CN102227349B - 半潜式海上结构物 - Google Patents

Abstract

一种用于海上操作的半潜式海上结构物。在一个实施例中，该结构物包括浮力式船体。该船体包括第一伸长的水平浮体，该第一伸长的水平浮体具有纵向轴线、第一末端和第二末端。所述浮体包括：第一节，该第一节设置在浮体的第一末端；第二节，该第二节设置在浮体的第二末端；以及中间段，该中间段从所述第一节轴向延伸至第二节。此外，该第一节具有在仰视图中垂直于所述纵向轴线测量的宽度W₁，该第二节具有在仰视图中垂直于所述纵向轴线测量的宽度W₂，且该中间段具有在仰视图中垂直于所述纵向轴线测量的宽度W₃。沿轴向从所述第一节至第二节，该宽度W₃是变化的。

Description

半潜式海上结构物

关于联邦资助研发项目的声明

不适用。

技术领域

本公开总体上涉及浮动式海上结构物。更具体地，本公开涉及用于海上钻井和开采的浮力半潜式海上平台。再具体地，本公开涉及半潜式海上平台的船体和浮体的几何形状。

背景技术

最常规的半潜式海上平台包括：船体，该船体具有足够的浮力来支撑水面上方的作业平台；以及刚性和/或柔性的管道或立管，该管道或立管从所述作业平台延伸至设有一个或多个钻场或井场的海底。该船体通常包括多个水平浮体，所述多个浮体支撑多个直立的立柱，这些立柱又支撑水面上方的作业平台。通常，所述浮体的尺寸和立柱的数量取决于该作业平台的重量和尺寸以及要支撑的相关有效载荷。海上结构物的“吃水”通常是指水线与该结构物底部之间的竖直距离。

常规的浅吃水半潜式海上平台主要用于水深超过约300英尺(91米)的海上位置。典型的浅吃水半潜式平台具有在60英尺和100英尺(18.3m和30.5m)之间的吃水，并且包括用于将其位置保持在井场上方的常规悬链式伸展系泊设备。这类半潜式平台的运动通常相对较大，因此，它们需要使用从海底延伸至作业平台的(柔性或刚性的)“悬链”立管，而较重的井口设备通常安装在海底，而不是安装在作业平台上。这些立管具有悬链形状，以吸收该结构物的较大垂荡(竖直运动)和水平运动。由于其运动较大，常规半潜式平台通常不支撑高压的顶部张紧式立管。

通过增加半潜式海上平台的吃水，能够提高其稳定性并减小其移动范围。这么做需要延长立柱并将浮体设置在水面以下的、通常海浪扰动力较小的更深位置。因此，深吃水半潜式海上平台(即具有至少约150英尺(约45m)的吃水)通常比常规浅吃水半潜式平台具有明显更小的竖直运动和旋转运动，从而使该深吃水平台能够在恶劣风暴期间、在无需断开立管的情况下支撑顶部张紧式钻井和开采立管。此外，可以增大这些浮体的上表面和下表面的表面积，使得浮船具有更大的附加质量，从而增大水中运动的阻力并延长垂荡固有周期。当垂荡固有周期延长时，能够避开波峰能量。

在常规型和深吃水型半潜式海上平台中，船体被分成若干个封闭的隔室，每个隔室均具有能够针对浮态和纵倾而受到调节的浮力。典型地，泵送系统将压载水泵入这些隔室和从隔室中抽出，以调节它们的浮力。这些隔室通常由浮体及立柱内的水平和/或竖直舱壁形成。通常，当该平台处于其操作构型时，浮体的隔室以及立柱的下隔室填充有压载水，并且立柱的上隔室为该平台提供浮力。

半潜式海上平台的最终组件的定位可以涉及：在船坞(码头区)、其海上操作现场或近岸(整合现场)，将船体(即浮体和立柱)与作业平台(上部结构)整合在一起。对于在船坞处的整合，利用重型起吊设备(例如重型起重机)将该作业平台起吊并安装到船体，然后，使用重型起重船或拖船将完全组装好的半潜式平台运输到操作现场。对于具有相对长的立柱的深吃水半潜式平台来说，该方法可能不可行。对于在操作现场的整合，通过以浅吃水拖运该船体或通过使该船体浮在重型起重船上来将船体离岸运输到其操作现场。当船体到达其操作现场时，通过将海水泵入到浮体和立柱中来压载该船体使其下沉，然后，利用重型起重驳船上携载的重型起重机或通过使用甲板驳船将作业平台浮运到局部下潜的船体的顶部上，来将该作业平台起吊到立柱的顶部。在任一种情况下，该过程通常都是在远海(例如距岸100英里或161公里)实现并在公海进行的，并且该过程强烈依赖于气候条件以及是否有可用的重型起重驳船，从而使其既成本高昂，又有风险。对于在近岸处的整合，利用在靠近海岸的水中的、重型起重机或重型起重驳船来将作业平台起吊并安装到船体，然后将该组装好的平台运输到操作现场。与在操作现场的组装相比，近岸组装通常成本更低且风险更低。然而，因为海岸附近的水通常较浅，所以对于一些深吃水半潜式结构物来说，由于立柱长度以及水深，可能无法进行进岸整合，并且也许不能将船体压载下沉到远远足以允许用重型起重机或重型起重驳船将作业平台安装到船体上。

