CN103154378B - 双井架抗冰型自升式钻井单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种抗冰型自升式钻机，其可延长在北极海上浅水或易结冰地区的钻井季节。本发明钻机将像传统自升式钻机一样工作，同时在开放水域使船体从水中顶举起来。然而，在结冰条件的情况下，所述船体被下放到水中，进入防冰构造。所述船体特别地成型，其下部是海冰弯曲表面，以在处于所述防冰构造时弯曲和破裂与所述船体接触的海冰。此外，所述抗冰型自升式钻机包括至少两个井架，以使勘探效率翻倍，并降低相关成本。

Description

双井架抗冰型自升式钻井单元

相关申请案

本发明主张2010年10月21日申请的US61/405497的优先权，并且其全部内容以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及移动式海上钻井单元，通常称为“自升式”钻井单元或钻机，其用于浅水，通常小于400英尺，用于油气的勘探或开发钻井。

发明背景

在对油气的不断搜寻中，已开发许多技术来寻找新的油藏和资源，并且为了寻找新发现，已搜遍世界上大部分地区。很少有人期望在靠近人口密集地区和容易到达的地方仍然能找到任何较大的、未被发现的资源。取而代之，是在更具挑战性并难以抵达的地区找到新的大储量。

一个极有可能的地区是在北极海上。然而，北极寒冷、遥远，且水上的海冰对勘察油气造成相当大的挑战。多年来，普遍认为对于每个可盈利的井必须钻出六个无法盈利的井。如果这实际上是真的，那么肯定希望钻出无法盈利的井不那么昂贵。然而，在北极，没有什么是不昂贵的。

目前，在如北极的天气寒冷之地的浅水中，从自升式或移动式海上钻井单元（MODU）的勘探钻井可在短期，开放水域的夏季使用约45到90天。预测钻井季节何时开始和结束是一种机率游戏，并且已采取许多努力来确定自升式平台何时可安全地拖曳到钻井位置以及何时可开始钻井。一旦开始，具有相当的紧迫性来完井以避免不得不在完井之前海冰侵入的情况下断开并退出。即使在几周的开放水域期间，浮冰对所在位置上的自升式钻机存在显著危害，并且自升式钻机的桩腿暴露，并且很容易受损坏。

自升式钻机是移动式、自起升、海上钻井和修井平台，配备有桩腿，其可下放到海床，直到建立基础以支撑船体为止，其含有钻井和/或修井设备，升降系统、船员仓、装载和卸载设施、块体和液体材料的存储区、直升机降落甲板和其它相关设备。

自升式钻机被设计用来拖曳到钻井点并从水中顶举出来，使得波浪作用仅影响具有相当小的横截面的桩腿。然而，自升式平台的桩腿提供很小的针对浮冰碰撞的防御，且任意较大尺寸的浮冰能够导致一个或多个桩腿的结构性损坏，和/或将钻机推离所在位置。如果这种类型的情况在钻井操作暂停并且已完成适当的巩固和弃井之前发生，那么可能会出现油气泄漏。在石油和天然气产业中，即使是很小的这种泄漏风险对于监管机构以及对于公众来说也是完全不能接受的。

因此，一旦确定在这个短季期间已钻出潜在可盈利的井，可将非常大、基于重力的生产系统或类似结构引入，并设置在海床上以用于钻井和生产油气的长期过程。这些基于重力的结构非常大且非常昂贵，但是被建造用来承受常年的冰力。

US4819730公开一种浮动工作平台，其具有在其上提供的两个井架。然而，所述专利涉及半潜式船只，如钻井船。与自升式钻机不同，半潜式船只本质上受制于波浪和浮冰的影响两者，且因此无法承受北极的极端条件。

EP1094193公开一种海上钻井船，其具有双活动钻井总成，使得在实质深水中钻井所涉及的时间可缩短。然而，这个专利也涉及无法在北极的恶劣天气条件下维持所需的高稳定性的钻井船。此外，所公开的双活动钻井总成一次仅可以钻一个井，出于勘探和生产目的，尤其在仅可用非常窄的操作窗口之处，这在本质上是低效的。

