CN103270221B - 用于钻探和/或开采海底井的海上结构及其方法 - Google Patents

Abstract

一种海上结构，包括船体，该船体具有纵向轴线并且包括第一立柱和可移动地联接至第一立柱的第二立柱。每个立柱具有纵向轴线、第一端、以及与第一端相对的第二端。此外，该海上结构包括锚，该锚联接至第二立柱的第二端并且被构造将船体固定到海床。第一立柱包括可变压载室和定位在第一立柱的该可变压载室与第一端之间的第一浮力室。该第一浮力室用气体填充并且与周围环境隔离。第二立柱包括可变压载室。进一步，该海上结构包括安装到该船体的上部结构。

Description

用于钻探和/或开采海底井的海上结构及其方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2010年11月3日提交的、标题为“浮力塔钻机(BuoyantTowerDriller)”的美国临时专利申请No.61/409,676的优先权，该美国临时专利申请的整体通过引用并入本文。

技术领域

本发明大体涉及用于促进海上油气钻探和开采操作的海上结构。更具体地，本发明涉及可释放地固定到海床并构造成响应于环境负载而纵摇的、深度可调的海上塔。

背景技术

可以采用各种类型的海上结构来钻出海底井和/或从海底井开采烃类(例如，石油和天然气)。通常，为具体应用选择的海上结构的类型将取决于井位置处的水深。举例来说，在小于约250英尺的水深中，通常采用常规的自升式平台；在约250英尺与450英尺之间的水深中，通常采用专门设计的“高规格”自升式平台；在小于约600英尺的水深中，通常采用固定平台和柔性塔；而在大于约600英尺的水深中，通常采用诸如半潜式平台和深水浮筒(Spar)平台的浮动系统。

自升式平台能够在不同的油气井和油气田之间移动，并且其高度是调节的。然而，常规的自升式平台一般局限于不足约250英尺的水深，而高规格自升式平台一般局限于小于约450英尺的水深。虽然常规的自升式平台具有低的日租金，因此在浅水中提供低成本选项，但高规格自升式平台具有相对高的日租金并且可能在成本上不具优势。此外，典型地需要下水驳船和起重驳船的自升式平台的布置和安装会是具有挑战性的，尤其是在深水中。自升式平台在地震区中使用也可能是不太理想的，因为刚性底基的自升式平台展示出极弱的顺应性。

固定平台包括直接锚固到海床的水泥和/或钢制导管架以及定位在海面上方并且安装到导管架的上端的甲板。固定平台的制造和安装需要具体的基础设施和熟练的工人。例如，需要下水驳船来将导管和甲板的部件运输至海上安装现场，需要井架驳船来对导管的上部进行定位和提升，并且需要井架驳船来将甲板提升并且定位在导管架的顶上。此外，固定平台的安装常常需要打入到海床中以将导管架锚固到海床的桩的安装。在水深更深的应用中，还必须将附加裙桩打入到海床中。在选择诸如墨西哥湾的地理位置时，以常规方式制造、布置和安装固定导管架平台。因此，此种区域典型地具有经验、基础设施和熟练的工人以允许固定导管架平台为海上钻探和/或开采提供可行的竞争性的选项。在对固定导管架平台经验较少或没有经验的其它区域中，设施、设备、基础设施和劳工对于有效地建造、布置和安装固定导管架平台可以是不充分的。而且，甚至在具有一定的制造和安装固定导管架平台的一些地区，诸如巴西和秘鲁，预期在接下来几年中关于固定导管架平台的应用范围可能超出目前的能力。

典型地，将固定导管架平台设计成具有小于任何可预期的在海上安装现场处预期的波能的自然周期。这对于在浅水中完成是相对易容的。然而，随着水深增加，导管架的固有柔度增加，因此自然周期也增加。随着水深增加，为了将导管架的自然周期减小至预期的波能以下，通过增加导管架支腿和桩的大小和强度来加强导管架。此种改变可以进一步增加对于导管架的制造和安装的基础设施和劳工要求。类似于自升式平台，由于固定平台是刚性底基结构，所以它们对于在地震区中使用倾向于不太期望的。

浮动系统可以在深水中被使用并且适合于在地震区中使用，因为它们不是刚性地连接至海床。然而，浮动结构是相对昂贵的并且难以在不同的位置之间移动，因为它们被设计成在具体位置处(经多个系泊缆)被系泊持续延长的时间段。此外，这些系泊缆典型地利用打入到海床中的相对大的桩被锚固到海床。此类桩在大水深处难以搬运、运输、以及安装。

因此，在本领域中仍然存在对锚固到海床的容易安装(例如,较低的基础设施和专业劳工要求)和在不同的海上位置之间移动的海上钻探和/或开采底基结构的需要。如果此种海上开采系统是经济的、适合在地震区中使用并且能够用在不同的水深中，则它们将是特别容易被接受的。

发明内容

本领域中的这些和其它需要在一实施例中通过钻探和/或开采海底井的海上结构来解决。在一实施例中，海上结构包括船体，该船体具有纵向轴线并且包括第一立柱和可移动地联接至第一立柱的第二立柱。每个立柱具有纵向轴线、第一端以及与第一端相对的第二端。此外，该海上结构包括锚，该锚联接至第二立柱的第二端并且被构造将船体固定到海床。第一立柱包括可变压载室和第一浮力室，该可变压载室轴向地定位在该第一立柱的第一端与第二端之间，第一浮力室定位在第一立柱的可变压载室与第一端之间。第一浮力室用气体填充并且与周围环境隔离。第二立柱包括可变压载室，该可变压载室轴向地定位在第二立柱的第一端与第二端之间。进一步，该海上结构包括安装到船体的上部结构。

本领域中的这些和其它需要在另一个实施例中通过用于钻探和/或开采一个或多个海上井的方法来解决。在一实施例中，该方法包括(a)将浮力塔定位在海上安装现场处。该塔包括具有纵向轴线的船体、安装到船体的第一端的上部结构以及联接至船体的第二端的锚。该船体包括中央立柱和绕中央立柱周向地隔开的多个外立柱。中央立柱可移动地联接至外立柱。此外，该方法包括：(b)对中央立柱进行压载。此外，该方法包括：(c)相对于外立柱轴向地向下移动中央立柱。再者，该方法包括：(d)对外立柱进行压载。此外，该方法包括：(e)用锚穿入海床。该方法还包括：(f)，在(e)之后，允许该塔绕船体的下端纵摇。