在钻井或开采操作期间，通常希望使海上平台的运动最小化，以使该平台的位置维持在井场上方并降低对立管造成损坏的可能性。海上平台运动的一个分量是垂荡，它是指海上平台在海浪运动的作用下而产生的竖直直线移位。为了与顶部张紧式立管或干式采油树解决方案相结合使用，该浮动式结构物优选具有如下的垂荡特性：即，使得立管的行程(船体与浮力罐或立管之间的相对运动)和张力在可接受的极限内。此外，为了与钢悬链立管或湿式采油树解决方案相结合使用，该浮动式结构物优选具有如下的垂荡特性：即，使得立管的疲劳要求和强度要求处于可接受的极限内。

对于大多数半潜浮动式结构物来说，其垂荡取决于该结构物的吃水以及船体的几何形状。如上所述，通常，该结构物的吃水越深，垂荡就越小。然而，增加船体的吃水可能会限制采用码头区上部结构整合的能力。此外，增加船体的吃水通常会导致船体的重量增加以及材料成本和制造成本的增加。

因此，本领域仍然需要如下一种半潜式海上平台，该半潜式海上平台在浅吃水应用中具有可接受的垂荡特性，并且能以更成本有效的方式进行制造。

发明内容

一个实施例中，通过一种半潜式海上结构物满足了本领域中的这些及其他需求。在一实施例中，该结构物包括设置在水面上方的设备甲板。此外，该结构物还包括浮力式船体，该浮力式船体联接到设备甲板并延伸至水面以下。该船体包括第一竖直立柱和第二竖直立柱，每个立柱均具有位于甲板附近的上端和设置在水下的下端。此外，该船体还包括第一伸长的水平浮体，该第一伸长的水平浮体具有纵向轴线、第一末端、和与第一末端相反的第二末端。该浮体包括：第一节，该第一节设置在浮体的第一末端并位于第一立柱的下端之下；第二节，该第二节设置在浮体的第二末端并位于第二立柱的下端之下；以及中间段，该中间段从第一节轴向延伸至第二节。此外，该第一节具有在仰视图中垂直于所述纵向轴线测量的宽度W₁，该第二节具有在仰视图中垂直于所述纵向轴线测量的宽度W₂，且该中间段具有在仰视图中垂直于所述纵向轴线测量的宽度W₃。此外，沿轴向从所述第一节至第二节，该宽度W₃是变化的。

在另一个实施例中，通过一种半潜式海上结构物满足了本领域的这些及其他需求。在一实施例中，该结构物包括设置在水面以上的作业平台。此外，该结构物包括第一竖直立柱和第二竖直立柱，每个立柱均从所述作业平台处的上端延伸至设置在水下的下端。此外，该结构物还包括伸长的水平浮体，该伸长的水平浮体联接到第一立柱的下端及第二立柱的下端。该浮体具有纵向轴线、第一末端、和与第一末端相反的第二末端。该浮体包括：第一节，该第一节位于第一立柱的下端之下；第二节，该第二节位于第二立柱的下端之下；以及中间段，该中间段从第一节轴向延伸至第二节。更进一步，该第一节具有下表面积A₁，该第二节具有下表面积A₂，且该中间段具有下表面积A₃。此外，面积A₃比上该面积A₁及面积A₂之和的比率在0.45至0.60之间。

因此，本文所描述的实施例包括旨在解决与某些现有结构物、系统和方法相关的各种缺点的、特征和优点的组合。对于本领域的技术人员来说，通过阅读以下详细描述并参考附图，上述各种特性以及其他特征将显而易见。

附图说明

为了详细描述本发明的优选实施例，现在将参考附图，在附图中：

图1是常规的半潜多立柱浮动式海上平台的透视图；

图2是部署在海上的、图1的海上平台的侧视图；

图3是图1的海上平台的仰视平面图；

图4是图1的海上平台的船体的示意性仰视图；

图5是图1的海上平台的其中一个浮体的示意性仰视图；

图6是根据本文所述原理的半潜多立柱浮动式海上平台的一个实施例；

图7是图5的海上平台的侧视图；

图8是图5的海上平台的仰视平面图；

图9是图5的海上平台的示意性仰视图；

图10是图5的海上平台的其中一个浮体的示意性仰视图；

图11是曲线图，其针对给定的海浪谱将图1的海上平台的垂荡RAO与图5的海上平台的垂荡RAO进行了比较；并且

图12是曲线图，其针对表示百年一遇飓风的给定海浪谱将图1的海上平台的垂荡响应谱与图5的海上平台的垂荡响应谱进行了比较。

具体实施方式

以下讨论涉及本发明的各个实施例。虽然这些实施例中的一个或多个可能是优选的，但本文所公开的实施例不应解释为或以其他方式用作对本公开的范围(包括权利要求书)的限制。此外，本领域技术人员将会理解，以下描述具有广泛的适应性，并且对任何实施例的讨论仅表示该实施例是示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求书)局限于该实施例。