US6491477描述具有双悬臂总成的自起升钻井单元，其允许在小平台上双钻井，其中每个钻井单元可按8X8间隔运行。然而，这种钻机仍然受制于变幻莫测的天气，并且没有解决北极或北海钻井中存在的海冰问题。

因此，需要一种可同时承受在北极的极端条件并提供高效勘探能力和移动性的钻井系统和方法。

发明内容

本发明涉及一种改进的自升式钻机，其用于在海上区域中潜在结冰条件下对油气进行勘探钻井，其包括浮动船体，所述浮动船体在其甲板上具有两个井架，以及浮动船体的防冰形状或部分，其用于弯曲和破裂海冰，或使海冰偏离桩腿。

对于一些实施方案，浮动船体包括沿着其下部且围绕浮动船体的外围延伸的海冰弯曲形状。海冰弯曲形状从船体靠近甲板水平或其底部的区域延伸，且向下延伸，且在靠近底部处向内渐缩。抗冰船体可使钻井季节增加一倍或两倍，且因此价值是巨大的。

海冰弯曲形状可包括任选的海冰偏转部分，其绕底部海冰弯曲形状的底部周边延伸以在船体周围而非船体下方引导海冰。这个偏转部分是大致垂直的，但可以在偏离垂直5度到10度内，且可具有任选的漏斗形向外最底端。这种海冰偏转部分可以是浮动船体的部分（因此增加浮力体积），或可作为突出边缘从浮动船体向下悬垂。

一般而言，出于制造便利和成本考虑，船体的海冰弯曲部分由平板（舭缘）组成，但是这不是必需的，且平滑弯曲表面和其组合也包括在本发明的范畴内。

钻机还包括定位在船体周边内的至少三个或四个桩腿，其中桩腿被配置用来从海床提起，使得钻机可被拖曳通过浅水，并且还延伸到海床，并进一步延伸以将船体部分或完全从水中提起。升降机构与每个桩腿相关，并用于按需要升高和降低桩腿。

桩腿可以是开放式桁架腿-一种类似由纵横交错的管状型钢制成的电塔的设计。桩腿也可以是由大型钢管制成的柱形腿。虽然制造柱形腿比开放式桁架腿更廉价，但是其较不稳定，且无法像开放式桁架腿这样良好地适应水中的应力。有鉴于此，在测量大于250英尺深的水中不使用柱形腿自升式平台。

自升式钻机还包括安装在甲板上的至少两个井架。井架定位在甲板的相同侧，或针对改进平衡，优选地定位在甲板的相对侧。在两个井架定位在甲板相同侧的情况中，可在与两个井架相对的甲板相对侧上提供附加平衡构件，但如果单个平衡构件适当地定位在两者之间，那么可能不需要附加平衡构件。在这个实施方案中，可利用至少四个桩腿。双井架系统尤其在利用方向钻井时使钻机的钻井潜能翻倍。

自升式钻机可以是槽口式自升式平台，也称为键槽式自升式平台。钻井槽口自升式平台建有钻井甲板中的开口或月池，且井架定位在其上。然而，优选的设计是悬臂自升式平台。在此，钻井井架安装在从钻井甲板向外延伸的臂上。在使用悬臂自升式平台的情况下，可通过现有平台以及在其外部进行钻井。由于悬臂所提供的运动范围，过去十年内所建的大多数自升式平台是悬臂自升式平台。

本发明还涉及一种用于在易结冰的水中勘探或开发钻井的方法，其中钻出井以确定海底油藏中油气储量的存在和经济可行性。所述方法包括将浮动船体拖曳到勘察点，所述浮动船体在其上部具有相对平坦的甲板和沿着其下部的海冰弯曲形状。所述海冰弯曲形状向下和向内渐缩。

至少三个桩腿定位在船体周边内。每个桩腿向下顶举使得桩腿接合海床，并且当海冰没有威胁到钻机时将船体提起并完全从水中提出来。抗冰船体也可以下放到水中，进入防冰型构造，使得海冰弯曲形状在海平面上方和下方两者延伸，以弯曲和破裂抵靠钻机而浮动的任何海冰。从双井架钻井可在这些阶段的任一者期间发生，且因此钻井潜能尤其在两个井架上利用不同方向的方向钻井时，比单甲板、无边缘的钻机设计改进至少400%到600%。