本领域中的这些和其它需要在另一个实施例中通过钻探和/或开采海底井的海上结构来解决。在一实施例中，海上结构包括船体，该船体具有纵向轴线并且包括多个径向外立柱和径向地定位在所述外立柱之间的中央立柱。每个立柱被定向成平行于纵向轴线。每个立柱具有第一端以及与该第一端相对的第二端。中央立柱被构造成相对于外立柱轴向地移动。此外，该海上结构包括锚，该锚连接至中央立柱的第二端，其中该锚具有小于3:1的纵横比并且被构造成可释放地接合海床。每个外立柱包括可变压载室和第一浮力室，该可变压载室轴向地定位在外立柱的第一端与第二端之间，第一浮力室轴向地定位在外立柱的可变压载室与第一端之间。第一浮力室用气体填充并且与周围环境隔离。中央立柱包括可变压载室，该可变压载室轴向地定位在中央立柱的第一端与第二端之间。进一步，该海上结构包括安装到船体的上部结构。

本文中所描述的实施例包括预期用以解决与某些较早的装置、系统、以及方法相关联的各种缺点的特征和优势的组合。对本领域的技术人员而言，在阅读下列详细描述之后并且通过参照附图，上文描述的各个特性以及其它特征将是显而易见的。

附图说明

关于的所公开的实施例详细描述，现在将参照附图，在这些附图中：

图1是根据本文所公开原理的海上塔的实施例的透视图；

图2是图1的塔的前视图，且船体的中央立柱处于延伸位置并且被锚固到海床；

图3是图1的塔的前视图，且船体的中央立柱处于缩回位置并且从海床分离；

图4是图2的船体的外立柱之一的横截面图；

图5是图4的外立柱的压载可调室的放大示意图；

图6是图2的船体的中央立柱的横截面图；

图7是图6的锚的放大横截面图；

图8是图6的在锚的安装或移除期间部分地穿入海床的锚的放大横截面图；

图9是图2的船体的局部透视图；

图10是布置在图9的一个引导件与一个导轨之间的两个锁定组件的透视图；

图11-25是图1的塔的海上布置、运输和安装的示意顺序图；并且

图26是图1的固定到海床并且相对于海床枢转的塔的前视图。

具体实施方式

下列讨论涉及各个示例性实施例。然而，本领域的技术人员应当理解，本文所公开的示例具有宽泛的应用，并且任何实施例的讨论仅意味着为该实施例的示例，并且不旨在暗示本公开(包括权利要求)的范围被局限于该实施例。

在下列描述和权利要求中使用某些术语用以表示具体的特征或部件。如本领域的技术人员将理解的，不同人员可以用不同的名称表示相同的特征或部件。本文档并不意图区分在名称而非功能上不同的部件或特征。附图不一定按比例。为了清晰和简明，本文的某些特征和部件可能按比例夸大或以某种程度的示意形式示出，并且常规元件的一些细节可能未示出。

在下列讨论中以及在权利要求中，术语“包括”以及“包含”以开放形式使用，并且因此，应被解释为意味着“包括但不限于...”。另外，术语“联接”旨在意味着间接或直接连接。因此，如果第一装置联接至第二装置，则该连接可以是通过直接连接或通过经由其它装置、部件、以及连接件的间接连接。此外，如本文所使用的，术语“轴向”和“轴向地”大体意味着沿着或平行于中心轴线(例如，本体或端口的中心轴线)，而术语“径向”和“径向地”大体意味着垂直于中心轴线。举例来说，轴向距离表示沿着或平行于中心轴线测量的距离，并且径向距离意味着垂直于中心轴线测量的距离。

现在参照图1和图2，示出根据本文所公开原理的可延伸海上塔100的实施例。塔100被示出为布置在水体101中并且可释放地联接至海上现场处的海床102。因此，塔100可称为“底基”结构，它被理解为：底基海上结构被直接锚固至海床并且不依靠系泊系统来维护它们在安装现场处的位置。一般而言，塔100可布置在海上以钻出海底井眼和/或从海底井眼开采烃类。在本实施例中，塔100包括细长船体110和安装到船体110的位于海面103上方的上部结构或甲板150。

船体110具有中心轴线或纵向轴线115、在海面103上方延伸的第一端或上端110a、以及与第一端或上端110a相反的第二端或下端110b。船体110利用联接至下端110b的锚140可释放地固定到海床102。船体110具有从上端110a到下端110b轴向测量的长度L₁₁₀。如将在下文中更详细地描述的，可以调节(即，增加或减小)船体110的长度L₁₁₀，用于在各种水深中的安装。然而，本文中所描述的塔100的实施例尤其适合布置和安装在范围从约200英尺至600英尺的水深中。

如图2和图3中最佳所示，船体110包括多个径向外立柱120和布置在这些立柱120之间的一个径向内立柱或中央立柱130。细长圆柱形的立柱120、130被定向成彼此平行。在该实施例中，船体110包括四个立柱120和一个中央立柱130，所述四个立柱120大体以方形构造布置并绕轴线115均匀地周向隔开，该一个中央立柱130以与轴线115同轴对准的方式布置在立柱120的中央。这些立柱120由在相邻的立柱120之间延伸的多个桁架构件121联接在一起，因此，这些立柱120相对于彼此不能以旋转或平移的方式移动。然而，中央立柱130可移动地联接至立柱120。特点地，可以使中央立柱130相对于立柱120轴向地延伸和缩回。在图2中，中央立柱130被示出为从立柱120轴向地延伸，而在图3中，中央立柱130被示出为在这些立柱120内侧轴向地缩回。

仍然参照图2和图3，每个外立柱120具有：与轴线115平行地定向的中心轴线或纵向轴线125、在海面103上方延伸的第一端或上端120a、以及与该第一端或上端120a相反的第二端或下端120b。上端120a限定船体110的上端110a。甲板150附接到每个立柱120的上端120a。

每个立柱120具有在上端120a和下端120b之间轴向地测量的长度L₁₂₀。此外，每个立柱120在侧视图中具有垂直于其对应轴线125测量的直径D₁₂₀(图2)。在该实施例中，每个立柱120是相同的。因此，每个立柱120的长度L₁₂₀和直径D₁₂₀是相同的。一般而言，可以将每个立柱120的长度L₁₂₀和直径D₁₂₀定制成适于特定的安装位置和相关联的水深。对于具有200英尺至600英尺的水深的大多数安装位置，每个立柱120的长度L₁₂₀优选在150英尺至500英尺之间；并且直径D₁₂₀优选地在15英尺与25英尺之间。然而，取决于在环境负载下的塔100的具体的安装位置和期望的动态特性，可以视情况改变并调节长度L₁₂₀和直径D₁₂₀。

