CN101939491B - 具有多个浮力室的自立提升机系统 - Google Patents

Abstract

多层式自立提升机系统包括一个或多个用来对相关的提升机组件的绳索提供上举力的中间浮力室。所述中间浮力室具有底部开口式或者底部封闭式容器设计。所述室可进一步包括辅助浮力材料，其混有或者包含射入所述室内的加压流体。所述自立提升机系统进一步包括低位提升机组件，其固定到主井钻夹具上。所述系统也包括高位提升机组件和一个或多个附加的浮力室，此一个或多个浮力室直接或间接地相互连接，并与相关操作所需要的钻井、生产和开采装置连接。

Description

具有多个浮力室的自立提升机系统

技术领域

本发明主要涉及一种应用在石油和天然气开采和生产操作中的自立提升机组件，尤其涉及不限具体形式的一种自立提升机系统，其装备有多个适用于在各种水深和海洋条件下开采的浮力室。

背景技术

自立提升机（self-standing risers，下文简称SSR）用在石油和天然气工业中，用来悬浮自海底生产单元引出的产品和注射线（injection line），并支撑着与漂浮的近海结构相连的支承钢筋束。已知的SSR可用来辅助标准的浅水（例如，在0英尺至600英尺的水域）钻井单元，并通过在浮力室顶部设置井喷防护器（blow-out preventer）和采油树（production tree）来使生产设备更具有成本效益。

传统方式的SSR设计是采用一个大的浮力室来支撑提升机或者钢筋束负重。然而，这种方式会引起浮力室在结构和安装上的成本增加。这些因素已导致SSR系统一直没有显著的发展，因为开采者关注一个广泛的关联利益。不过，整体的行业需要降低石油天然气产品的成本、减少钻井开采作业的时间延误，以及增大现有已发现地区的开发。因此，存在一个长期需要的却未被满足的需求，这个需求就是需要一个更小型、更灵活的提升机系统能够更迅速地制造和开采，以便在现有的已开采的石油天然气地区上获得可盈利的发展。

发明内容

本发明提供一种适合于深水石油和天然气开采和生产的自立提升机系统，所述系统包括：低位提升机组件，其与主井钻夹具连接；

多个中间浮力室，其与所述低位提升机组件以及中间提升机组件的一个或多个部分连接，其中，一个或多个所述浮力室进一步包括底部开口部分；

高位提升机组件，其与一个或多个高位浮力室连接，其中，一个或多个所述高位浮力室进一步包括底部封闭部分；

所述底部开口中间浮力室进一步包括流体压舱物，所述流体压舱物进一步包括气体压舱物和/或液体压舱物，还包括辅助压舱物，所述辅助压舱物为所述流体提供附加的压力和密度，当所述底部开口中间浮力室相对于其自身垂直轴倾斜而偏离到临界角之外，所述辅助压舱物延缓流体从所述室内流出；

所述辅助压舱物为复合泡沫塑料或者填充有空气的玻璃微球。

本发明还提供用在室内的压舱物、用于提升机组件的应力接头、系统开采和维护的方法和工具、井喷防护器的方式、井口（wellhead）和采油树以及各种系统互连。

附图说明

参考下列附图，本领域技术人员可对本文所公开的实施例有更好的理解，同时各个部件、特征、优势将更明晰地显现。

图1A是根据现有技术的示意性实施例的示意图，其显示的是在平静的水中具有底部开口浮力室的自立提升机系统；

图1B是具有底部开口浮力室的自立提升机系统的示意图，此时浮力室靠近泄漏点；

图1C是具有底部开口浮力室的自立提升机系统的示意图，此时浮力室已倾斜到泄漏点之外；

图2是描述底部封闭浮力室上的压力、温度和深度对其的影响的示意图；

图3是根据本发明的示意性实施例的示意图，显示的是具有多个浮力室的自立提升机系统；

图4是根据本发明的示意性实施例的示意图，其描述具有多个浮力室的自立提升机系统的安装过程。

具体实施方式

现有的适用于石油和天然气开采和生产的潜水浮力室有两种类型，一种是封闭式容器设计，另一种是底部开口式设计。两种类型的浮力室，如果被提升机加压和固定，会对提升机施加一个向上的提升力。有些具体实施例也包括能为系统提供可调节性的技术特征，这样的特征对本领域技术人员来说已知是有多种实现形式的。

封闭式容器设计与潜水艇在某些方面类似，在容器中具有一个或多个典型的用来盛放流体的载物室（ballast chamber），所述流体例如轻型燃气、海水等。一旦达到所需的一定比例的流体，通过阀门或者其它本领域公知的工具可将所述载物室封闭。

底部开口浮力室包括设计有多种功能，这些功能与那些封闭式容器设计有很多是相似的。不过，一旦达到所需的浮力特征，置于室内的流体被室的侧面和顶部限制在内。

图1A所示的是与SSR相连的一个已知的底部开口浮力室，所述浮力室内填满流体，如加压气体。由图可知，平静的水流、极小的外力以及足够的浮力共同作用在SSR上，产生很小的侧向位移力。因此，图1A所示的浮力室相对于其垂直轴只有一点甚至没有倾斜，室内的流体仍然被封闭在其中。