在以下描述和权利要求书中，通篇使用了某些术语来指代特定的特征件或部件。本领域技术人员将会知道，不同的人可能会用不同的名称来指代相同的特征件或部件。本文并不意图对名称不同但功能相同的部件或特征件进行区分。附图不必按比例绘制。本文中的某些特征件和部件可能以夸张的比例或以稍微示意性的形式示出，并且为了清楚和简洁起见，常规元件的某些细节可能未示出。

在以下讨论和权利要求书中，词语“包括”和“包含”以开放的形式使用，因此应理解为表示“包括但不限于…”。另外，词语“联接”或“联结”旨在表示间接或直接连接。因此，如果第一装置联接到第二装置，则此连接可以是直接连接，或者是经由其他装置和连接件进行的间接连接。此外，术语“轴向的”和“轴向地”通常表示沿着或平行于中心轴线或纵向轴线(例如钻柱轴线)，而术语“径向的”和“径向地”通常表示垂直于中心轴线或纵向轴线。例如，轴向距离是指沿着或平行于中心轴线或纵向轴线测得的距离，而径向距离表示从中心轴线或纵向轴线垂直地测得的距离。

现在参考图1和图2，示出了常规的半潜多立柱浮动式海上结构物或平台10。在图2中，平台10被示出为以深吃水操作构型部署在水体1中，并且利用绷腿系泊系统12锚固在操作现场上方。海上平台10包括浮动船体15，该浮动船体15具有可调浮力式水平基座20和从基座20竖直延伸的多个可调浮力式立柱50。当可操作地部署该平台10时，将作业平台或设备甲板60安装到船体15的立柱50的顶部。在油气钻井或开采操作中使用的各种设备(例如，井架、绞车、泵、洗涤器、沉淀器等)设置在设备甲板60上并由设备甲板60支撑。

现在参考图1至图4，船体15的基座20包括多个直的伸长浮体21，这些浮体21端对端地连接而形成具有中心开口23的、闭环式的基座20，立管可以穿过该中心开口23到达设备甲板60。在此特定设计中，四个浮体21端对端地连接而形成大致正方形的基座20，该基座20具有形成在两个浮体21的相交部分处的四个角部28。每个浮体21均在两个立柱50之间延伸并包括压载舱，该压载舱可以选择性地填充有压载水，以调节基座20的浮力。

现在参考图3至图5，每个浮体21均在第一末端21a和第二末端21b之间沿着中心轴线或纵向轴线22直线延伸。每个浮体21具有在其末端21a、21b之间平行于轴线22测量的长度L₂₁。在此常规设计中，每个浮体21具有相同的长度L₂₁。

如上所述，四个直的伸长浮体21端对端地连接而形成闭环式的船体15。特别地，各个浮体21的每个末端21a、21b均与另一个浮体21的一端21a、21b相交而形成角部28。例如，如图3和图4最佳示出的，围绕基座20顺时针来看：第一浮体21的第二末端21b与第二浮体21的第一末端21a相交，第二浮体21的第二末端21b与第三浮体21的第一末端21a相交，第三浮体21的第二末端21b与第四浮体21的第一末端21a相交。

仍然参考图3至图5，每个浮体21均包括：第一段或第一节24，该第一段或第一节24位于一个立柱50下方并支撑该一个立柱50；在浮体21的另一端处的第二段或第二节26，该第二段或第二节26位于另一立柱50下方并支撑该另一立柱50；以及中间段25，该中间段25在节24和26之间延伸。如本领域所知及本文所用的，术语“节”是指浮体(例如浮体21)或船体基座(例如基座20)的一部分，其位于立柱(例如立柱50)下方并支撑该立柱。通常，所述节的边界由舱壁限定，这些舱壁将浮体或船体基座划分或分隔成不同的隔室。在多数情况下，每个节均略微延伸超出其所支撑的立柱的周界。对于包括直的浮体或侧面的船体基座(例如，三角形船体基座，矩形船体基座等)来说，所述节通常设置在立柱下方的船体基座角部内的浮体相交部分处。

从第一末端21a向第二末端21b沿轴向来看：第一节24从第一末端21a轴向延伸至舱壁31，该舱壁31大致与在开口23的开始处垂直于轴线22的竖直平面P₂₄重合；中间段25从第一节24、舱壁31和平面P₂₄轴向延伸至第二节26和舱壁32，该舱壁32与在开口23的末端处垂直于轴线22的竖直平面P₂₆大致重合。因此，中间段25是每个浮体21的沿着开口23延伸的部分，而所述节24、26是每个浮体21的位于立柱50下方且与相邻浮体21相交的部分。由于两个浮体21在每个角部28和每个节24、26处相交，所以应当理解，在仰视图中，一个浮体21的第一节24与另一不同浮体21的第二节26重合(且重叠)。中间段25是每个浮体21的、在仰视图(图3和图4)中唯一不与另一浮体21相交或重叠的部分。

