CN103261566A - 升流管组件及方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于从海底位置（404）输送流体的升流管组件（400）及方法。所述升流管（406）组件包括：升流管，其包括至少一段柔性管；至少一个浮力元件（408），用于向所述升流管的一部分提供正浮力；以及绑定元件（410），用于将所述浮力元件绑定至固定结构（412）且抵抗所述浮力元件的正浮力。

Description

升流管组件及方法

本发明涉及一种用于提供包括一个或多个浮力模块的升流管（riser）组件的方法和装置。更具体（但不是排他地），本发明涉及一种适用于石油和天然气行业中的升流管组件，用于为浮力模块提供加强支撑，以帮助在安装之后防止不期望的活动。

通常，柔性管用于将产出流体（诸如石油和/或天然气和/或水）从一个位置输送到另一个位置。柔性管在将海底位置连接至海平面位置时尤其有用。柔性管一般形成为管主体和一个或多个端配件的组件。管主体通常由构成承压管道的复合分层材料形成。这种管结构允许大幅偏转，而不导致在管使用期内损害其功能的弯曲应力。管主体一般构造成包括金属层和聚合物层的复合结构。

在已知的柔性管设计中，管包括一个或多个拉伸装甲层（armourlayer）。这种层上的主要负载是拉伸力。在高压应用中，拉伸装甲层经历来自内压端帽负载和重量的高拉伸负载。由于这种情况会经历很长时间，所以这会导致柔性管的故障。

过去已经尝试的在某种程度上可缓解上述问题的一种技术是沿升流管的长度方向在预定的位置添加浮力辅助物。相对于其他配置（诸如水中的拱形结构），浮力辅助物的采用涉及相对较低的安装成本，并且还允许相对较快的安装时间。已知的利用浮力辅助物来支撑升流管的中间段的升流管结构的实例在图1a和图1b中示出，这些图分别示出了“陡波形”结构和“缓波形”结构。在这些配置中，提供了一种升流管组件200，其适用于将产出流体（诸如石油和/或天然气和/或水）从海底位置输送至漂浮设备202（诸如平台或浮标或船）。提供的升流管为柔性升流管（即，包括柔性管），且包括附着于其上的分散的浮力模块204。浮力模块和柔性管的定位可配置成给出陡波形结构206₁或缓波形结构206₂。

然而，在一些应用中，浮力模块可能会对升流管组件重量的变化做出反应，例如由于海生物（附着于升流管上的贝壳和其他海洋生物和/或海洋废弃物）导致的变化。替换地或此外，由于日复一日的运动或慢慢磨损，浮力模块的含量密度可能经历渐渐（或突然）改变。这会引起升流管的浮力支撑量（因此，相对于海底之上的相对高度）改变。浮力支撑量的任何改变会对提供给柔性管的拉伸缓解具有不利影响，这最终会减少升流管的使用寿命。

另外，这种重量的改变会导致不期望的状况，即，升流管组件由于弹跳至水面或沉入海底而从其指定位置完全移位。这尤其适用于浅水应用场合（小于1000英尺（304.8米）），因为在浅的深度处，任何的浮力改变都会对高度改变具有更显著的影响。对任何邻近的升流管组件或船结构的干扰会成为问题。

本发明的一个目的在于至少部分地缓解上述问题。

本发明实施方式的目的在于提供一种升流管组件及一种制造能够在水下大约1000英尺（304.8米）的深度操作的升流管组件的方法。

本发明实施方式的目的在于提供一种升流管组件，其中浮力模块可固定至或整体包括于升流管组件，以提供漂浮升流管的优势，而没有与升流管重量的改变相关的不足。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于将从海底位置输送流体的升流管组件，包括：升流管，其包括至少一段柔性管；至少一个浮力元件，用于向升流管的一部分提供正浮力；以及绑定元件，用于将浮力元件绑定至固定结构且抵抗浮力元件的正浮力。

根据本发明的第二方面，提供了一种支撑柔性管的方法，该方法包括以下步骤：提供包括至少一段柔性管的升流管；提供用于向升流管的一部分提供正浮力的至少一个浮力元件；以及提供用于将浮力元件绑定至固定结构并抵抗浮力元件的正浮力的绑定元件。