不过，如果有足够大的力作用在室上，比如受到如图1B所示的强水流作用，SSR将会开始倾斜而偏离其垂直轴。图1B还显示出随着系统倾斜并偏离其垂直轴，室内的流体如何改变。但是，室可以承受一定的倾斜角（倾斜角很大程度上取决于设计的尺寸），直到倾斜角达到泄漏点的角度，流体开始从室内流出。

图1C进一步显示了随着倾斜角达到临界值并超过临界值，底部开口浮力室内的气体的泄漏比例会逐渐增大。尤其是，泄漏会导致浮力的更大程度的损失，因而倾斜角会同比增大，从而引起越来越多的气体从室内漏出。最终，足够的气体流出后浮力减小到浮力室不再能够支撑所述提升机，进而引起系统不能工作。

尽管有这样的缺陷，底部开口浮力室能够在很深的水下工作，其比封闭式系统可以相对少的考虑到结构破裂的问题，因为开口式设计在即使很大的深度下仍使得室内的液压与周围的压力相同。另外，底部开口式设计的总体系统重量小，因为没有底部，壳体为了承受深水的水压所需要的厚度小，故而整体需要的结构材料少。

相反，封闭式容器浮力室较少地受到因水流和表面作用而引起倾斜的问题影响，因而较为适合于那些水流和表面作用足够引起较大的偏离垂直轴的侧向位移的水域。不过，如果上述浮力室二者中任何一种存在裂缝（例如，由容器破裂、阀门失效等引起），气体或者其他流体流走，则SSR就会失效，如图1C所示。

封闭式容器浮力室必须同样坚固，以足够抵消外力如深水液压。如图2所示，此室必须，达到一个临界值，具有足够的结构完整性和壁厚来抵抗预知的压力，防止这些压力引起室体外壳的破裂。另外，当布置填充有气体的封闭浮力室时，内部气压和温度足够同比于外部水压和温度，以便相关压力或温度梯度不会引起室内气体体积的有效变化，因为这种提及变化可能引起室的外壳裂缝或者坍塌。

通常来说，SSR系统都仅限于使用单一的浮力室，浮力室具有较大的尺寸。然而，较大的浮力室设计增加了建造和安排所述作业系统的时间和成本。另外，事实证明在深水（例如，>500英尺或者类似）设置大的加压室是一件非常困难的事情。同时，随着浮力室的直径的增大，在建造和实施过程中处理结构失效和翘曲的可能性也同样增大。

下文的具体描述包括示意性的系统、方法和技术来使本发明主体更具体化。不过，需要本领域技术人员理解的是，所描述的具体实施例可能没有描述到一个或多个所公开的具体细节，又或者熟知的制造设备、标准、结构和技术并没有在具体描述中提到，以免引起描述上的模糊不清。

参考图3所示的实施例，所描述的SSR系统14包括多个下级浮力室，用来安装在比任何现有已知的SSR系统更深的水域内。根据替换的实施例，SSR14可堆设有多个浮力室，如图4A、4B、4C和4D所示。尽管图3所示只具有低位SSR组件10和高位SSR组件12，整个SSR系统14可具有任何数目的独立的SSR组件。

在图3所示的实施例中，低位SSR组件10最先布置。在一示例中，为了布置浮力室，配备有特别设计的容器，并利用SSR组件。经过布置，低位SSR组件10与建在泥线附近的匣形井口（casing wellhead）机械地连接。在一典型实施例中，所述匣形井口预设在钻入相关的海底表面内的井孔中。

再进一步的实施例中，一个或多个中间浮力室16装到低位SSR组件10上，从而在深水或者动荡水域加强稳固。受操作条件影响，中间浮力室16可包括封闭式容器设计，但由于上面描述的原因，在大多数情况下会包括底部开口式设计，中间室16必须在任何情况下都可以为控制低位SSR组件10和高位SSR组件14提供所需的支撑力，这一点是绝对需要的。

在进一步的实施例中，中间浮力室16与现有已知的或者为惯用的的钻井、生产或者开采设备机械连接。因而，举例来说，中间浮力室的顶部和底部可能包含一个或多个井喷防护器、采油树，或者井口，所述井口的作用与设置在海底泥线附近的匣形井口类似。在不偏离本发明范围的前提下，利用已知的或惯用的连接和紧固件例如液压耦合器、各种螺母和螺栓组件、焊接接头、压力配件（用或者不用垫圈）、锻压等，可将钻井、生产和开采设备连接。

在进一步的实施例中，高位SSR组件12设置得与井口、井喷防护器或者采油树（或者，与一个或多个此类设备连接的常规设计的设备）机械连接，并安装在中间室16或者与其相关的连接元件的上表面上。根据其他示意性实施例，安装过程持续到所需数目的这类多个组件相互连续地连接，以便形成稳定而有效的SSR系统14，如图4A至4D所示。