仍然参考图3至图5，在仰视图中，每个节24的下表面具有表面积A₂₄，每个节26的下表面具有表面积A₂₆，而每个中间段25的下表面具有表面积A₂₅。如本文所用的，术语“下表面”是指结构物的在仰视图中(即，从下方大致平行于立柱的中心轴线观察时)可见的表面。应当理解，每个节24均与一个节26重合，因此每个节24的下表面积A₂₄与每个节26的下表面积A₂₆相同。此外，每个浮体21具有在仰视图中垂直于其轴线22测量的宽度W₂₁。在该常规设计中，每个浮体21的宽度W₂₁沿着其整个长度L₂₁恒定或一致。因此，所述节24、中间段25和节26的宽度W₂₁相同。

再次参考图1至图4，船体15的每个立柱50均在第一末端或上端50a与第二末端或下端50b之间、沿着直的中心轴线或纵向轴线55直线延伸。每个立柱50的轴线55垂直于每个浮体21的轴线22。甲板60附接到每个立柱50的上端50a，而基座20在每一对浮体21的相交部分处附接到每个立柱50的下端50b。特别地，每个立柱50的下端50b安放在每个浮体21的一个节24、26的顶部。在该设计中，每个立柱50包括多个平行的伸长筒状物54，这些筒状物54在上端50a和下端50b之间从甲板60延伸至基座20。每个筒状物54均包括多个由舱壁限定的竖直堆叠的隔室，这些隔室可以填充有固体压载物、压载水、空气或它们的组合，以可调地控制每个筒状物54和立柱50的浮力。

如图2至图4中最佳示出的，每个立柱50具有宽度W₅₀，该宽度W₅₀是在侧视图(图2)中垂直于轴线55并在仰视图(图4)中垂直于与该立柱50附接的一个浮体21的轴线22而测量的。在该常规设计中，宽度W₅₀沿着每个立柱50的整个长度恒定或一致，因而每个立柱50具有相同的宽度W₅₀。如图4中最佳示出的，每个浮体21的宽度W₂₁略大于每个立柱50的宽度W₅₀。每个伸长的竖直筒状物54取向为平行于轴线55，并且具有半径r₅₄。此外，每个筒状物54距离其相应立柱50的轴线55是等距的。由于在该常规设计中每个立柱50由四个筒状物54构成，所以这些筒状物54大致限定了矩形立柱50，其中每个立柱50的宽度W₅₀大约为半径r₅₄的4倍。

现在参考图6和图7，图中示出了根据本文所述原理的半潜多立柱浮动式海上平台100。在图7中，平台100被示出为以操作构型部署在水体1中，并且利用绷腿系泊系统112锚固在操作现场上方。然而，通常可以采用任何适当的系泊系统(例如悬链式系泊等)来限制该平台100的运动。海上平台100包括浮动船体115，该浮动船体115具有可调浮力式水平基座120和从基座120竖直延伸的多个可调浮力式立柱150。当可操作地部署该平台100时，将作业平台或设备甲板160安装到船体115的立柱150的顶部。在油气钻井或开采操作中通常使用的各种设备(例如，井架、绞车、泵、洗涤器、沉淀器等)设置在设备甲板160上并由设备甲板160支撑。

现在参考图6至图9，船体115的基座120包括多个直的伸长浮体121，这些浮体121端对端地连接而形成具有中心开口123的、闭环式的基座120，立管可以穿过该中心开口123到达设备甲板160。在该实施例中，四个浮体121端对端地连接而形成大致正方形的基座120，该基座120具有形成在浮体121的相交部分处的四个角部128。每个浮体121均在两个立柱150之间延伸并包括压载舱，该压载舱可以选择性地填充有压载水，以调节基座120的浮力。

现在参考图8至图10，每个浮体121支撑两个立柱150并在第一末端121a和第二末端121b之间沿着中心轴线或纵向轴线122直线延伸。在该实施例中，每个浮体121在仰视图中关于其轴线122对称。每个浮体121具有在其末端121a、121b之间平行于轴线122测量的长度L₁₂₁。在该实施例中，每个浮体121的长度L₁₂₁均相同，但在其他实施例中，一个或多个浮体的长度(例如一个或多个浮体121的长度L₁₂₁)可以不同。

如前文所述，四个直的、伸长浮体121端对端地连接而形成闭环式的船体115。特别地，各个浮体121的每个末端121a、121b均与另一浮体121的一端121a、121b相交而形成角部128。例如，如图8和图9最佳示出的，围绕基座120顺时针来看：第一浮体121的第二末端121b与第二浮体121的第一末端121a相交；第二浮体121的第二末端121b与第三浮体121的第一末端121a相交；第三浮体121的第二末端121b与第四浮体121的第一末端121a相交。

在该实施例中，浮体121各具有垂直于其纵向轴线122截取的矩形横截面。然而，通常，根据本文所述原理的海上结构物的浮体(例如浮体121)可以具有任何适当的横截面，包括但不限于：圆形、椭圆形、三角形等。