如本文中所使用，术语“海冰弯曲”指浮动抗冰船体的形状和船体与海水之间的角度，其被设计成使得与抗冰船体接触的海冰将由于由海冰弯曲形状的局部限制和由海水施加的持续浮力而被弯曲并破裂成更小海冰。这些相反的力导致应力积聚和海冰破裂。因此，海冰弯曲船体大致随深度向内延伸，使得越高的部分越大，且越低的部分越小，就如锥形船的船体。

如本文中所使用，“浅水”指具有距海床不大于400英尺的深度的水。

除非上下文另外指示，否则词“一（a或an）”的使用，当在权利要求或本说明书中与术语“包括”结合使用时，意味着一个或多于一个。

术语“约”意味着所述的值加上或减去测量误差幅度，或如果没有指示测量方法，那么加上或减去10%。

除非明确指示仅指替代或如果替代是相互排斥的，否则权利要求中术语“或”的使用是用于意指“和/或”。

术语“包括（comprise）”、“具有”、“包括（include）”和“含有”（和其变型）是开放式连系动词，并且在权利要求中使用时允许添加其它元件。

短语“由…组成”是封闭式的，且排除所有附加元件。

短语“基本上由…组成”排除附加材料元件，但是允许包括不在实质上改变本发明的本质的非关键元件。

附图说明

图1是示例性现有技术的钻机。

图2是本发明的第一实施方案的正视图，其中钻机浮于水中，且可用于拖曳到钻井点。

图3是本发明的第一实施方案的第二正视图，其中钻机从水中顶举出来以用于传统的开放水域钻井。

图4是本发明的第一实施方案的第二正视图，其中钻机被部分下放到冰/水界面，但仍然由其桩腿支撑，处于在潜在结冰条件期间用于钻井的防御型构造。

图5a是示出图3构造的本发明的第一实施方案的一个末端的放大局部正视图，其中海冰抵靠钻机移动。

图5b是示出抗冰船体的第二实施方案的一个末端的放大局部正视图。

图5c是示出抗冰船体的第三实施方案的一个末端的放大局部正视图。

图5d是示出抗冰船体的第四实施方案的一个末端的放大局部正视图。

图6a是本发明的第一实施方案的俯视图，其中悬臂井架被定位用来钻穿月池。

图6b是本发明的第一实施方案的俯视图，其中悬臂井架被定位用来在甲板边缘上钻井。

图7是本发明的第二实施方案的俯视图，其中井架相对于彼此而定位。

图8a是本发明的另一实施方案的俯视图，其中两个悬臂井架定位在甲板的左侧，且舱室单元定位在甲板右侧。

图8b是图8a中所示的实施方案的正视图，其中井架已在甲板边缘上伸出悬臂进行使用。

具体实施方式

本发明用具有防冰能力和安装在甲板上的至少两个井架的自升式钻机而示例。一般而言，船体具有至少一个海冰弯曲部分，其环绕船体，并随着其从甲板靠近其外围处向下悬垂而向内渐缩。在海冰弯曲部分的底部也可以存在大体垂直的边缘或海冰偏转器，其防止海冰在船体下方滑动，并取而代之使其在船体周围偏转。海冰偏转器最基部的向外成尖头的唇缘也可以有益于偏转海冰。

一般而言，船体的破冰部分应该是厚钢（25mm到50mm厚），但是如果内侧上用额外内部肋条加固，和/或附加的二级船体定位在外部船体内，那么可将厚度最小化。在破冰船的技术中已知如何用横向、纵向或斜向的框架构件建立船体框架，以及根据框架风格、框架肋条之间的距离、峰值压力和补片压力而改变壳板厚度，等等。（参见例如，通过1862年纽约州立法机构法案成立的美国船级社公布的GUIDANCE NOTES ON ICE CLASS（2008）（其以引用的方式并入本文中）。可针对强度和低摩擦而使用特别配制的船体聚合物涂料以涂布防冰边缘。具体地，INTERNATIONAL MARINE的Intershield163Inerta160可以是优选的涂层。