现在参照图4，仅示意性地示出一个外立柱120，这应理解为：船体110的每个立柱120被构造成相同的。在该实施例中，立柱120包括在上端120a和下端120b之间延伸的径向外管122、分别在上端120a和下端120b处的上和下端壁或盖123、以及定位在管122内的在上端120a和下端120b之间的多个轴向地隔开的间隔壁124。端盖123和间隔壁124各自被定向成垂直于轴125。管122、端壁123和间隔壁124一起限定了立柱120内的多个轴向地堆叠的室或单元格，即，位于下端120b处的固定压载室126、与室126轴向地相邻的可变压载室或压载可调室127、以及轴向地布置在上端120a与压载可调室127之间的一对浮力室128、129。相应地，每个室126、127、128、129具有在各自的两个轴向端之间轴向测量的长度L₁₂₆、L₁₂₇、L₁₂₈、L₁₂₉。相应地，每个室126、127、128、129的长度L₁₂₆、L₁₂₇、L₁₂₈、L₁₂₉优选在10英尺与80英尺之间。具体地，长度L₁₂₆优选地在10英尺与30英尺之间，长度L₁₂₇优选地在20英尺与60英尺之间，并且每个长度L₁₂₈、L₁₂₉优选地在15英尺与40英尺之间。然而，取决于在环境负载下的塔100的特定安装位置和期望的动态特性，可以视情况改变并调节每个长度L₁₂₆、L₁₂₇、L₁₂₈、L₁₂₉。

端盖123封闭这些立柱120的上端120a和下端120b，从而防止流体分别经上端120a和下端120b流入室126、129中。间隔壁124闭合这些室126、127、128、129的另一端，从而防止相邻室126、127、128、129之间的流体连通。因此，每个室126、127、128、129均与立柱120中的其它室126、127、128、129隔离。

室128、129用气体106填充并与周围环境(例如，水101)隔离，因此在船体110的海上运输和安装期间以及在塔100的操作期间为立柱120提供浮力。因此，室128、129也可以称为浮力室。在该实施例中，气体106是空气，因此它也可以称为空气106。如将在下文中更详细地描述的，在船体110的海上运输期间，固定压载室126和可变压载室127也用空气106填充，从而有助于立柱120的浮力。然而，在船体110的安装期间，室126用固定压载107(例如，水、铁矿石等)填充，以增加立柱120的重量并将立柱120和船体110定向成竖立的。在利用塔100进行海上钻探和/或开采操作期间，室126中的固定压载107是大体永久的(即，保持在原位)。在船体110在海上作业现场处安装期间，压载108被可控制地添加到压载可调室127中，以减小立柱120的浮力并将立柱120和船体110定向成竖立的。然而，与固定压载室126不同的是，在利用塔100进行海上钻探和/或开采操作期间，可以根据需要而可控地改变(即，增加或减小)室127中的压载108，以改变立柱120和船体110的浮力。立柱120中包括两个浮力室128、129，以在一个浮力室128、129出现毁坏或缺口、压载可调室127被不受控制地淹水、或其组合的情况下提供冗余度和浮力。在该实施例中，可变压载108是水101，因此它也可以称为水108。

如图2中最佳地所示，当将塔100安装在海上时，每个室126、127、128布置在海面下方，而室129延伸穿过海面103到上部结构150。虽然在该实施例中、立柱120包括四个室126、127、128、129，但一般而言，每个立柱(例如，每个立柱120)可以包括任何适当数量的室。优选地，至少一个室是压载可调室，并且一个室是空的浮力室(即，用空气填充)。如下文中将更详细地描述的，在其它实施例中，可以将压载可调室和固定压载室合并为用于保持固定压载、水、空气或其组合的单个室。此外，虽然端盖123和间隔壁124被描述为用于在室126、127、128、129的端部处提供液密密封，但应理解，一个或多个端盖123和/或间隔壁124可以包括可关闭且可密封的入口(例如，人孔盖)，该入口允许受控地进入一个或多个室126、127、128、129以维护、修理和/或保养。

现在参照图5，仅示意性地示出一个压载可调室127，这应理解成每个立柱120的每个压载可调室127被构造成相同的。不像先前描述的未密封的浮力室128、129，室127是压载可调室。在该实施例中，压载控制系统160和端口161使得能够调整室127中的压载108的体积。更具体地，端口161是轴向地布置在室127的上轴向端和下轴向端之间的管122中的开口或孔。如先前所描述的，当塔100安装在海上时，室127浸没在水101中，因此，端口161允许水101、108移至室127中以及从室127中移出。应理解，经过端口161的流动不受到阀或其它流量控制装置的控制。因此，端口161允许水101、108自由流入室127中以及从室127中流出。

压载控制系统160包括空气管道162、空气供应线163、连接到供应线163的空气压缩机或泵164、沿着线163的第一阀165、以及沿着管道162的第二阀166。管道162在水下延伸到室127中，并具有在海面103上方的在室127外部的排出端162a以及布置在室127内的敞开端162b。阀166控制空气106通过管道162在端162a、162b之间的流动，并且阀165控制空气106从压缩机164到室127中的流动。控制系统160允许室127中的空气106和水101、108的相对体积受到控制并变化，从而使室127和相关联的立柱120的浮力受到控制并变化。特别地，在阀166打开且阀165关闭的情况下，空气106从室127中排出，而在阀165打开且阀166关闭的情况下，空气106从压缩机164被泵送至室127中。因此，排出端162a用作空气出口，而敞开端162b用作空气进口和出口。在阀165关闭的情况下，空气106不能泵送至室127中，而在阀165、166关闭的情况下，空气106不能从室127中排出。

在该实施例中，敞开端162b布置成邻近室127的上端，而端口161定位成邻近室127的下端。敞开端162b的这种定位使得：当所述立柱处于大体竖直直立位置(例如，在安装之后)时，空气106能够从室127中排出。特别地，由于浮力控制空气106(例如，空气)的密度比水101小，所以当立柱120直立时，室127中的任何浮力控制空气106将自然上升至室127的上部并在室127中的任何水101、108的上方。因此，通过将敞开端162b定位在室127的上端或邻近室127的上端，允许直接获取室127中的任何空气106。此外，由于室127中的水101、108将布置在室127中的任何空气106的下方，所以，通过将端口161定位成邻近室127的下端，允许水101、108的进出，同时限制和/或防止通过端口161的任何空气106损失。一般而言，当室127的、从室127的上端到端口161的区域均被空气106填充时，空气106将仅通过端口161离开室127。通过将端口161定位成邻近室127的下端，也使得能够将足够体积的空气106泵送至室127中。特别地，由于室127中的空气106的体积增加，随着室127中的体积增加的空气106驱替室127中的水101、108，水101、108与空气106之间的界面将在室127内向下移动，从而允许水101、108通过端口161离开该室。然而，一旦水101、108与空气106的界面达到端口161，室127中的空气106的体积不会进一步增加，因为任何额外的空气106将仅仅通过端口161离开室127。因此，端口161离室127的下端越近，可以泵送至室127中的空气106的体积就越大，而端口161离室127的下端越远，可以泵送至室127中的空气106的体积就越小。因此，优选选择端口161沿着室127的轴向位置，以便能够实现室127的最大期望浮力。