仍然参考图8至图10，每个浮体121均包括：第一段或第一节124，该第一段或第一节124位于一个立柱150下方并支撑该一个立柱150；在浮体121的另一端处的第二段或第二节128，该第二段或第二节128位于另一立柱150下方并支撑该另一立柱150；以及中间段126，该中间段126从第一节124轴向延伸至第二节128。从第一末端121a向第二末端121b沿轴向来看：第一节124从第一末端121a轴向延伸至中间段126和舱壁131，该舱壁131大致与垂直于轴线122的竖直平面P₁₂₄重合；第二节128从第二末端121b轴向延伸至中间段126和舱壁134，该舱壁134大致与垂直于轴线122的竖直平面P₁₂₇重合。由于两个浮体121在每个角部128和每个节124、128处相交，所以应当理解，在仰视图中，一个浮体121的第一节124与另一不同浮体121的第二节128重合(且重叠)。中间段126是每个浮体121的、在仰视图(图8和图9)中唯一不与另一浮体121相交或重叠的部分。

在仰视图中，每个节124的下表面具有表面积A₁₂₄，每个节128的下表面具有表面积A₁₂₈，每个中间段126的下表面具有表面积A₁₂₆。应当理解，每个节124均与一个节128重合，因此每个节124的下表面积A₁₂₄与每个节128的下表面积A₁₂₈相同。此外，在该实施例中，每个节124、128的下表面积A₁₂₄、A₁₂₈相同，并且每个中间段126的下表面积A₁₂₆相同。

仍然参考图8至图10，每个浮体121具有在仰视图中垂直于其轴线122测量的宽度W₁₂₁。与上述浮体21不同，在该实施例中：每个浮体121的宽度W₁₂₁沿着其长度L₁₂₁和中心轴线122是变化的；第一节124具有恒定或一致的宽度W₁₂₄且第二节128具有恒定或一致的宽度W₁₂₈，但在中间段126中，宽度W₁₂₁是变化的。特别地，每个中间段126可以分成具有宽度W_126a的第一过渡部分126a、具有宽度W_126c的第二过渡部分126c、以及在过渡部分126a和126b之间延伸并具有宽度W_126b的中间部分126b。在第一过渡部分126a内，宽度W_126a沿轴向从第一节124至中间部分126b减小；在第二过渡部分126c内，宽度W_126c沿轴向从第一节124至中间部分126b减小；在中间部分126b内，宽度W_126b恒定或一致。在该实施例中，宽度W₁₂₄和宽度W₁₂₈相同，但宽度W_126b小于宽度W₁₂₄及宽度W₁₂₈。此外，宽度W_126a、W_126c分别从宽度W₁₂₄、W₁₂₈过渡到宽度W_126b。因此，每个浮体121的宽度W₁₂₁在节124、128内最大(即，宽度W₁₂₄和宽度W₁₂₈均表示每个浮体121的最大宽度)，并且在中间段126的中间部分126b内最小(即，宽度W_126b表示每个浮体121的最小宽度)。因此，每个浮体121可以大致描述为在仰视图(图10)中具有“哑铃”形状。

如图9和图10中最佳示出的，每个浮体121具有在仰视图中位于其轴线122的两侧的一对横向侧壁136。在过渡部分126a、126c中，横向侧壁136在仰视图中随着它们朝向中间段126延伸而朝彼此会聚，并且在中间段126中，横向侧壁136在仰视图中大致平行于轴线122延伸。具体地，在过渡部分126a、126c中，每个侧壁136均取向为在仰视图中相对于轴线122成锐角α。该角度α优选在30°至60°之间。在平台100的该实施例中，每个侧壁136在过渡部分126a、126c内以大约45°的角度α取向。

再次参考图6至图9，船体115的每个立柱150均在第一末端或上端150a与第二末端或下端150b之间、沿着直的中心轴线或纵向轴线155直线延伸。每个立柱150的轴线155垂直于每个浮体121的轴线122。甲板160附接到每个立柱150的上端150a，而基座120在两个浮体121的相交部分处附接到每个立柱150的下端150b。特别地，每个立柱150的下端150b安放在每个浮体121的一个节124、128的顶部。在该实施例中，每个立柱150包括多个平行的伸长筒状物154，这些筒状物154在上端150a和下端150b之间从甲板160延伸至基座120。每个筒状物154均包括多个由舱壁(舱面)限定的竖直堆叠的隔室，这些隔室可以填充有固体压载物、压载水、空气或它们的组合，以可调地控制每个筒状物154和立柱150的浮力。

每个立柱150具有宽度W₁₅₀，该宽度W₁₅₀是在侧视图(图6)中垂直于轴线155并在仰视图(图7和图8)中垂直于与该立柱150附接的一个浮体121的轴线122而测量的。在该实施例中，每个立柱150的宽度W₁₅₀相同，并且沿着每个立柱150的整个长度一致。每个伸长的竖直筒状物154取向为平行于轴线155，并且每个筒状物154具有半径r₁₅₄。此外，在该实施例中，每个筒状物154距离其相应立柱150的轴线155是等距的。由于在该实施例中每个立柱150由四个筒状物154构成，所以这些筒状物154大致限定了矩形立柱150，其中每个立柱150的宽度W₁₅₀大约为半径r₁₅₄的4倍。

如前文所述，海上浮动式结构物(例如平台10、平台100)的垂荡特性受到该结构物的吃水以及该结构物的几何形状的影响。就几何形状而言，影响垂荡的一个关键因素是下侧浮体(例如浮体21)的形状，尤其是受到海浪施加的竖直力的浮体下表面的形状。该浮体下表面的形状可以通过“浮体下表面积比”来表征，其被定义为：浮体的除了所述节之外的其余部分的下表面积与浮体的所述节的总下表面积的比率，具体如下：

