CN103168137A - 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井平台，该钻井平台可以延长北极近海浅水区域或易于结冰区域中的钻探季节。在水面无冰时，在将船壳提升到水面之上的情况下，本发明的自升式钻井平台能够像传统自升式钻井平台一样工作。然而，如果结冰的话，桩腿将通过嵌入到海底的桩靴而保持就位，以抵制钻井平台的横向移动，并且船壳被降到水中以处于冰块防御构型。该船壳特别地构型为具有冰块弯折表面以在处于冰块防御构型时弯折和断裂与船壳接触的冰块。

Description

抗冰型自升式钻井单元

技术领域

本发明涉及一种用于在典型的深度小于400英尺的浅水中钻探碳氢化合物的可移动的近海钻井单元（海上钻井单元），经常称为“自升式”钻井单元或者钻井平台。

背景技术

在对碳氢化合物永不停歇的探寻中，在过去的150年里已经发现了很多的油气储备。已经开发了很多技术以找到新的储备和资源，为了找寻新的发现，地球上的很多地区已经被探测。很少有人认为还可以在居住区及能很容易到达的地方找到任何大面积的、未被发现的资源。然而，在更具挑战性和很难到达的区域中发现了新的大面积储备。

一种前景广阔的区域是北极近海区域。然而，北极遥远且寒冷，水面上的冰块对碳氢化合物的勘探和生产来说都形成了相当大的挑战。多年以来，一般都认为为了找到一个可盈利的油井，必须钻探六个不盈利的油井。如果这种情况属实，那么人们都希望不盈利油井的钻探不昂贵。然而，在北极，极少有什么是不昂贵的。

现在，在像北极一样天气寒冷的地方的浅水中，自升式或可移动浅海钻探单元（MODU）在时间较短的水面无冰的夏季可以使用45至90天。预测钻探季节开始和结束的时间是靠运气的游戏，并且必须付出很多努力以确定自升式钻井单元何时可以安全地拖曳到钻探位置且何时可以开始钻探。一旦开始钻探，尽快地完成钻井是相当紧急的事情，从而避免由于发生了结冰而不得不中断和取消钻井。即使在水面无冰的几周时间内，在钻井平台就位的位置，浮冰对自升式钻井平台而言危害很大，自升式钻井平台的桩腿也暴露在外且极易受到损坏。

自升式钻井平台是可移动的、自升式的、进行近海钻探和油井维护的平台，该钻井平台装配有桩腿，该桩腿设置成被降到海底且然后将船壳提升到水面之上。自升式钻井平台典型地包括钻探和/或油井维护装备、桩腿自升系统、船员起居室、装载和卸载设备、大型液态材料储存区域、直升机降落甲板以及其他相关设备和装备。

自升式钻井平台设计成被拖曳到钻井现场并且提升到水面之上，从而海水的海浪作用力只影响具有相当小的横截面的桩腿，因此允许海浪作用力在不施加给自升式钻井平台显著动量的情况下从旁经过。然而，自升式钻井平台的桩腿几乎没有对浮冰撞击的防御能力，任何有一定规模的浮冰都能对一个或多个桩腿造成结构性破坏和/或将钻井平台推离原位。如果在钻井作业暂停且井适当固定之前发生了此类型事件，那么将可能发生碳氢化合物泄漏。在石油和天然气工业中这类风险对监管者和公众来说都是全然不可接受的。

因此，一旦确定已经开始在该时间较短的季节中钻探潜在可盈利油井之后，可能要引进很大型的、基于重力的生产系统或类似的结构，并且将它们设定在海底以用于钻探和生产碳氢化合物的长时间过程。这种基于重力的结构是很大型的和非常昂贵的，并且被建造成可全年经受冰载荷。