为了进一步稳固SSR系统14，一个或者多个的低位提升机组件和高位提升机组件进一步包括一个或多个应力接头，永不吸收组件的长度上所累积的应力，实施例采用应力接头22，如图3所示。应力接头22可包括任何已知的材料，例如，塑料、橡胶或者金属材料，但在任何情况下都能维持SSR 14系统的结构完整性和整体稳定性。

与图3所示的SSR系统14一致，多个高位浮力室18、20包括底部开口室18和底部封闭室20。在一示意性实施例中，至少一个所述高位室——通常位于最上方——包括封闭式设计，而系统中的其他室，包括中间室16，都会包括底部开口式设计。在另一示意性实施例中，系统中的所有室都是开口式或者封闭式的，在进一步的实施例中，开口式和封闭式室在系统中同时存在。

在一些实施例中，在周围液压最大的深水区域，采用多个底部开口式设计浮力室来促进深水区域的布置和安装。其他实施例采用多个设置在SSR系统14顶部附近的底部封闭时室，可提高系统的整体稳固性和平衡。这种配置还可以帮助避免系统受到例如强劲的横向水流等外部侧向力的作用而倾斜偏离其垂直轴的倾向。

在更进一步的实施例中，设置得与高位SSR组件12机械连接的多个浮力室允许整个SSR系统14在各种水深和条件下维持正常功能和稳定性，进而改善效率和可操作性。

进一步的实施例包括多个高位浮力室，其与公知的钻井、生产和开采设备机械连接。因此，例如，高位浮力室的顶部和底部可包括一个或多个井喷防护器、采油树或者井口，所述井口的作用与设置在海底泥线附近的匣形井口的作用类似。

在进一步的实施例中，系统所采用的浮力室进一步包括辅助的浮力材料，例如复合泡沫塑料或者填充有空气的玻璃微球，以为系统增加浮力。向底部开口式室内注射入一种或者多种这些材料，在发生倾斜时或者如果管道、阀门或者其他与浮力室连接的设备破裂或失效，能够帮助防止浮力流体（如气体、液体等）的损失。辅助的浮力材料为流体提供附加的压力和密度，当底部开口中间浮力室相对于其自身垂直轴倾斜而偏离到临界角之外，辅助的浮力材料延缓流体从室内流出。

在图4A所示的实施例中，在配置容器时在海底设置一个低位SSR组件40，此低位SSR组件40与靠近泥线的匣形井口相连。图4A进一步描述了安装在SSR组件40顶部的中间浮力室41。中间浮力室41的其他实施例进一步包括一个或多个已知或惯用的附属机构，例如结合的井喷防护器和采油树，以便在操作过程中除了与高位SSR组件42连接的目的，中间室41还在其他方面有用。在不同的其他实施例中，设置有多个中间浮力室41且与已经安装好的SSR组件或者其他中间浮力室（例如，见图4B至4D）机械连接。

在图4C中，中间SSR组件42和44设置得与固定在中间浮力室42顶部的井口机械连接。在一些示意性实施例中，另外的中间浮力室41、43、45作为中间SSR组件的附加支撑和连接构件。这些实施例具有附加的多个中间SSR组件，从而可以达到迄今为止尚未知的超过15,000英尺的SSR系统深度。

如图4D所示的示意性实施例，最终的SSR组件46配置成完整的SSR系统50。图4D进一步描述了一个采用多个位于SSR组件46顶部的浮力室47以便完成整个SSR系统50的实施例。如前面所述，多个浮力室47的实施例可同时包含底部开口式和底部封闭式设计，或者操作条件所需的任何其他配置，包括只安装一个这种浮力室的配置。

前面的具体描述只用来举例说明，并不意图描述出本发明所有可能的方面。另外，尽管本发明已经通过多个示意性实施例得到显示和描述，本领域的普通技术人员应该知道，在不偏离本发明范围或精神的条件下，可以对本发明进行关于描述的微小改动、其他各种修饰、省略和添加。

Claims (2)

1.一种适用于深水石油和天然气开采和生产的自立提升机系统，所述系统包括：

低位提升机组件，其与主井钻夹具连接；

多个中间浮力室，其与所述低位提升机组件以及中间提升机组件的一个或多个部分连接，其中，一个或多个所述浮力室进一步包括底部开口部分；

高位提升机组件，其与一个或多个高位浮力室连接，其中，一个或多个所述高位浮力室进一步包括底部封闭式设计；

所述底部开口中间浮力室进一步包括流体压舱物，所述流体压舱物进一步包括气体压舱物和/或液体压舱物，还包括辅助压舱物，所述辅助压舱物为所述流体提供附加的压力和密度，

当所述底部开口中间浮力室相对于其自身垂直轴倾斜而偏离到临界角之外，所述辅助压舱物延缓流体从所述室内流出；

所述辅助压舱物为复合泡沫塑料或者填充有空气的玻璃微球。

2.根据权利要求1所述的自立提升机系统，其中，一个或者多个长度的所述低位提升机组件和所述高位提升机组件进一步包括一个或多个应力接头，永不吸收所述组件的长度上所累积的应力。

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