现在参考本发明的优选配置或多个配置的详细描述，应理解，本发明特征和概念可体现为其它配置，且本发明的范畴不限于所述或所示的实施方案。本发明的范畴旨在仅受限于下文权利要求的范畴。

实例1

图1是更详细示出自升式钻机的现有技术的钻机100，其包括经由桩腿140而起升至水位180上方的起升船体120、直升机场310、起重机200、具有带钻台660的井架260的悬臂钻井部分220，和降入裸眼井300中穿过海床160并在结束于钻头280的钻柱240。也示出铲形罐座，但未标注。从这个图中省略相当多细节，包括各种安全和控制系统、管道、船员仓、海上设备、任务设备和起升设备，但是可看到，自升式钻机具有有限空间和复杂的结构。在下文中，为查看的简明起见，在一定程度上简化自升式钻机的图。

如图2中所示，抗冰型自升式钻机大致由箭头10指示。在图2中，示出自升式钻机10，其中其船体20浮于海中，且桩腿25处于起升配置，其中桩腿25的大部分长度在船体20的甲板21上方延伸。井架30、30’在甲板21上，其用于钻井。在图2中所示的构造中，自升式钻机10可从一个勘察现场拖曳到另一个现场，以及拖曳到岸上基地以及从岸上基地拖曳出来进行维护和其它岸上服务。

如图3中所示，当自升式钻机10被拖曳到浅水中的勘察钻井点时，桩腿25被下放穿过船体20中的开口27，直到桩腿25底端的足部26接合海床15为止。在优选实施方案中，足部26连接到铲形罐座28以将钻机10固定到海床。或者，可使用衬垫（未示出）。一旦足部26接合海床15，开口27内的升降钻机或起升构件将桩腿25向下推，且因此，船体20从水中起升。在船体20完全被顶举出水的情况下，与波浪对大型浮力对象（如船体20）的影响相比，任何波浪作用和风涛海面更容易穿过桩腿25。如图3中所示，在所述区域无海冰的时候，钻井操作可按常规程序开始。

然而，当海平面12上开始形成海冰时，对于传统自升式钻机，浮冰接触并损坏桩腿25或仅仅将自升式钻机10从钻井点推开的风险变为重大问题，且这种钻机通常在开放水域季节结束时从钻井点移除。抗冰型自升式钻机10被设计来通过呈现如图4中所示的一种防冰型、水中船体构造而抵御浮冰。在图4中，海冰易于抑制波浪和风涛海面，所以海平面12看起来威胁较小，然而，海洋环境的危害只是改变，并没有减少。

当抗冰型自升式钻机10呈现其防冰型、水中船体构造时，船体20被下放至水中以接触水，但是不到船体20将开始浮动的程度。钻机10大部分重量优选地仍在桩腿25上以抵抗浮冰可能带来的任何压力而将钻机10的位置保持在钻井点上。钻机10被下放使得向内倾斜的海冰弯曲表面41（在图5A中示出）桥接海平面12或冰/水界面以接合任何可能在钻机10上出现的浮冰。

图5A示出抗冰船体的一个边缘的特写图。倾斜的海冰弯曲表面41从肩部42向下延伸到颈线44。海冰偏转器45从颈线44向下延伸，且可大体垂直或在其5度到10度之内。

海冰具有在4MPa到12MPa范围内的大压缩强度，但相对于以0.3MPa到0.5MPa范围内的典型屈曲强度的弯曲要弱很多。如图5a中所示，浮冰51沿着海平面12移动的力导致前缘在海平面12下方滑动，且导致部分52和53断开。较小的部分易于在未施加大浮冰影响的情况下浮动经过和围绕浮冰10。例如，可想象跨几百英尺的浮冰可能朝钻机10袭来。如果浮冰破裂成最长尺寸小于二十英尺的小海冰，那么这些小海冰能够绕过钻机10而没有太大问题。