发明内容

本发明更具体地涉及一种用于在近海区域中在可能结冰的环境下用于钻探碳氢化合物的抗冰型自升式钻井平台（ice worthy jack-up rig），所述钻井平台包括漂浮船壳，所述漂浮船壳具有包括位于其上部的相对平整的甲板。所述漂浮船壳还包括沿着其下部的且围绕所述船壳的外周延伸的冰块弯折形状，其中所述冰块弯折形状从所述船壳的靠近甲板水平高度的区域延伸且向下延伸到所述船壳的底部附近，以及一冰块折向部，该冰块折向部围绕所述船壳的底部的外周延伸，从而围绕着所述船壳引导冰块而不是将其引导到所述船壳之下。所述钻井平台包括至少三个桩腿，所述桩腿定位在所述漂浮船壳的底部的外周之内，其中，所述桩腿设置成能够提升离开海底，从而能够将所述钻井平台拖曳经过浅水区域，并且所述桩腿也能够延伸到所述海底并且进一步延伸以将所述船壳局部或者全部提升到水面之上。自升装置与各个桩腿关联以便将所述桩腿提升离开海底从而使得所述抗冰型自升式钻井平台能够通过所述船壳的浮力而漂浮，也以便将所述桩腿下推到海底中，以当浮冰威胁到所述钻井平台时将所述船壳局部提升到水面之上，并且当不存在冰块时将所述船壳全部提升到水面之上。

本发明还涉及一种用于在易于结冰的水域中进行钻井的方法，所述方法包括：提供一漂浮船壳，所述漂浮船壳具有位于其上部的相对平整的甲板，并且具有沿着其下部的冰块弯折形状，其中所述冰块弯折形状从所述船壳的靠近甲板水平高度的区域延伸且向下延伸到所述船壳的底部附近，以及一冰块折向部，所述冰块折向部围绕所述船壳的底部的外周延伸以围绕着所述船壳引导冰块而不是将其引导到所述船壳之下。至少三个桩腿被定位在所述船壳的底部的外周之内。降下各个桩腿以使得当在所述钻井平台在钻井现场钻井期间冰块对于所述钻井平台不构成威胁时所述桩腿底部的桩脚与海底接合并且将所述船壳全部提升到水面之上。进一步将所述船壳降到水中以处于冰块防御构型，从而使得所述冰块弯折形状在海面上下延伸以使碰撞到所述钻井平台的冰块弯折，以使所述冰块下沉到水面之下并且在冰块流过所述钻井平台的位置承受使冰块破裂的弯折力。

附图说明

参考以下结合附图而进行的说明，可以获得对本发明以及本发明的优点更加完整的理解，其中：

图1是本发明的第一实施例的正视图，其中钻井平台/钻探装置漂浮在水中，并且能够被拖曳到钻井现场；

图2A是本发明的第一实施例的正视图，其中钻探装置被提升到水面之上以用于经由月池（船阱）在无冰水面上进行钻探；

图2B是本发明的第一实施例的正视图，其中钻井平台被提升到水面之上以在悬臂式井架（cantilever derrick）定位成在甲板的边缘进行钻探的情况下用于传统的无冰水面上的钻探；

图3是本发明的第一实施例的正视图，其处于用于在潜在冰冻条件期间钻探的防御构型，其中，钻井平台已经局部地下降到海域中，但是依旧由其桩腿支承；

图4A是局部放大正视图，其示出了处于图3构型的本发明第一实施例的一端，其中冰块迎着该钻井平台移动；

图4B是船壳构造的第二实施例的局部放大图；

图4C是船壳构造的第三实施例的局部放大图；

图4D是船壳构造的第四实施例的局部放大图；

图5A是本发明的第一实施例的俯视图，其中悬臂式井架定位成经由月池进行钻探；

图5B是本发明的第一实施例的俯视图，其中悬臂式井架定位成在甲板的侧缘进行钻探；以及

图6是本发明的第五实施例的俯视图。

具体实施方式

现在转而对本发明的一个或多个优选结构布置进行详细说明，应当理解，在其他的结构布置中也可以体现该创造性的特征和概念，本发明的范围不限于这里描述或说明的实施例。本发明的范围仅由下述权利要求的范围限定。