本发明的某些实施方式提供了向浮力元件提供加强支撑以帮助在安装浮力元件之后防止不期望的活动的优势。这样可以改善升流管的整体性能。

本发明的某些实施方式提供了升流管组件对于改变升流管的重量不太敏感的优势。

本发明的某些实施方式提供了升流管组件相对于已知结构可相对较快地安装并且安装成本相对较低的优势。

附图说明

在以下参考附图进一步描述本发明的实施方式，附图中：

图1a示出一种已知的升流管组件；

图1b示出另一种已知的升流管组件；

图2示出一种柔性管主体；

图3示出另一种升流管组件；

图4示出本发明的升流管组件；

图5示出图4中的升流管组件的另一视图；

图6示出图4中的升流管组件的正面视图；

图7示出本发明的一个实施方式的侧视图；

图8示出本发明的实例；

图9示出本发明的另一个实施方式；

图10示出本发明的方法；以及

图11示出本发明的另一方法。

具体实施方式

附图中，相同的参考符号代表相同的部件。

整个说明将参考柔性管。需要了解的是，柔性管是管主体的一部分及一个或多个端配件的组件，管主体的相应端部终止于每个端配件中。图2示出了根据本发明实施方式的管主体100是如何由构成承压管道的复合分层材料形成的。虽然在图2中示出了多个特殊的层，但应理解的是，本发明可广泛适用于包括由多种可能材料制成的两层或更多层的复合管主体结构。需进一步注意的是，所示出的层厚度仅为了说明的目的。

如图2所示，管主体包括可选的最内框架（carcass）层101。该框架提供联锁结构，该联锁结构可用作最内层，以防止内压护套102由于管的减压、外部压力和拉伸装甲压力及机械粉碎负载而完全或部分地塌陷。需要理解的是，本发明的某些实施方式适合于“光滑孔”也适合于“粗糙孔”的应用场合。

内压护套102作为流体保持层且包括确保内部流体整体性的聚合物层。需要理解的是，该层本身可包括多个子层。需要理解的是，当使用可选的框架层时，对于本领域技术人员而言，内压护套通常指阻挡层。在没有这种框架的操作（所谓的光滑孔操作）中，内压护套可指衬件。

可选的压力装甲层103是具有接近90°的捻角（lay angle）的结构层，这增加了柔性管对于内部压力和外部压力及机械粉碎负载的抵抗。这层也在结构上支撑内压护套。

柔性管主体还包括可选的第一拉伸装甲层105和可选的第二拉伸装甲层106。每个拉伸装甲层都是具有通常在20°和55°之间的捻角的结构层。每一层用于支撑拉伸负载和内部压力。拉伸装甲层通常成对地相反卷绕。

所示出的柔性管主体还包括可选的胶带层104，该层有助于容纳下面的层并在一定程度上防止相邻层之间的磨损。

柔性管主体通常还包括可选的绝缘层107和外护套108，外护套包括用于保护管免受海水和其他外部环境的渗透、腐蚀、磨损和机械损害的聚合物层。

每个柔性管包括至少一部分（有时称作一段或一节）管主体100及位于柔性管的至少一个端部的端配件。端配件提供构成柔性管主体和连接器之间的过渡的机械装置。例如，图2所示的不同的管层终止于端配件中，以此方法转移柔性管和连接器之间的负载。

图3示出了一种适用于将产出流体（诸如石油和/或天然气和/或水）从海底位置301输送至漂浮设备302的升流管组件300。例如，在图3中，海底位置301包括海底流线。柔性流线305包括柔性管，该柔性管整体或部分地静止于海底304上或埋在海底之下且用于静态应用中。漂浮设备可由平台和/或浮标或如图3所示的船提供。升流管300设置为柔性升流管，也就是说，将船连接至海底设备的柔性管。