在该实施例中，管道162延伸穿过管122。然而，一般而言，管道(例如，管道162)和端口(例如，端口161)也可延伸穿过立柱(例如，立柱120)的其它部分。例如，在通向压载可调室(例如，室127)的路线上，管道可以轴向延伸穿过立柱(例如，穿过上端120a处的盖123和间隔壁124)。延伸穿过间隔壁或盖的任何通道(例如，端口、等)优选被完全密封。

在不受该或任何具体理论的限制的情况下，水101、108通过端口161的流动将取决于室127的深度以及在该深度处相关联的水101的静水压力以及室127中的空气106的压力(如果存在)。如果空气106的压力小于室127中的水101、108的压力，则空气106将受到压缩，并且额外的水101、108将通过端口161流入室127中。然而，如果室127中的空气106的压力大于室127中的水101、108的压力，则空气106将膨胀并将水101、108通过端口161从室127中推出。因此，室127内的空气106将基于室127中的空气106与水101、108之间的任何压差而压缩和膨胀。

在该实施例中，管道162被描述为向室127供应空气106以及将空气106从室127中排出。然而，如果管道162在所有时间仅用空气106填充，则管道162中的海底裂纹或穿孔可能导致室127中的压缩空气106通过管道162中的裂纹或穿孔不受控制地排出，从而降低立柱120的浮力并潜在地影响结构100的整体稳定性。因此，当空气106意外地被泵送至室127中或通过阀166和排出端162b从室127中排出时，管道162可以用水填充直至排出端162b。管道162中的水柱与室127中的压缩空气106是压力平衡的。在不受到该或任何具体理论的限制的情况下，管道162中的水柱的静水压力将与端口161处以及室127中的水101、108的静水压力相同或基本相同。如前所述，室127中的水101、108的静水压力由室127中的空气的压力平衡。因此，管道162中水柱的静水压力也由室127中的空气的压力平衡。如果室127中的空气106的压力小于管道162中的水的静水压力，并因此小于端口161处的水101的静水压力，则空气106将被压缩，且管道162中的水柱的高度变长，并且水101将通过端口161流入室127中。然而，如果室127中的空气106的压力大于管道162中的水的静水压力，并因此大于端口161处的水101的静水压力，则空气106将膨胀并通过端口161将水101、108从室127中推出并将管道162中的水柱向上推。因此，当水在管道162中时，其起到类似于U形管压力计的作用。管道162中的水柱的静水压力与给定深度处的管道162周围的水101相同或基本相同。因此，管道162中的裂纹或穿孔使得管道162内的水与管道162外部的水流体连通，将不会导致管道162内的水的净流入或流出，因此，将不会扰乱管道162中的水柱的高度。由于管道162中的水柱的高度将保持相同，所以，即使在管道162中发生海底裂纹或穿孔的情况下，管道162中的水柱的静水压力与室127中的空气106的平衡也会被维持，从而限制和/或防止室127中的空气106通过管道162排出。为了将水从管道162移除以向室127中可控制地供应空气106或将空气106从室127中经管道162排出，管道162中的水可以仅仅通过用泵164将空气沿着管道162泵送而吹入到室127中，或可替代地，可以使用水泵来将水从管道162泵送出。

再次参照图4，固定压载室126设置在立柱120的下端120b处。在该实施例中，利用压载泵180以及在水下延伸至室126的压载供应流线或管道181将固定压载107(例如，水、铁矿石等)泵送至室126中。打开沿着管道181布置的阀182以将固定压载107泵送至室126中。另外，关闭阀182(例如，在利用固定压载107填充室126之前和之后)。在其它实施例中，固定压载室(例如，室126)可以仅包括一个端口，一旦固定压载室被淹没在水中，该端口就允许水(例如，水101)涌入固定压载室中。

虽然在该实施例中、压载可调室127以及固定压载室126是立柱120中的不同且独立的室，但在其它实施例中，可以不包括独立的固定压载室(例如，室126)。在此种实施例中，固定压载(例如，固定压载107)可以仅布置在压载可调室(例如，室127)的下端。可以使用压载控制系统(例如，系统160)来向压载可调室供应空气(空气106)、排出空气、以及供应固定压载(例如，铁矿石球团或颗粒)，或可替代地，可以使用独立系统来向压载可调室供应固定压载。应理解，较高密度的固定压载将沉降并仍然在压载可调室的底部，而在压载和卸压载操作期间，水和空气移至压载可调室中或从压载可调室中移出。

再次参照图2和图3，中央立柱130具有与轴线115同轴对准的中心轴线或纵向轴线135、第一端或上端130a、以及与第一端或上端130a相反的第二端或下端130b。下端130b限定船体110的下端110b。锚140从立柱130的下端130b轴向延伸。如将在下文中更详细地描述的，锚140穿入海床102中并将塔100固定到海床102。立柱130具有在上端130a和下端130b之间轴向地测量的长度L₁₃₀，并且锚140具有从下端130b轴向地测量的长度L₁₄₀。此外，立柱130具有在侧视图(图2)中垂直于其对应的轴线135测量的直径D₁₃₀，并且锚140具有在侧视图(图2)中垂直于的立柱130的轴线135测量的直径D₁₄₀。在该实施例中，锚140的直径D₁₄₀等于直径D₁₃₀，并且每个直径D₁₃₀、D₁₄₀大于每个外立柱120的直径D₁₂₀。

一般而言，可以将中央立柱130的长度L₁₃₀和直径D₁₃₀以及锚140的长度L₁₄₀和直径D₁₄₀定制成适于具体的安装位置和相关联的水深。对于具有200英尺至600英尺的水深的大多数安装位置，立柱130的长度L₁₃₀优选地在150英尺至500英尺之间，并且锚140的长度L₁₄₀优选地在20英尺至50英尺之间，并且更优选地约30英尺，并且每个直径D₁₃₀、D₁₄₀优选地在15英尺与50英尺之间，并且更优选地，约20英尺。然而，取决于在环境负载下的塔100的具体的安装位置和期望的动态特性，可以视情况改变并调节每个长度L₁₃₀、L₁₄₀和每个直径D₁₃₀、D₁₄₀。