其中：

SA_节为该浮体的所述节的下表面积之和；

SA_其余部分为该浮体的下表面积减去浮体的所述节的下表面积；并且

SA_浮体为整个浮体的下表面积。

在如图1至图4所示的上述海上平台10中采用的常规浮体设计中，一个浮体21的节24、26的下表面积之和是下表面积A₂₄加下表面积A₂₆，而每个浮体21的其余部分的总下表面积是面积A₂₅。因此，上述常规浮体21的浮体下表面积比为：

$\frac{A_{25}}{(A_{24}+A_{26})}$

在上述平台100的实施例中，一个浮体的节124、128的下表面积之和是下表面积A₁₂₄加下表面积A₁₂₈，而每个浮体121的其余部分的总下表面积是下表面积A₁₂₆。因此，上述平台100的浮体下表面积比为：

$\frac{A_{126}}{(A_{124}+A_{128})}$

对于浮体21以及用于半潜式海上结构物的最常规的浮体，该浮体下表面积比通常在0.75至1.0之间。然而，对于根据本文所述原理的“哑铃”形浮体(例如浮体121)的实施例，该浮体下表面积比优选在0.45至0.6之间。特别地，上述每个浮体121具有大约0.54的浮体下表面积比。

每个浮体的下表面形状也可以通过“最小浮体-立柱宽度比”来表征，其被定义为：在仰视图中垂直于浮体中心轴线或纵向轴线测量的浮体最小宽度与在仰视图中垂直于浮体中心轴线或纵向轴线测量的在立柱和浮体的相交部分处由该浮体支撑的立柱的宽度(即立柱覆盖区的宽度)的比率，具体如下：

在上述海上平台10中采用的常规浮体设计中，每个立柱50的宽度W₅₀沿其整个长度一致，因此，每个立柱50在其与浮体21的相交部分处垂直于浮体21的轴线22测量的宽度为宽度W₅₀。此外，每个浮体21的宽度W₂₁沿其整个长度恒定或一致，因此，每个浮体21的最小宽度为宽度W₂₁。因此，上述常规浮体21的浮体-立柱宽度比为：

$\frac{W_{21}}{W_{50}}.$

在上述平台100的实施例中，每个立柱150的宽度W₁₅₀沿其整个长度一致，因此，每个立柱150在其与浮体121的相交部分处垂直于浮体121的轴线122测量的宽度为宽度W₁₅₀。此外，每个浮体121的宽度W₁₂₁沿着中间部分126b为最小值，因此每个浮体121的最小宽度为宽度W_126b。因此，上述“哑铃”形浮体121的浮体-立柱宽度比为：

$\frac{W_{126b}}{W_{150}}.$

对于浮体21以及用于半潜式海上结构物的最常规的浮体，该浮体-立柱宽度比通常在1.15至1.25之间。然而，对于平台100的浮体121的实施例，该浮体-立柱宽度比优选小于1.0，更优选在0.65至0.75之间。特别地，上述每个浮体121具有大约0.7的浮体-立柱宽度比。

与常规半潜式海上结构物中采用的浮体(例如，平台10中采用的浮体21)相比，本文所述包括“哑铃”形浮体的实施例(例如，包括浮体121的平台100)使得如下船体成为可能：该船体具有减轻的重量和减少的材料要求。此外，不受该理论或任何特定理论的限制，通过减小船体下表面的垂直面积或表面积，相信本文所述实施例与常规海上平台相比提供了减小垂荡的可能(尤其是在吃水较浅的应用(例如，吃水约120英尺的应用)中)。与常规设计相比，通过在不显著增加垂荡的情况下减小吃水，本文所述实施例还提供了如下可能：即，增加码头区上部结构整合的容易性。

不受该理论或任何特定理论的限制，浮体下表面积比以及浮体-立柱宽度比的优选范围为浮体在具有足够强度和刚度的同时受到减小的垂荡提供了可能。例如，如果浮体下表面积比变得足够小，即浮体的除了所述节之外的其余部分的下表面积相对较小，则浮体在受到水下载荷和扭矩时可能不具有足够的强度和刚度。同样，如果浮体-立柱宽度比变得足够小，即浮体的最小宽度相对较小，则浮体在受到水下载荷和扭矩时可能不具有足够的强度和刚度。

虽然已经示出和描述了优选实施例，但在不脱离本文的范围或教导的情况下，本领域技术人员可以对这些优选实施例进行修改。本文所述实施例仅仅是示例性而非限制性的。可以对本文所述的系统、设备和方法进行多种变型和修改，这些变型和修改都在本发明的范围内。例如，各个部件的相对尺寸、制造各个部件所用的材料以及其他参数可以改变。因此，保护范围不限于本文所述的实施例，而是仅由下文中的权利要求书限制，权利要求书的范围应包括权利要求的主题的所有等同物。