预期如图5B至图5D中所示的其它海冰弯曲形状。图5B示出略微偏离垂直（-10°）的海冰偏转器部分145，其中海冰弯曲形状141从浮动船体121的肩部142轻微插入，在此情况下其也具有肩部142上方的倾斜上边缘。浮动船体优选地是双壁船体，其之间具有加固的梁，以更好地承受浮冰影响。图5C示出凸起的海冰弯曲形状241，针对海冰后坐力，在海冰偏转器245上具有向外倾的弯曲唇部。图5D示出内凹的海冰弯曲形状341，其具有类似向外偏转的末端345。

为另外抵御浮冰可能在钻机10上施加的力，桩腿的足部26可被配置成连接到设置于海床中的罐座28，使得当浮冰抵靠海冰弯曲表面41时，桩腿25实际上向下保持船体20并迫使浮冰弯曲，并抵御浮冰的升力，其在极端情况中可通过将钻机10相对侧上的足部26作为支点或枢轴而起升钻机10的近侧，并在其侧上方推动钻机。对于其它应用已知海床中的罐座，且足部26将包括适当连接以按需要附接到罐座以及从罐座释放。

可能应注意，从如图3中所示的传统开放水域钻井构造转换为图4中所示的水中船体、防冰型构造取决于当时正在进行钻井的什么方面而可能需要大量规划和适应。虽然一些设备可适应甲板21的高度转换，但是其它设备可能需要断开连接或重新构造以适应距海床15的新高度。

抗冰型自升式钻机10被设计成像传统自升式钻机在开放水域中一样运行，但也被设计成以防冰位置安置在水中，且接着如果波浪作用变为问题以及当波浪作用变为问题时重新获得传统姿态或构造。正是抗冰船体20的形状（以及其强度）提供了海冰弯曲和破裂能力。

参考图6A至图6B和图7，船体周边可具有圆形、椭圆或尖头椭圆构造（橄榄球形，未示出）或多边形，以便不论行进原点或路径的方向都呈现有利于在钻机10的外围周围导引海冰的破裂小海冰和部分的形状。海冰易于随风和海流（其易于非共线）或反映海洋和空气两者的影响的一些路径而流动。

如图7中所示，船体可具有刻面或多面的形状，其提供圆形或椭圆形的优点，但构建较不昂贵，因为在其构造中可使用平板。然而，这可能不是必需的，且弯曲的抗冰船体形状在图5C至图5D中示出。

意识到水位随着潮汐和风暴和可能的其它影响而上下移位，破冰表面41将优选地在水位上方延伸至少约五米。水位上方的高度适应非常厚或具有远高于海平面12延伸的脊部的浮冰，但因为肩部42的高度远高于海平面12，所以高的浮冰将随着其与钻机10接触而被下压。同时，船体20顶部的甲板21应够远地高于水位，使得波浪无法冲刷跨过甲板。因而，甲板25优选地为高于海平面12至少7米到8米。相反，颈线42优选地为低于海平面12至少4米到8米，以充分弯曲浮冰以将其破裂成更多无害的小海冰。因此，总浮动抗冰船体高度优选地在5米到20米的范围内，优选地为8米到16米或11米到16米。

还应注意，桩腿25和开口27（桩腿25通过开口27连接到船体20）在保护性海冰偏转器45的圆周内，使得当钻机10处于其防冰条件构造时（如图4和图5A中所示，且有时称为水中船体构造），浮冰不太可能接触桩腿。此外，钻机10不需要处理每个浮冰威胁来为石油和天然气公司显著增加价值。如果钻机10可将钻井季节延长短达一个月，那么在一些易结冰地区将有百分之五十的改进，且因此对本行业提供非常现实的成本节省利益。

参考图6A和图6B，如图6A中所示，井架30、30’可被定位来钻穿海冰偏转器45的周边内的月池，或如图6B中所示，可被配置来以悬臂方式在甲板21的侧上方钻井。图7示出类似布局，但具有俯视图中的多边形船体。注意，虽然大多数图示出3弦管桩腿，但是也可以使用四弦管桩腿。