一般而言，可以依据“纵横比”来描述海底锚或桩的几何结构。此处所使用的术语“纵横比”涉及沿着锚或桩的纵向轴线轴向地测量的锚或桩的长度与垂直于锚或桩的纵向轴线测量的锚或桩的直径或最大宽度的比。因此，锚140具有等于锚140的长度L₁₄₀与锚140的直径D₁₄₀之比的纵横比。在本文中所描述的实施例中，锚140的纵横比优选地小于3:1，并且更优选地大于或等于1:1且小于或等于2:1。此种优选的纵横比使得锚140能够提供充分的承载能力和充分的横向负载能力，以将塔100固定至海床102并且维持塔100在安装现场的位置，同时允许塔100相对于海床102枢转，如将在下文中更详细地描述的。

现在参照图6，示意性地示出中央立柱130和相关联的锚140。在该实施例中，立柱130包括在上端130a和下端130b之间延伸的径向外管132、分别在上端130a和下端130b处的上和下端壁或盖133、以及定位在上端130a和下端130b之间的管132内的间隔壁134。端盖133和间隔壁134各自定向成垂直于轴线135。管132、端壁133和间隔壁134一起限定了立柱130内的多个轴向地堆叠的室或单元格，即：下端130b处的固定压载室136、和从室136轴向延伸到上端130a的可变压载室或压载可调室137。在该实施例中，中央立柱130不包括用空气填充并与周围环境隔离的任何浮力室。每个室136、137分别具有在其两个轴向端之间轴向地测量的长度L₁₃₆、L₁₃₇。长度L₁₃₆优选地是小于长度L₁₃₇，且长度L₁₃₇优选地为中央立柱130的长度L₁₃₀与长度L₁₃₆之间的差。具体地，长度L₁₃₆优选地在5英尺与30英尺之间，并且长度L₁₃₇优选地在20英尺与200英尺之间。然而，取决于在环境负载下的塔100的具体的安装位置和期望的动态特性，可以视情况改变并调节每个长度L₁₃₆、L₁₃₇。

端盖133封闭立柱130的上端130a和下端130b，从而防止流体分别经由上端130a和下端130b流入室136、137中。间隔壁134防止相邻室136、137之间的流体连通。因此，每个室136、137均与立柱120中的其它室136、137隔离。

如将在下文中更详细地描述的，在船体110的海上运输期间，固定压载室136和可变压载室137用空气106填充，从而有助于立柱130和船体110的浮力。然而，在船体110的安装期间，室136用固定压载107(例如，水、铁矿石等)填充以增加立柱130的重量，将立柱130和船体110定向成直立的，并将锚140打入海床102中。在利用塔100进行海上钻探和/或开采操作期间，室136中的固定压载107是大体永久的(即，保持在原位)。在船体110在海上作业现场处安装期间，压载108被可控制地添加到压载可调室137中以减小立柱130的浮力，将立柱130定向成直立的，并将锚140打入到海床102中。然而，与固定压载室136不同的是，在利用塔100进行海上钻探和/或开采操作期间，可以根据需要来可控地改变(即，增加或减小)室137中的压载108，以改变立柱130和船体110的浮力。如图2中最佳地所示，当将塔100在海上安装时，每个室136、137布置在海面103下方。

虽然在该实施例中、中央立柱130包括两个室136、137，但一般而言，中央立柱(例如，立柱130)也可包括任何适当数量的室。此外，虽然端盖133和间隔壁134被描述为在室136、137的端部处提供液密密封，但应理解，一个或多个端盖133和/或间隔壁134可以包括可关闭且可密封的入口(例如，人孔盖)，该入口允许受控地进入一个或多个室136、137以便维护、修理、以及/或保养。

仍然参照图6，与先前描述的立柱120的压载室127类似，中央立柱130的室137是压载可调室。具体地，如先前所描述的压载控制系统160和端口161各自使得能够实现室137中的可变压载108的体积调整。即，端口161是轴向布置在室137的上端与下轴端之间的管132中的开口或孔。如先前所描述的，当塔100在海上安装时，室137浸没在水101中，因此，端口161允许水101、108自由地移至室137中以及从室137中移出。压载控制系统160包括空气管道162、空气供应线163、连接到供应线163的空气压缩机或泵164、沿着线163的第一阀165、以及沿着管道162的第二阀166。管道162在水下延伸到室137中，并具有在海面103上方的在室137外部的排出端162a以及布置在室137内的敞开端162b。阀166控制空气106通过管道162在排出端162a和敞开端162b之间的流动，并且阀165控制空气106从压缩机164到室137的流动。控制系统160允许室137中的空气106和水101、108的相对体积受到控制并变化，从而使室137和立柱130的浮力受到控制并变化。特别地，在阀166打开且阀165关闭的情况下，空气106从室137中排出，而在阀165打开且阀166关闭的情况下，空气106从压缩机164被泵送至室137中。因此，排出端162a用作空气出口，而敞开端162b用作空气进口和出口。在阀165关闭的情况下，空气106不能泵送至室137中，而在阀165、166关闭的情况下，空气106不能从室137中排出。当不将空气106泵送到室137中或从室137中排出时，管道162可以用水柱填充，如先前所描述的。

在该实施例中，敞开端162b布置成邻近室137的上端，而端口161被定位成邻近室137的下端。出于如先前所描述的相同的原因，敞开端162b的这种定位使得：当所述立柱处于大体竖直直立位置(例如，在安装之后)时，空气106能够从室137中排出。此外，由于室137中的水101、108将位于室137中的任何空气106下方，所以，通过将端口161定位成邻近室137的下端，允许水101、108的进出，同时限制和/或防止通过端口161的任何空气106损失。通过将端口161定位成邻近室137的下端，还允许将足够体积的空气106泵送到室137中，即：端口161离室137的下端越近，可以泵送至室137中的空气106的体积就越大，而端口161离端口137的下端越远，可以泵送至室137中的空气106的体积就越小。因此，优选选择端口161沿着室137的轴向位置，以便能够实现室137的最大期望浮力。

在该实施例中，管道162延伸穿过管132。然而，一般而言，管道(例如，管道162)和端口(例如，端口161)也可延伸穿过立柱(例如，立柱130)的其它部分。例如，在通向压载可调室(例如，室137)的路线上，管道可以轴向地延伸穿过立柱(例如，通过在上端130a处的盖133和间隔壁134)。延伸穿过间隔壁或盖的任何通道(例如，端口等)优选被完全密封。

