述环形浮箱连为一体；每根所述大截面立柱轴向设置有一中央孔道，所述中央孔道内下部设置有一带凹槽的砧板连接结构；
与所述大截面立柱位置相对应，所述小截面立柱均匀布置在所述环形压载舱上，且其下部与所述环形压载舱连为一体；平台建造完成后所述小截面立柱对应插入到所述大截面立柱的中央孔道中并穿出，所述小截面立柱通过楔块、螺栓或插销与所述大截面立柱连接为一体，此时平台处于折叠状态；所述小截面立柱顶部设置有倒圆锥结构；
每根所述大截面立柱上均设置有一组系泊缆，并采用传统锚固方式将所述系泊缆连接到海底锚点；
在建造场地安装所述钻机及油气处理模块，采用干拖或湿拖方式整体运至安装场地后展开安装。
2.如权利要求1所述的一种无条件稳性整装型深吃水浮式采油平台，其特征在于：所述环形压载舱采用正多边形结构，其中间下部设置有与其连为一体的垂荡板，且所述垂荡板中间开孔，使连通所述钻机及油气处理模块的油气生产立管/钻井立管从中穿过。
3.如权利要求1所述的一种无条件稳性整装型深吃水浮式采油平台，其特征在于：所述环形浮箱为宽大箱形结构，其尖角处倒圆角，且所述环形浮箱内设置有两道中纵水密舱壁将所述浮箱结构的内部空间分为三部分，两道所述中纵水密舱壁之间的空间设人行通道，两道所述中纵水密舱壁外侧的空间被分为多个水密舱室。
4.如权利要求2所述的一种无条件稳性整装型深吃水浮式采油平台，其特征在于：所述环形浮箱为宽大箱形结构，其尖角处倒圆角，且所述环形浮箱内设置有两道中纵水密舱壁将所述浮箱结构的内部空间分为三部分，两道所述中纵水密舱壁之间的空间设人行通道，两道所述中纵水密舱壁外侧的空间被分为多个水密舱室。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种无条件稳性整装型深吃水浮式采油平台，其特征在于：所述大截面立柱为圆柱、方柱、多边菱形柱或近圆柱壳体结构，且每根所述大截面立柱的侧面布置有螺旋形侧板。
6.如权利要求1或2或3或4所述的一种无条件稳性整装型深吃水浮式采油平台，其特征在于：所述系泊缆采用传统锚链方式、锚链-缆-锚链组合方式或全尼龙缆方式。
7.如权利要求5所述的一种无条件稳性整装型深吃水浮式采油平台，其特征在于：所述系泊缆采用传统锚链方式、锚链-缆-锚链组合方式或全尼龙缆方式。
8.一种如权利要求1～7之一所述的无条件稳性整装型深吃水浮式采油平台的海上安装方法，其包括以下步骤：
1)采用驳船干拖或自浮拖运方式将平台拖运至安装地点，在安装地点卸载平台，平台处于自由漂浮状态；
2)随后环形压载舱部分压载，平台整体下沉；
3)当环形压载舱及压载水和小截面立柱的重量大于其所受浮力时，环形压载舱下沉，将小截面立柱从大截面立柱中在受控状态下逐步下放，环形压载舱依靠小截面立柱顶部的倒圆锥结构悬挂于环形浮箱的下方，整个平台依靠环形浮箱和大截面立柱提供的浮力漂浮在水中；
4)使用吊机将液压模锻连接设备通过中央孔道放至小截面立柱中与大截面立柱连接处，进行液压模锻，通过液压力使小截面立柱与大截面立柱连接处的外壁板产生塑性变形，将其挤入大截面立柱下部连接处砧板连接结构的凹槽中，使两部分结构全强度联接为一个整体结构；
5)完成小截面立柱与大截面立柱连接后，超声波检查连接处安装质量，合格后环形压载舱压载至设计值，安装锚泊系统和立管系统，完成平台所有安装工作。
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