参考图8A和图8B，讨论具有两个钻机的本发明的另一实施方案。如上文所提及，因为北极的开放水域季节非常短，所以需要提高勘探效率。因此，在自升式钻机的一端甲板21’上并排提供第一井架30和第二井架30’。井架30、30’以悬臂方式运作以便直接穿过海水钻井。然而，井架30、30’也可以被配置来钻穿海冰偏转器周边内的月池。此外，因为井架和悬臂具有相当大的重量，为使其安全和稳定地定位在甲板上，也可以在甲板21’上且优选地在两个井架的相对端上提供适应模块40。在这个配置中，适应模块对两个井架30、30’提供平衡。当然，井架不需要并排，但可如从图7的俯视图中所示彼此相对。

这种双井架自升式钻机的设计和操作是复杂的，主要是由于有限的甲板空间和北极的恶劣条件。自升式钻机越大和越重，则越难顶举并维持钻机平衡。如可了解，井架和适应模块的放置因此对安全和有效操作是非常关键的。桩腿25相对于井架和/或适应模块40的数量和放置也可取决于安装在甲板上的设备的重量、空间和配置而改变。

优选地，为具有更好的平衡，使用至少四个桩腿25。如果空间允许，也可以提供附加桩腿，但更多桩腿也意味着更多区域将受制于波浪和浮冰的影响，且因此使桩腿的数量和放置最优化是至关重要的。

以自升式钻机中的海冰弯曲特征和双井架能力，本发明提供有效、安全和具生产力的方式来显著改进北极的石油和天然气储量的勘探。相比于传统自升式钻机，本发明可通过将浮冰破裂成更小海冰而延长开放水域季节期间的操作周期，并且也通过在钻机上利用两个井架而使勘探能力翻倍，导致勘探操作中的显著节省。

最后，应注意，任何参考文献的讨论不是承认其是本发明的现有技术，尤其是出版日期可能在本申请案的优先权日期之后的任何参考文献。同时，下文的每一条权利要求据此作为本发明的附加实施方案而并入本详细描述或说明书中。

虽然已详细描述本文中所述的系统和过程，但是应理解，可进行各种改变、代替和变更而不脱离由下文权利要求所定义的本发明的精神和范畴。本领域技术人员可以研究优选实施方案，并确认不完全如本文中所述的其它方式来实践本发明。发明者的意图是本发明的变型和等效物是在权利要求的范畴内，而描述、摘要和附图不用于限制本发明的范畴。本发明明确地旨在范围涵盖下文权利要求和其等效物。

以下参考文献的全部内容以引用的方式并入。

1．US4819730

2．EP1094193

3．US6491477

4．通过1862年纽约州立法机构法案而成立的美国船级社公布的GUIDANCE NOTES ON ICE CLASS（2008）。

5．国际船级社协会的关于POLAR CLASS的要求（2011）。

Claims (2)

1.一种钻井自升式钻机，所述自升式钻机包括：

i)具有平坦上甲板的浮动船体；

ii)所述浮动船体的海冰弯曲部分，所述弯曲部分从所述甲板的外围处或靠近所述甲板的外围向下延伸并向内渐缩；

iii)任选的海冰偏转边缘，所述海冰偏转边缘从所述海冰弯曲部分的底部外围垂直向下延伸以在围绕所述浮动船体而非在所述浮动船体下方引导海冰；

iv)定位在所述浮动船体周边内的至少三个桩腿；

v)与每个桩腿相关的自升式装置，以升高和降低每个桩腿；以及

vi)安装在所述甲板上的两个井架；

其中所述两个井架被定位为靠近甲板的边缘，所述两个井架相对于所述甲板的第一中心线被定位在所述甲板上的相同水平侧上并且相对于垂直于所述第一中心线的所述甲板的第二中心线在所述甲板的相对水平侧上，或者所述两个井架被定位在所述甲板的相对水平侧处以致所述两个井架与所述甲板的中心在一条直线上对准。

2.根据权利要求1所述的自升式钻机，其中所述浮动船体的所述海冰弯曲部分距垂直方向的角度是在30度到60度的范围内。