仍然参照图6，固定压载室136设置在中央立柱130的下端130b处。在该实施例中，利用各自如先前所描述的压载泵180和压载供应流线或管道181将固定压载107(例如，水、铁矿石等)泵送至室136中。打开沿着管道181布置的阀182以将固定压载107泵送至室136中。另外，关闭阀182(例如，在利用固定压载107填充室136之前和之后)。在其它实施例中，固定压载室(例如，室136)可以仅包括一个端口，一旦固定压载室被浸没在水下，该端口就允许水(例如，水101)涌入固定压载室。

虽然在该实施例中、压载可调室137以及固定压载室136是立柱130中的不同且独立的室，但在其它实施例中，也可不包括独立的固定压载室(例如，室136)。在此种实施例中，固定压载(例如，固定压载107)可以仅布置在压载可调室(例如，室137)的下端。可以使用压载控制系统(例如，系统160)来向压载可调室供应空气(空气106)、排出空气、以及供应固定压载(例如，铁矿石球团或颗粒)，或可替代地，可以使用独立系统来向压载可调室供应固定压载。应理解，较高密度的固定压载将沉降并仍然在压载可调室的底部，而在压载和卸压载操作期间，水和空气移至压载可调室中或从压载可调室移出。

再次参照图2和图3，在中央立柱130处于完全延伸位置的情况下，塔100具有浮力中心105和重心106，而在中央立柱130处于完全缩回位置的情况下，塔100具有浮力中心105'和重心106'。由于如下布置：(a)固定压载在位于下端120b、130b处的室126、136中，(b)可变压载在与室126、136相邻的室127、137的下部分中，以及(c)空气在接近上端120a的浮力室128、129中并且空气在与室128、129相邻的室127、137的上部中，浮力中心105、105'分别被轴向定位在重心106、106'上方。如将在下文中更详细地描述的，当塔100处于大体竖直直立位置时，无论中央立柱130是延伸还是缩回，这种布置都提供了增强塔100的稳定性的可能性。

现在参照图6和图7，锚140从中央立柱130的下端130b轴向地延伸。在该实施例中，锚140是吸力桩，包括：环状筒形裙部141，该环状筒形裙部141具有：与轴线135同轴地对准的中心轴线145、在下端130b处固定到管132的第一端或上端141a、背离该立柱130的第二端或下端141b、以及在上端141a和下端141b之间轴向延伸的筒形腔142。腔142被封闭并通过盖133与轴向相邻的室136隔离，然而，腔142在下端141a处向周围环境完全敞开。

如将在下文中更详细地描述的，采用锚140以将立柱130、船体110以及塔100固定至海床102。在船体110的安装期间，将裙部141轴向地向下推进到海床102中，并且，在将船体110从海床102移除以便运输到另一不同的海上位置期间，将裙部141从海床102中轴向地向上拔出。为了便于将锚140插入到海床102中以及从海床102中移除锚140，该实施例包括吸力/喷射控制系统170。

仍然参照图6和图7，系统170包括主流线或管道171、从主管道171延伸的流体供应/吸入线172、以及连接至线172的喷射/吸力泵173。管道171在海底延伸到腔142，并且具有与腔142流体连通的排出端171a和下敞开端171b。阀174沿着管道171布置，该阀174控制流体(例如，泥、水等)经由上端171a和下端171b之间的管道171的流动，即，当阀174打开时，流体从腔142自由流经管道171到排出端171a，而当阀174关闭时，流体受到约束和/或被防止从腔142流经管道171到排出端171a。

泵173被构造成将流体(例如，水101)泵送至腔142中以及将流体(例如，水101、泥、粉沙等)从腔142经由线172和管道171泵送。阀175沿着线172布置，并且控制流体通过线172的流动，即，当阀175打开时，泵173可以将流体经由线172和管道171泵送至腔142中，或将流体从腔142经管道171和线172泵送；而当阀175关闭时，在泵173与腔142之间的流体连通受到约束和/或被防止。

在该实施例中，泵173、线172、以及阀174、174被轴向地定位在立柱130的上方并且可以从上部结构150被接近。为了维持室136、137的隔离，盖133和间隔壁134优选与贯穿该盖133和间隔壁134延伸的管道171可密封地接合。然而，一般而言，可以将泵(例如，泵173)、吸力/供应线(例如，线172)、以及阀(例如，阀174、175)布置在任何适当的位置处。例如，可以将泵和阀布置在水下并远程地致动。此外，在该实施例中，主管道171在通向锚140的路线中延伸穿过立柱130。因此，管道171延伸穿过盖133和间隔壁134。然而，在其它实施例中，主管道(例如，管道171)可以定位在立柱(例如，沿着立柱130的外侧延伸)的外部。

现在参照图8，可以采用吸力/喷射控制系统170来促进将锚140插入到海床102中以及从海床102中移除锚140。特别地，随着将裙部141推进到海床102中，可以打开阀174并关闭阀175，以允许将腔142内的在海床102与盖123之间的水101通过管道171和排出端171a排出。为了加速将裙部141穿入到海床102中和/或为了增强吸力裙部141与海床102之间的“抓握”，可以将吸力经由泵173、管道171和线172施加于腔142。特别地，可以打开阀175并关闭阀174以允许泵173通过管道171和线172从腔142抽吸流体(例如，水、泥、粉砂等)。一旦裙部141已经穿入海床102中达到预定深度，优选关闭阀174、175以维持锚140与海床102之间的强制接合和吸力。

为了拉动锚140以及将锚140从海床102中移除(例如，为了将塔100移至不同的位置)，可以打开阀174并关闭阀175以排空腔142并减小裙部141与海床102之间的液力锁定。为了加快从海床102中移除裙部141，可以将流体经由泵173、管道171和线172泵送至腔142中。特别地，可以打开阀175并关闭阀174以允许泵173通过管道171和线172将流体(例如，水)注入到腔142中。

现在参照图9，中央立柱130布置在立柱120内侧并可相对于立柱120轴向移动。在该实施例中，管132的径向外表面包括多个周向隔开的轨道190。每个轨道190均定向成平行于轴线135且从中央立柱130的上端130a延伸到下端130b。此外，轨道190绕管132均匀地周向隔开，使得每个轨道190(相对于轴线115、135)均径向地布置在管132与一个外立柱120之间。每个轨道190布置在与径向相对的外立柱120相联的配对引导件191内并可滑动地接合该配对引导件191。在该实施例中，每个引导件191利用从其对应的立柱120(相对于轴线115、135)径向向内延伸的桁架192联接至该立柱120。每个引导件191均定向成平行于轴线115、125、135，具有与下端120b轴向对准的下端和定位在下端120b上方的上端。在该实施例中，每个轨道190具有可滑动地接合配对引导件191的矩形横截面。