如图1所示，抗冰型自升式钻井平台总体上由箭头10表示。在图1中自升式钻井平台10示出为其船壳20漂浮在大海中且桁架形成处于提升结构布置的桩腿25，其中在该提升结构布置中桩腿25长度的大部分在船壳20上的甲板21之上延伸。当从上面观察时，该桩腿可以具有三角形形状或者具有矩形形状，该桩腿包括位于拐角处的长立柱以及连接到所述立柱的很多横向构件以形成强健的且重量较轻的桁架式结构。在甲板21之上的是用于以传统的方式进行钻井的井架30。钻井平台上用于钻井的传统附属装备没有示出。在如图1所示的构型中，自升式钻井平台10可以从一勘探场地拖曳到另一勘探场地以及从一海岸基地拖曳到另一海岸基地以用于维护和其他海岸服务。

当自升式钻井平台10被拖曳到位于一般的浅水中的钻井现场时，桩腿25经由船壳20中的槽口（围井）27被降下直到位于桩腿25的底端的桩脚26如图2A和2B所示与海底15接合。在优选的实施例中，桩脚26连接到桩靴28以将钻井平台10固定到海底。一旦桩脚26与海底15接合，在槽口27中的举升钻架（jacking rig）将桩腿25向下推，因此船壳20被提升到水面之上。在船壳20完全地提升到水面之上的情况下，与撞击类似于船壳20这样的大型漂浮物体的海浪效应相比，任何海浪作用力和巨浪都更容易冲过桩腿25。如图2A和2B所示，在该区域中没有冰块的情况下能够以常规过程开始钻井作业。当在钻探期间可能结冰时，使用如图2A所示的构型进行钻探。当在钻探作业期间预期冰块不构成威胁时，使用如图2B所示的构型进行钻探。例如，当在无冰水面钻探第一个钻井时，那么当在作业时间窗口中迟些开始钻井时，冰块的威胁性不高。因此，当在海面12上开始结冰时，对于传统的自升式钻井平台而言，浮冰与桩腿25接触并且损坏桩腿25或者完全将自升式钻井平台10推离钻井现场的风险成为一个重大隐患，并且这种钻井平台通常直到水面无冰季节结束时才移离钻井现场。

抗冰型自升式钻井平台10设计成通过采用如图3所示的冰块防御型、船壳位于水中的构型来防御浮冰。在图3中，冰块趋向于抑制海浪和巨浪，所以海面12看起来危险性不高，然而，海洋环境的危险性仅仅是改变了而没有减弱。当抗冰型自升式钻井平台10采用其冰块防御型、船壳位于水中的构型时，船壳20被降到水中以与水接触，但是没有降到船壳20能够开始漂浮的程度。钻井平台10的大部分重量优选地保持在桩腿25上，以抵抗浮冰可能导致的任何压力而将钻井平台10的位置保持在钻井现场上。钻井平台10被降下，从而使得向内倾斜的冰块弯折表面41跨过海面12或从海面上方延伸到海面12下方的水中以与任何可能碰触钻井平台10的浮冰接合。

从图4A中最佳地看出，倾斜的冰块弯折表面41从肩部42开始向下延伸到颈线44，其中肩部42位于海面之上因此在船壳20的底部的上方一定的大距离处并且位于甲板21的外周的附近。颈线44非常靠近船壳的底部或者可能在船壳的底部之下并且整体上围绕船壳20的外周相对于肩部42向内间隔设置。冰块折向器45从颈线44直接向下或者与竖直方向成一定较小角度地向下延伸。如果冰块折向器45与竖直方向成角度的话，优选地向外成角度设置。因此，当诸如图4A中的51所示的浮冰碰触到钻井平台10时，冰块弯折表面41使得浮冰51的前缘下沉到海面12之下。通过钻井平台10的重力、在浮冰的中部上挤压的水的浮力以及浮冰在位于远离钻井平台10的端部处的重力向浮冰的碰触到冰块弯折表面41的端部施加相当大的弯折力。与纯压缩相比，冰块抗弯曲强度较弱，从而使得冰块趋向于从大块浮冰断裂成尺寸较小的、破坏力较小的、危害系数较低的小冰块。例如，可想到几百英尺、可能几英里那么大的浮冰会碰触到钻井平台10。如果浮冰断裂成最长尺寸小于20英尺的小块并且优选地尺寸更小的冰块，那么这种小块可以从钻井平台10四周经过，隐患明显较小。