为了进一步示出本发明的各种示例性实施例，提供了以下实例。

实例1

为了研究“哑铃”形浮体对垂荡运动的影响，使用可从WAMIT Inc.(Chestnut Hill，Massachusetts)公司购得的WAMII

海浪相互作用分析工具来对具有上文所述和图6、7所示平台100的实施例的形状和几何尺寸的、半潜式海上结构物的运动响应进行建模，然后将其与具有上文所述和图1、2所示平台10的形状和几何尺寸的、常规半潜式海上结构物进行比较。特别地，对于给定的海浪谱，比较了平台100和平台10的垂荡响应幅值算子(RAO)。对两个平台均以150英尺(45.72米)的吃水进行建模。垂荡RAO的对比如图11所示。对于小于约20秒的所有海浪周期，平台100的垂荡RAO均小于平台10的垂荡RAO。在约15秒至20秒之间的海浪周期，平台100的垂荡RAO比平台10的垂荡RAO大约小48％。如本领域所知，垂荡RAO与海上结构物的预计垂荡运动直接相关。具体地，垂荡RAO谱和海浪谱、垂荡响应谱可以由下式导出：

S_R(ω)＝[RAO(ω)]²*S(ω)

其中：

S_R(ω)为垂荡响应谱，S(ω)为波谱，ω为波浪频率

图12示出在百年一遇的飓风中、平台100和平台10的垂荡响应谱。该垂荡响应谱曲线下方面积的平方根被视为垂荡运动的均方根(rms)值。下表1示出了平台100和平台10的垂荡运动的rms值的比较。

平台类型	垂荡运动的Rms值(英尺)
		平台100	2.82
平台10	4.11

Claims (21)

1.一种半潜式海上结构物，包括：

设备甲板，所述设备甲板设置在水面上方；

浮力式船体，所述浮力式船体联接到所述设备甲板并延伸至水面以下；

其中，所述船体包括：

第一竖直立柱和第二竖直立柱，每个立柱均具有位于所述甲板附近的上端和设置在水下的下端；

第一伸长的水平浮体，所述第一伸长的水平浮体具有纵向轴线、第一末端、和与第一末端相反的第二末端；

其中，所述浮体包括：第一节，所述第一节设置在所述浮体的所述第一末端并位于所述第一立柱的下端之下；第二节，所述第二节设置在所述浮体的所述第二末端并位于所述第二立柱的下端之下；以及中间段，所述中间段从所述第一节轴向延伸至所述第二节，

其中，所述第一节具有在仰视图中垂直于所述纵向轴线测量的宽度W₁，所述第二节具有在仰视图中垂直于所述纵向轴线测量的宽度W₂，并且所述中间段具有在仰视图中垂直于所述纵向轴线测量的宽度W₃；

其中，沿轴向从所述第一节至所述第二节，所述宽度W₃是变化的，

其中，所述浮体具有在仰视图中垂直于所述浮体的纵向轴线测量的最小宽度W_min，且所述第一立柱的下端具有在仰视图中垂直于所述浮体的纵向轴线测量的宽度W_立柱；

其中，宽度W_min与宽度W_立柱的比率在0.65至0.75之间。

2.根据权利要求1所述的结构物，其中，沿轴向从所述第一末端至所述中间段，所述宽度W₁是恒定的，并且其中，沿轴向从所述第二末端至所述中间段，所述宽度W₂是恒定的。

3.根据权利要求1所述的结构物，其中，所述中间段包括第一过渡部分、第二过渡部分和中间部分，所述中间部分从所述第一过渡部分轴向延伸至所述第二过渡部分；

其中，所述第一过渡部分从所述第一节轴向延伸至所述中间部分，且所述第二过渡部分从所述第二节轴向延伸至所述中间部分；并且

其中，在所述第一过渡部分内，所述中间段的宽度W₃沿轴向从所述第一节至所述中间部分减小，并且在所述第二过渡部分内，所述中间段的宽度W₃沿轴向从所述第二节至所述中间部分减小。

4.根据权利要求3所述的结构物，其中，在所述中间部分内，所述中间段的宽度W₃沿轴向从所述第一过渡部分至所述第二过渡部分是恒定的。

5.根据权利要求3所述的结构物，其中，所述宽度W₃在所述中间部分中是最小值。

6.根据权利要求1所述的结构物，其中，所述第一节具有下表面积A₁，所述第二节具有下表面积A₂，且所述中间段具有下表面积A₃；并且

其中，面积A₃与面积A₁加面积A₂之和的比率在0.45至0.60之间。

7.根据权利要求3所述的结构物，其中，所述第一过渡部分和所述第二过渡部分各自均包括在仰视图中位于所述浮体的纵向轴线的两侧的一对横向侧壁，其中每个横向侧壁均取向为在仰视图中相对于所述浮体的纵向轴线成一角度α，并且其中角度α在30°至60°之间。

8.根据权利要求7所述的结构物，其中，角度α为45°。

9.根据权利要求1所述的结构物，其中，所述船体还包括：

多个伸长的水平浮体，每个浮体均具有纵向轴线、第一末端、以及与第一末端相反的第二末端；

多个竖直立柱，每个立柱均具有位于所述甲板附近的上端和设置在水下的下端；

其中，每个浮体均包括：第一节，所述第一节设置在所述第一末端处并位于所述多个立柱中的一个立柱的下端之下；第二节，所述第二节设置在所述第二末端处并位于所述多个立柱中的一个立柱的下端之下；以及中间段，所述中间段从所述第一节轴向延伸至所述第二节；