现在参照图10，多个轴向地隔开的锁定组件195布置在每个引导件191内并用于可释放地锁定该中央立柱130相对于外立柱120的轴向位置，即，每个锁定组件195具有限制和/或防止立柱130相对于立柱120轴向移动的“锁定”位置以及允许立柱130相对于立柱120轴向移动的“解锁”位置。在该实施例中，每个锁定组件195包括一对楔形部196和一对线性致动器197。每个锁定组件195中的两个楔形部196布置在对应的轨道190的两个彼此相反的横向侧。此外，每个楔形部196联接至对应的致动器197。每个楔形部196通过其致动器197在延伸位置与缩回位置之间线性地移动。在使每个楔形部196过渡到延伸位置时，它开始通过在引导件191内侧的凸轮面191a与轨道190凸轮接合，并且在使每个楔形部196过渡到缩回位置时，它被从与轨道190和引导件191接合的状态中拉出。当楔形部196处于延伸位置时，每个楔形部196与其对应的轨道190之间的摩擦以及每个楔形部196与其对应的引导件191之间的摩擦约束和/或防止了轨道190相对于引导件191移动。然而，当楔形部196处于缩回位置时，它们不接合对应的轨道190或引导件191，因此，轨道190相对于引导件191自由移动。

在锁定组件195处于解锁位置的情况下，可以使中央立柱130相对于外立柱120移至任何期望的轴向位置。一旦立柱130处于期望的轴向位置，就可以使组件195过渡到锁定位置，从而将立柱130锁定在所述轴向位置。如将在下文中更详细地描述的，使立柱130从立柱120延伸的能力使得能够将塔100安装在具有不同水深的不同海上位置。

再次参照图1和图2，上部结构150联接至船体110的上端110a。如将在下文中更详细地描述的，可以将上部结构150与船体110分离地运输至海上操作现场，并在操作现场处安装到船体110的顶上。布置在上部结构上的提升装置151联接至中央立柱130的上端130a并构造成：当塔100处于直立位置时，使立柱130相对于立柱120轴向地上升和下降。在该实施例中，装置151是利用缆绳152联接至立柱130的起重机。然而，在其它实施例中，该提升装置(例如，装置151)可以是卷扬机或其它适当的装置。典型地，在钻探和/或开采操作中使用的各种其它设备(例如起重机、绞车、泵、压缩机、烃加工设备、洗涤器、沉淀器等)布置在上部结构150上并由该上部结构150支撑。

现在参照图11-25，示出了塔100的海上布置、运输和安装。在图11中，示出了船200上的在海上被运输的船体110和上部结构150；在图12-14中，示出了在一个海上位置处从船110被卸载的船体110；在图15和图16中，示出被从水平定向转变至直立定向的船体110；在图17-19中，示出被安装到船体110以形成塔100的上部结构150；在图20-25中，示出被锚固至海床102的塔100。在图11-19中所示的塔100的海上传输和布置期间，中央立柱130优选完全缩回(即，完全退回或大致在立柱120内)并被利用锁定组件195相对于立柱120锁定。然而，为了如图20-22中所示地安装和锚固塔100，使锁定组件195转变至解锁位置以允许立柱130相对于立柱120轴向向下延伸至期望的深度，然后使锁定组件195转变返回至锁定位置以在设置锚140之前固定立柱120、130的相对位置。

现在参照图11，将船体110和上部结构150独立地加载到船200的甲板201上以便海上运输。沿大体水平定向将船体110加载到船200上并在海上运输。在船体110的加载和海上运输期间，室126、127、128、129、136、137完全用空气106填充，因此，船体110是净浮力。一般而言，可以以任意适当的方式将船体110和上部结构150加载到船200上。例如，可以利用重型起重机将船体110和/或上部结构150加载到船200上。作为另一个实例，船体110和/或上部结构150加载到船200上可以通过这样的方式被装载到船200上：压载船200使得甲板201充分淹没在海面103下方，(例如，通过浮托法或定位在船200的任一侧上的一对驳船)将船体110和/或上部结构150定位在甲板201上方，然后对船200进行卸压载。由于对船200进行卸压载，所以甲板201与船体110和/或上部结构150相接合，并将船体110和/或上部结构150从水101中提起。在该实施例中，船体110坐置于甲板201的顶上，而上部结构150坐置于一对平行轨道202的顶上。一旦将船体110和上部结构150加载到船200上，就可以位利用船200将船体110和上部结构150运输至一个海上位置。

在该实施例中，虽然船体110和上部结构150被示出且描述为在海上在同一船200上被运输，但是，应理解，也可以将船体110和上部结构150在独立的船(例如，船200)上在海上运输。此外，由于当室126、127、128、129、136、137完全用空气106充满时，船体110是净浮力，所以也可以使船体110浮出到海上现场。

现在转向图12和图13，在海上安装现场处或靠近海上安装现场，船体110从船200被卸载。在该实施例中，通过对船200进行压载来对船体110进行卸载直至甲板201充分位于海面103下方，并且浮力船体110浮起而离开甲板201。然后，浮力船体110被拉动离开船200并以水平定向布置在安装现场处或附近，如图14所示。

现在参照图15和图16，船体110从水平定向转变至直立大体竖直定向。具体地，使用压载泵180将固定压载107泵送至每个固定的压载室126、136中。由于浮力室128、129用空气填充、密封并布置成靠近端120a，随着每个室126、130中的重量136增加，立柱120、130的下端120b、130b将分别开始向下摆动。一旦可变压载室127、137的端口161变得淹没在海面103下方，则室127、137将开始充满水101、108，从而进一步促进船体110旋转至图16所示的直立位置。可以通过允许室127、137中的空气106通过管道162排空来增强室127、137的淹没程度。可以使用如先前所描述的压载控制系统160来改变室127、137中的空气106和水101、108的相对体积，从而管理和调节船体110的整体吃水。

已填充有空气的、密封的室128、129使得外立柱120能够保持净浮力，因为室126用固定压载107填充并且室127用水101、108填充。然而，中央立柱130不包括任何已填充空气的密封的室。因此，由于室136用固定压载107填充，并且室13用水101、108填充，所以中央立柱130的重量可能超过立柱130的浮力。中央立柱130从净浮力到非净浮力的转变可以通过使用如先前所描述的压载控制系统160改变室137中的空气106和水101、108的相对体积而受到控制。