应当注意在描述冰块弯折表面时，取向是关键。冰块弯折表面从肩部42向下向内倾斜。该冰块弯折表面从颈线44开始向上向外倾斜。

在图4B中，示出了船壳的第一替代形状，该船壳带有稍稍偏离竖直方向（-10°）的冰块折向器145，其中冰块弯折形状141从肩部142稍稍内置，肩部142之上的船壳区域也是向外和向上倾斜的表面。图4C示出了第二替代实施例，其具有凸状冰块弯折表面241，该冰块弯折表面241带有向外倾向的弯唇，该弯唇形成用于冰块反冲的冰块折向器245。图4D示出了第三替代实施例，其具有凹状冰块弯折表面341，该冰块弯折表面341带有向外和向下弯曲的冰块折向器345。

可以看出非线性冰块弯折表面341在冰块沿着冰块弯折表面341进一步向下滑动时提供更大的弯折力。向外成角度设置的冰块折向器245和345的形状设计成为防止任何冰块在船壳20下方滑动。

冰块具有处于4至12MPa范围内的巨大压缩强度，但是抗弯折性较小，典型的抗弯强度位于0.3至0.5MPa范围内。如所示，沿着海面12移动的浮冰51的力使得其前缘在海面12下方滑动并且使得区段52断裂。在浮冰51断裂成诸如区段52和小冰块53的较小浮冰块的情况下，较小区段趋向于漂过钻井平台10且在钻井平台10的周围漂浮，而不施加大块浮冰的影响或力。优选地，冰块不会被压迫到船壳20的底部的平整部之下，冰块折向器45使得冰块转向以在船壳20的侧边周围漂浮。如果在钻井位置处预期出现非常厚的冰块的话，钻井平台可以设置有如下的冰块折向器45：该冰块折向器45设置成延伸到比船壳20的底部更加靠下的位置并且以比冰块弯折表面41更陡峭的角度向下延伸，这将增大作用在浮冰上的弯折力。应当意识到颈线可能在或者不在船壳20的漂浮部分的底部处，从而冰块折向器45可能从船壳20的底部的平整部开始向下延伸，或者可能向下延伸到船壳20的底部的平整部。另外，应当意识到甲板21可选地可以与船壳20分开并在船壳20上方与船壳相间隔。

为了额外地抵抗浮冰可能施加到钻井平台10上的力，桩腿的桩脚26可以设置成与设置在海底的桩靴28连接，从而使得当浮冰碰撞冰块弯折表面41时，桩腿25实际上将牵制船壳20且迫使浮冰弯折且抵抗浮冰的提升力——该浮冰的提升力在极端的情况下可能抬起钻井平台10的近侧并且通过以钻井平台10的相对侧的桩脚26作为支点或者枢轴而在钻井平台10的侧部将其推翻。海底中的桩靴已知用于其他的应用，桩脚26可包括适当的连接件以按要求连接到桩靴上以及从桩靴上拆卸下来。

可能应当注意到：根据当时正进行的钻探进展，从如图2A所示的传统无冰水面钻井构型转换到如图3所示的船壳在水中的冰块防御型构型可能需要较大规模的规划和调整。虽然一些装备能够适应甲板21高度的改变，但是也需要拆卸或者重构其他装备以适应距离海底15的新高度。