需要理解的是，如本领域技术人员所熟知的，升流管有不同的类型。本发明的实施方式可以用于任何类型的升流管，诸如自由悬浮的升流管（自由的悬链（catenary）升流管）、在一定程度上受限制的升流管（浮标、链条）、完全受限制的升流管或包含在管（I型或J型管）内的升流管。

图3还示出了柔性管主体的各部分是如何用作流线305或跨接线（jumper）306的。

图4示出了本发明的升流管组件400，根据例如在海底404触底区域中的升流管布置，该升流管组件可设置成陡波形4021或波形缓4022形式。升流管组件400包括升流管406，该升流管可包括至少一段柔性管（即，一节或多节柔性管主体）及一个或多个端配件，管主体的相应端部终止于端配件中。该升流管组件还包括一个或多个浮力元件408（诸如浮力模块或浮力辅助物）。在图4所示的实例中，示出了五个浮力元件。当然，需要清楚的是，为满足特定情况的要求，可使用更少或更多的浮力元件。

升流管组件400还包括一个或多个绑定元件410（其可以为链条、绳索或其他束缚辅助物）。绑定元件410将浮力元件408绑定至固定结构，在本实例中，固定结构是位于海底404上的锚重物412。此外，需要理解的是，图4的实例示出了将五个浮力模块中的三个分别绑定至三个锚重物的绑定元件，但根据实际情况的要求，也可使用其他数量的绑定元件，且绑定元件与浮力元件的比例是可以改变的。例如，可以绑定所提供的每个浮力元件，或者可以绑定更少的浮力元件。浮力元件可以固定至升流管或与升流管构成一体。

绑定元件的提供有助于支撑和固定浮力元件的位置，以利于在升流管组件安装之后防止浮力元件的活动。例如，这会减少浮力元件干扰任何邻近的升流管或船结构的几率。

在本实施方式中，相比于在之前的已知结构中使用的浮力元件，浮力元件408具有增加的浮力。例如，相比于已知方法，这可以通过使用更大的浮力元件或通过提供更多的浮力元件来达到此效果。以这种方式，增加的浮力在升流管上产生向上的力，这将导致升流管组件在这节升流管处明显浮起。需要理解的是，中等的（neutral）浮力使物体保持在海平面上的相同高度处，而不会上下移动，负浮力明显导致物体下沉，而且正浮力使物体朝水面上升。

然而，通过提供与浮力元件的向上力相反的力，绑定元件410抵抗浮力元件408的正浮力。即，绑定元件410克服与浮力元件408的力进行拉动。因此，绑定元件处于恒定拉伸力中，并且浮力元件和升流管组件在海底以上的高度大致固定。当然，绑定的设置也有助于在所有其他方向上固定浮力元件的位置。

根据上述设置，由浮力元件和固定至锚重物的绑定元件所施加的力可以互相抵消，绑定元件处于恒定拉伸力中。因此，可能偏离升流管组件的整体浮力的改变（诸如由海生物导致的额外重量），或者随着时间推移导致浮力元件的含量密度的改变，不会影响浮力元件的位置，因此不会影响升流管的位置。即，即使升流管组件的向下的力或者重量增加，也有来自浮力元件的足够的向上的力来确保绑定元件处于拉伸状态，并且升流管组件的位置大致不变。绑定元件上的拉伸力会随着时间而减小，但是这个拉伸力是预定的以保持足够的拉伸度，即使当升流管组件由于海生物和/或上述的其他浮力影响因素而达到最大重量也如此。

图5示出了升流管组件400的另一视图，其具有连接至一节升流管406的浮力元件408和用于将浮力元件固定至锚重物412的绑定元件410。虽然所示实例示出了将绑定元件410通过环构件414绑定至浮力元件408和锚重物412，但需要清楚的是，可以使用任何合适的固定技术。例如，可附接单根绳索，使其中心部分位于浮力元件的上表面上并且端部延伸以可固定至一锚定件。还需要清楚的是，所述的绑定元件可以全部或至少部分地是柔性的，同时能够在拉伸力下起作用。