其中，每个浮体的所述第一节具有在仰视图中垂直于所述浮体的所述纵向轴线测量的宽度W₁，每个浮体的所述第二节具有在仰视图中垂直于所述纵向轴线测量的宽度W₂，并且每个浮体的所述中间段具有在仰视图中垂直于所述纵向轴线测量的宽度W₃；

其中，沿轴向从所述第一节至所述第二节，每个浮体的所述宽度W₃是变化的。

10.根据权利要求9所述的结构物，其中，每个浮体的所述中间段均包括第一过渡部分、第二过渡部分和中间部分，所述中间部分从所述第一过渡部分轴向延伸至所述第二过渡部分；

其中，每个浮体的所述第一过渡部分从所述第一节轴向延伸至所述中间部分，且每个浮体的所述第二过渡部分从所述第二节轴向延伸至所述中间部分；并且

其中，在所述第一过渡部分内，每个浮体的所述中间段的宽度W₃沿轴向从所述第一节至所述中间部分减小，并且在所述第二过渡部分内，每个浮体的所述中间段的宽度W₃沿轴向从所述第二节至所述中间部分减小。

11.根据权利要求10所述的结构物，其中，每个浮体的所述宽度W₃在所述中间部分中是最小值。

12.根据权利要求11所述的结构物，其中，每个浮体具有在仰视图中垂直于所述浮体的纵向轴线测量的最小宽度W_min，且每个立柱的下端具有在仰视图中与设置在所述立柱下方的所述浮体的纵向轴线垂直地测量的宽度W_立柱；并且

其中，每个浮体的所述宽度W_min与所述宽度W_立柱的比率在0.65至0.75之间。

13.根据权利要求9所述的结构物，其中，每个浮体的所述第一节具有下表面积A₁，每个浮体的所述第二节具有下表面积A₂，且每个浮体的所述中间段具有下表面积A₃；并且

其中，每个浮体的面积A₃与面积A₁加面积A₂之和的比率在0.45至0.60之间。

14.一种半潜式海上结构物，包括：

作业平台，所述作业平台设置在水面以上；

第一竖直立柱和第二竖直立柱，每个立柱均从所述作业平台处的上端延伸至设置在水下的下端；

伸长的水平浮体，所述伸长的水平浮体联接到所述第一立柱的下端及所述第二立柱的下端，其中所述浮体具有纵向轴线、第一末端、和与第一末端相反的第二末端；

其中，所述浮体包括：第一节，所述第一节位于所述第一立柱的下端之下；第二节，所述第二节位于所述第二立柱的下端之下；以及中间段，所述中间段从所述第一节轴向延伸至所述第二节，

其中，所述第一节具有下表面积A₁，所述第二节具有下表面积A₂，且所述中间段具有下表面积A₃；并且

其中，面积A₃与面积A₁加面积A₂之和的比率在0.45至0.60之间。

15.根据权利要求14所述的结构物，其中，所述浮体具有在仰视图中垂直于所述纵向轴线测量的宽度，其中，在沿轴向从所述第一节进入所述中间段时，所述浮体的宽度减小，并且在沿轴向从所述第二节进入所述中间段时，所述浮体的宽度减小。

16.根据权利要求14所述的结构物，其中，所述中间段包括第一过渡部分、第二过渡部分和中间部分，所述中间部分从所述第一过渡部分轴向延伸至所述第二过渡部分；

其中，所述第一过渡部分从所述第一节轴向延伸至所述中间部分，且所述第二过渡部分从所述第二节轴向延伸至所述中间部分；并且

其中，所述第一节具有在仰视图中垂直于所述纵向轴线测量的宽度W₁，所述第二节具有在仰视图中垂直于所述纵向轴线测量的宽度W₂，且所述中间段的所述中间部分具有在仰视图中垂直于所述纵向轴线测量的宽度W_m；

其中，所述宽度W_m小于所述宽度W₁及所述宽度W₂。

17.根据权利要求16所述的结构物，其中，所述第一立柱的下端具有在仰视图中垂直于第一浮体的所述纵向轴线测量的宽度W_立柱；并且

其中，所述宽度W_m与所述宽度W_立柱的比率小于1.0。

18.根据权利要求17所述的结构物，其中，所述宽度W_m与所述宽度W_立柱的比率在0.65至0.75之间。

19.根据权利要求16所述的结构物，其中，所述第一过渡部分具有在仰视图中垂直于所述纵向轴线测量的宽度，所述第一过渡部分的宽度沿轴向从所述第一节至所述中间部分减小；并且其中，所述第二过渡部分具有在仰视图中垂直于所述纵向轴线测量的宽度，所述第二过渡部分的宽度沿轴向从所述第二节至所述中间部分减小。

20.根据权利要求16所述的结构物，其中，沿轴向从所述第一过渡部分至所述第二过渡部分，所述中间部分的宽度W_m是恒定的。

21.根据权利要求16所述的结构物，其中，所述第一节的宽度W₁与所述第二节的宽度W₂相同。

Images