抗冰型自升式钻井平台10设计为像无冰海面中的传统自升式钻井平台一样作业，但是也设计为在冰块防御位置下安放到水中，然后当海浪作用力成为隐患时重新获取传统的姿态或构型。由船壳20的形状（还有船壳20的强度）来提供冰块弯折和断裂的可能性。

参考图5，船壳20（从上面观察时）可能具有圆形或者椭圆形构型，从而体现出如下的形状：不管钻井平台10的取向或冰块行进路线如何，该形状都有利于使得钻井平台10的外周周围的断裂的小冰块、冰块和冰块区段转向。冰块趋向于随风和海流而动，其中风和海流往往不是线性对应的，或者一些轨迹反映出海水和空气两者的影响力。

如图6所示，船壳20可具有多面或多边的形状，这样的形状具有圆形或者椭圆形的优势并且可更加便宜地构造。构成船壳的板有可能由平板形成，从而整个结构包括平整材料诸如钢的区段并且较不复杂。意识到海平面随着退涨潮和风暴以及其他可能因素而上升和下降，破冰表面41优选地延伸到水平面或海面12之上至少大约5米。海面12之上的高度适应相当厚或者具有充分地延伸到海面12之上的脊突的浮冰，但是因为肩部42的高度充分地位于海面12之上，所以高的浮冰当它们碰触到钻井平台10时将被迫向下。同时，位于船壳20的顶部的甲板21距离吃水线应该足够远，从而波浪不会冲洗到甲板21。如此，甲板21优选地位于海面12之上至少7至8米以及可能更高。相反地，颈线42优选地位于海面12之下至少4至8米以充分地弯折浮冰以使之断裂成无危害的小冰块。因此，船壳20的从底部的平整部到甲板21的高度优选地处于5至16米的范围内，更加优选地，处于8至16米的范围内或者11至16米的范围内。

也应当注意，桩腿25和槽口27（其中，桩腿25通过槽口27而连接到船壳20）都位于冰块折向器45的外周之内，从而使得当钻井平台10处于如图3所示的冰块防御状态构型（有时也称为船壳位于水中的构型）时，浮冰不太可能接触到桩腿。此外，钻井平台10不必处理每一个浮冰威胁，这显著地提高石油和燃气公司的利润。如果抗冰型钻井平台10能将钻探季节延长短短的一个月，那么在一些易于结冰的区域产率将是50%的提高，因此向该产业提供实实在在的节约成本的益处。50%的更长的钻井窗口允许每年能够钻探2或3个油井而不是1或2个油井，这实质上降低了成本并且增加了油和气的产量。

参考图5A和图5B，井架30可以如图5A所示定位成经由位于冰块折向器45的外周之内的月池进行钻探，或者可以如图5B所示设置成以悬架式的方式在甲板21的侧缘处进行钻探。

最后，应当注意对任何参考资料的讨论并不是承认其是本发明的现有技术，特别是公开日期在本申请的优先权日之后的参考资料。同时，以下的各项和各条权利要求特此纳入到该详细描述或说明中以作为本发明的附加实施例。

虽然这里已经详细描述了一些系统和处理，但是应当理解在不脱离由以下的权利要求所限定的本发明的精神和范围的基础上可以进行多种修改、替换和变更。本领域中的技术人员可以研究优选的实施例，并且认识到与本文中所述并非完全一样的实现本发明的其他方式。发明人的意图是将本发明的变型和等同方案都纳入到权利要求的范围之内，同时说明书、摘要和附图并不用于限定本发明的范围。本发明特别地试图扩展为与以下的权利要求和它们的等同方案一样宽泛。

Claims (12)