图6示出了升流管组件400的又一视图，示出了通过圆形截面的升流管406和浮力元件408的横截面。该视图示出了剖切升流管的纵向轴线的平面，这里称为正面视图。在本实施方式中，绑定元件410相对竖直线以20°至40°之间的视角设置，如视角α所示。通过以这种角度设置绑定元件提供了特别稳定的绑定配置。

图7示出了本发明的另一实施方式，示出了升流管组件500的侧视图。升流管组件500在许多方面与图4的升流管组件相似。然而，在本实施方式中，共有四个绑定元件510（其中两个在图7的侧视图中示出）。绑定元件510可以以与上述实施方式相同的方式利用环构件或者以任何其他方式绑定至浮力元件508和锚重物512。在本实施方式中，绑定元件510相对于竖直线以5°至15°之间的角度设置，如视角β所示。

在本实施方式中，当从侧方向观看（即，垂直于图6所示平面的平面）时，绑定元件510相对于竖直线以5°至15°之间的视角设置。依照图6，绑定元件可以另外在正面方向上相对于竖直线以20°至40°之间的视角设置。技术人员需要清楚的是，以这种视角配置的绑定元件实际上在包括竖直线和绑定元件的平面内形成另一不同的角度。这种设置提供了特别稳定的绑定配置，提供了对配置的轴向及横向的结构支撑。这种配置还将与邻近的升流管和船结构的干扰降至最低。

图8示出了锚重物512如何设置的各种实例。绑定元件的拉伸力需求和/或升流管或绑定件的动态响应可以确定最适合应用的配置类型。锚重物512或其他固定结构可直接安置在海底上或者可以构建在桩基或其他这种结构上。

图9示出了本发明的又一实施方式。根据例如在海底604触底区域的升流管布置，升流管组件600可设置成陡波形602₁或缓波形602₂形式。升流管组件600包括升流管606及一个或多个端配件，升流管可包括至少一段柔性管，管主体的相应端部终止于每个端配件中。以与上述实施方式类似的方式，升流管组件还包括一个或多个浮力元件608，所述浮力元件通过绑定元件610绑定至锚重物612。在本实施方式中，浮力元件608和绑定元件610布置成形成一种“双波形”结构。这种结构对于特殊应用来说很有用。需要认识到，上述任何修改对本结构也都适用。

本发明的支撑柔性管的方法包括：提供包括至少一段柔性管的升流管；提供向升流管的一部分提供正浮力的至少一个浮力元件；以及提供用于将浮力元件绑定至固定结构和抵抗浮力元件的正浮力的绑定元件，例如，如图10的流程图中示意性示出的。当然，可以以任何顺序执行这些步骤以满足应用的要求。

在本发明的另一具体实施方式中，图11的流程图中示意性示出了安装升流管组件的方法。此方法包括：首先，将一个或多个锚重物安置在期望位置。然后，安装升流管，其中浮力元件已经附接至至少一个浮力元件。可选地，在安置前，当附接绑定元件时，可以将额外的重物（作为辅助物）附接至浮力模块，使得一旦安置升流管就下沉至期望位置。之后，一旦安置完成，司机或者远程操作水下车辆（ROV）可以将绑定元件附接至浮力模块。然后，可释放任何额外的重物。再次，这些步骤不必以所述顺序执行。

根据上面所述的本发明，为浮力元件提供了加强支撑，以有利于在安装浮力元件之后防止不期望的活动。这会整体提高升流管的性能。这些布置提供了稳定的绑定配置，提供了对配置的轴向和横向的结构支撑。这种布置还可以使对邻近的升流管和船结构的任何干扰降到最低。此外，所提供的升流管组件对改变升流管重量不太敏感。相比于已知结构，此组件可相对较快地安装且成本相对较低。

绑定元件有助于支撑和固定浮力元件的位置，从而帮助在升流管组件安装之后防止浮力元件活动。可能偏离升流管组件的整体浮力的改变（诸如由海生物引起的额外重量），或者随着时间推移导致的浮力元件的含量密度的改变，不会影响浮力元件的位置，因此不会影响升流管的位置。