1.一种用于在近海区域在潜在结冰条件下钻探碳氢化合物的抗冰型自升式钻井平台，所述钻井平台包括：

漂浮船壳，所述漂浮船壳具有位于其上部的相对平整的甲板，并且具有沿着其下部的且围绕所述船壳的外周向下和向内延伸的冰块弯折形状，其中所述冰块弯折形状从所述船壳的靠近甲板水平高度的区域延伸且向下延伸到所述船壳的底部附近；

冰块折向部，所述冰块折向部围绕所述船壳的底部的外周延伸以围绕着所述船壳引导冰块而不是将冰块引导到所述船壳之下；

至少三个桩腿，所述桩腿定位在所述漂浮船壳的底部的外周之内，其中，所述桩腿设置成能够提升离开海底从而使得能够将所述钻井平台拖曳经过浅水区域，并且所述桩腿也能够延伸到海底并且进一步延伸以将所述船壳局部或者全部提升到水面之上；以及

自升装置，所述自升装置与各个桩腿关联，以便将所述桩腿提升离开海底从而使得所述抗冰型自升式钻井平台能够通过所述船壳的浮力而漂浮，也以便将所述桩腿下推到海底，并且当浮冰威胁到所述钻井平台时将所述船壳局部提升到水面之上并且当不存在冰块时将所述船壳全部提升到水面之上。

2.根据权利要求1所述的抗冰型自升式钻井平台，还包括锚定机构，所述锚定机构与各个桩腿的桩脚关联以额外地抵抗浮冰施加到所述钻井平台上的力。

3.根据权利要求1或2所述的抗冰型自升式钻井平台，其特征在于，所述冰块弯折表面从尺寸较小的颈线向上和向外倾斜到尺寸较大的肩部。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的抗冰型自升式钻井平台，其特征在于，所述冰块弯折表面在竖直方向上延伸至少8至10米或更多。

5.根据权利要求4所述的抗冰型自升式钻井平台，其特征在于，所述冰块弯折表面与竖直方向所成的角度处于30°至60°的范围内。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的抗冰型自升式钻井平台，其特征在于，所述冰块弯折表面包括围绕所述钻井平台的外周延伸的多个相对平整的、倾斜的区段。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的抗冰型自升式钻井平台，其特征在于，所述冰块弯折表面是加固表面。

8.一种用于在易于结冰的水域中钻井的方法，所述方法包括：

提供一钻井平台，所述钻井平台具有漂浮船壳和冰块折向部，所述漂浮船壳具有位于其上部的相对平整的甲板和沿着其下部的冰块弯折形状，其中所述冰块弯折形状从所述船壳的靠近甲板水平高度的区域延伸且向下延伸到所述船壳的底部附近，所述冰块折向部围绕所述船壳的底部的外周延伸以围绕着所述船壳引导冰块而不是将冰块引导到所述船壳之下；

提供至少三个桩腿，所述桩腿定位在所述船壳的底部的外周之内；

降下各个桩腿，使得所述桩腿底部上的桩脚与海底接合，并且当在所述钻井平台在钻井现场钻井期间冰块对于所述钻井平台不构成威胁时，将所述船壳全部提升到水面之上；

将所述船壳降到水中以处于冰块防御构型中，从而使得所述冰块弯折形状在海面之上和之下延伸，以使碰撞到所述钻井平台的冰块弯折，以使所述冰块下沉到水面之下，并且在冰块流过所述钻井平台的位置承受使冰块破裂的弯折力；以及

经由所述钻井平台钻井。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括将所述桩腿锚定到海底以进一步抵抗浮冰的力的步骤。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述冰块弯折表面从肩部延伸到颈线，将所述船壳降到水中的步骤更具体地包括将所述船壳降到水中以使得所述颈线位于海面之下至少4米且所述肩部位于海面之上至少7米。

11.根据权利要求8至10中的任一项所述的方法，还包括当浮冰的危害性降低时将所述船壳提升到水面之上的步骤。

12.一种用于在易于结冰的水域中钻井的方法，所述方法包括使用根据权利要求1至7中的任一项所述的钻井平台。

Images