本领域技术人员需要清楚的是，关于上述任一实施方式中所述的特征可在不同实施方式之间互换地应用。上述实施方式是示出本发明的各种特征的实例。

贯穿本说明书的描述和要求，词语“包括”和“包含”及其变型表示“包括但不限于”，且这些词语不旨在（不会）排除其他分支、添加物、部件、整体或步骤。贯穿本说明书的描述和要求，单数形式也包含复数形式（除非上下文另有要求）。尤其是使用不定冠词时，应当将说明理解为包含复数以及单数形式，除非上下文另有要求。

结合本发明的具体方面、实施方式或实例描述的特征、整体、特点、化合物、化学根或化学基团应理解为适合本文所述的任一其他方面、实施方式或实例，除非与其不相容。本说明书中公开的所有特征（包括任何所附权利要求、摘要和附图）和/或所公开的任一方法或过程的所有步骤，可以任何组合方式组合，除了这些特征和/或步骤的中的至少一些是互相排斥的组合。本发明不受任何前述实施方式的细节的限制。本发明延伸至本说明书公开特征的任何新颖特征或任何新颖特征的组合（包括任何所附权利要求、摘要和附图），或延伸至所公开的任一何方法或过程的任何新颖步骤或任何新颖步骤的组合。

阅读者直接关注与本申请有关的与本说明书同时或在本说明书之前提交的资料与文献，这些资料与文献对公众开放以检查本说明书，并且所有资料与文献的内容以引用方式并入本文。

Claims (19)

1.一种用于从海底位置输送流体的升流管组件，包括：

升流管，其包括至少一段柔性管；

至少一个浮力元件，用于向所述升流管的一部分提供正浮力；以及

绑定元件，用于将所述浮力元件绑定至固定结构并抵抗所述浮力元件的正浮力。

2.根据权利要求1所述的升流管组件，其中，所述固定结构是位于海底的锚重物。

3.根据权利要求1所述的升流管组件，其中，所述固定结构是构建在桩基上的结构。

4.根据前述权利要求中任一项所述的升流管组件，其中，所述绑定元件至少部分是柔性的。

5.根据前述权利要求中任一项所述的升流管组件，其中，所述绑定元件包括连接至所述浮力元件的绳索或链条。

6.根据前述权利要求中任一项所述的升流管组件，其中，所述绑定元件包括连接至所述浮力元件的两个或更多个绑定部分。

7.根据权利要求6所述的升流管组件，其中，所述绑定部分在所述升流管的侧视图的方向上相对于竖直线以大约5°至15°的视角设置。

8.根据权利要求6或7所述的升流管组件，其中，所述绑定部分在观察所述升流管的正视图的方向上相对于竖直线以大约20°至40°的视角设置。

9.根据前述权利要求中任一项所述的升流管组件,其中，所述升流管组件包括被设置成形成陡波形或缓波形结构的两个或更多个浮力元件。

10.一种支撑柔性管的方法，所述方法包括以下步骤：

提供包括至少一段柔性管的升流管；

提供用于向所述升流管的一部分提供正浮力的至少一个浮力元件；以及

提供用于将所述浮力元件绑定至固定结构并且抵抗所述浮力元件的正浮力的绑定元件。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述升流管设置在期望位置，所述至少一个浮力元件附接于所述升流管。

12.根据权利要求10或11所述的方法，进一步包括如下步骤：在将所述浮力元件绑定至固定结构之前，将重物元件附接至一个或多个浮力元件。

13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括如下步骤：在将所述浮力元件绑定至固定结构之后，释放所述重物元件。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，进一步包括：布置所述升流管和/或所述绑定元件，以将对任何邻近的升流管或船结构的干扰降到最低。

15.根据权利要求10至14中任一项所述的方法，其中，所述绑定元件至少部分是柔性的。

16.根据权利要求10至15中任一项所述的方法，其中，所述绑定元件包括连接至所述浮力元件的绳索或链条。

17.根据权利要求10至16中任一项所述的方法，其中，所述绑定元件包括连接至所述浮力元件的两个或更多个绑定部分。

18.一种大致参考附图所描述的升流管组件。

19.一种大致参考附图所描述的方法。

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