现在移至图17和图18，上部结构150安装到竖直船体110。如图17中所示，对船200进行卸压载和/或对船体110进行压载以相对于船体110的上端110a升高上部结构150的位置。可以通过仅仅从室127、137中排空空气106并允许水101、108流入室127、137中来对船体110进行压载。接着，如图18中所示，操纵船200和/或船体110以将轨道202定位在船体110的两个相反侧，并且使上部结构150沿着轨道202前进，直至它被定位在船体110的正上方。在将上部结构150充分定位在上端110a上方的情况下，对船体110进行卸压载和/或对船200进行压载，使得船体110相对于上部结构150向上移动，接合上部结构150，并且从轨道202提升上部结构150，从而使上部结构150与船体110匹配并且形成塔100。通过增加室127、137中的空气106的体积并减少水101、108的体积来对船体110进行卸压载。此时，塔100是净浮力并且可以被如图5所示地横向调节或移动。虽然上部结构150被示出为经图17和图18中的轨道202安装到船体110的上端110a，但在其它实施例中，可以使用其它合适的手段将上部结构150安装到船体110。例如，上部结构150可以由两个驳船支撑，对船体110进行压载，由在船体110上方的驳船(且驳船布置在船体110的任一侧)来操纵上部结构150，然后对船体110进行卸压载以从驳船提升上部结构150。到此刻为止，中央立柱130优选由锁定组件195维持在完全缩回和锁定位置。一旦中央立柱130不再是净浮力，还可以采用起重机151和缆绳152将中央立柱130维持在缩回位置。

现在参照图20和图21，在该实施例中，使塔100移至具有比安装现场更大水深的海上位置，并且使中央立柱130降低。优选地使中央立柱130相对于外立柱120轴向地降低，直至船体110的长度L₁₁₀等于在安装现场处的水深加上期望的出水高度(freeboard)。为了使中央立柱130轴向地降低，使锁定组件195转变到解锁位置，对缆绳152提供松弛，并且采用压载系统160来对中央立柱130进行压载(例如，通过允许空气106从室137排空并且允许水101、108经端口161流入到室137中)。中央立柱130可以被完全浸没，且中央立柱130的负载的完全由缆绳152支撑。替代地，中央立柱130也可被部分浸没，以减小必须由电缆152支撑的负载。在任一情况下，中央立柱130被充分地压载，使得可以利用缆绳152和提升装置151使中央立柱130相对于外立柱120轴向地下降。一旦锚140在期望的深度处并且船体110的期望的全长L₁₁₀被实现，锁定组件195就被转变至锁定位置以固定中央立柱130相对于外立柱120的轴向位置。

现在移至图22和图23，在中央立柱130的轴向位置相对于外立柱120锁定的情况下，对船体110卸压载以升高塔100，并且使塔100横向地移至安装现场。随着塔100被移至在安装现场处的浅水中，优选地将塔100卸压载至在锚140与海床102之间提供间隙的程度。在安装现场处，对船体110进行压载以使锚140与海床102接合，并将裙部141推入到海床102中，如图24和图25所示。可以采用系统170来对腔142施加吸力以及促进裙部141穿入到海床102中。在锚140充分地嵌入海床102中的情况下，根据需要，通过控制室127、137中的空气106和水101、108的相对体积来调节塔100的总重量和浮力，以维持锚140和海床102的接合。在该实施例中，塔100的总重量优选超出塔100的总浮力约250至1000吨，并且更优选地约500吨，以确保裙部141穿入到海床102中在后续钻探和/或开采操作期间得到维持。根据需要，通过使用先前描述的压载控制系统160对船体110进行压载和卸压载，可以改变和控制施加到裙部141的总负载(即，塔100的总重量与总浮力之间的差)。在安装现场处的锚140的安装和后续海上操作期间，优选地将锁定组件195维持在锁定位置。

虽然塔100已经被示出且描述为移至更深的水中以将中央立柱130降低、卸压载、移至安装现场、然后压载，但在其它实施例中，可以以不同的方式执行塔100的安装。例如，可以在安装现场处对船体110进行卸压载，对锁定组件195解锁，使中央立柱130降低，锁定锁定组件195，然后对塔100进行压载以设置锚140。

如图26中最佳地所示，相对小的净向下力结合浮力中心105被定位在重心106的上方，允许塔100响应于环境负载(例如，风、波浪、水流、地震、等)相对于海床102从竖直方向枢转或纵摇。在图26中，塔100被示出为以从竖直方向测量的纵摇角θ定向。重心106的位置与浮力中心105之间的关系确定塔100的纵摇过稳性和最大纵摇角θ。一般而言，纵摇过稳性和最大纵摇角θ是相反关系。因此，随着纵摇过稳性增加(即，纵摇的阻力增加)，最大纵摇角θ减小；并且随着纵摇过稳性减小，最大纵摇角θ增加。可以通过调节室127、137中的空气106和水101、108的相对体积以控制重心106和浮力中心105的位置，来改变和控制纵摇过稳性和最大纵摇角θ。例如，随着室127、137中的水101、108的体积增加并且室127、137中的空气106减少，浮力中心105向上移动且重心106向下移动；并且随着室127、137中的水101、108的体积减小并且室127、137中的空气106增加，浮力中心105向下移动且重心106向上移动。随着重心106和浮力中心105被移开(即，使重心106向下移动，并且使浮力中心105向上移动)，纵摇过稳性增加且最大纵摇角θ减小；然而，随着重心106和浮力中心105朝彼此移动(即，使重心106向上移动，并且使浮力中心105向下移动)，纵摇过稳性和最大纵摇角θ增加。因此，通过控制室127、137中的空气106和水101、108的相对体积，可以控制纵摇过稳性和最大纵摇角θ。对于本文中所描述的实施例，最大纵摇角θ优选地小于或等于10°。

如先前所描述的，本文中所描述的塔100的实施例具有定位在重心106上方的浮力中心105，从而使得塔100能够响应于环境负载并且展示有利的类似于浮动的深水浮筒平台的稳定特性，所述深水浮筒平台也具有布置于它们的重心上方的浮力中心。浮动的深水浮筒平台绕其海底船体的下端纵摇，且其横向位置利用系泊系统被维持。类似地，塔100的实施例绕船体110的下端110b自由地纵摇。然而，下端110b利用锚140直接固定至海床102，这对塔100的横向移动提供阻力。放置在如先前所描述的锚140上的相对小的竖向负载(例如，250至1000吨)用于确保塔100具有足量的横向负载能力以抵抗环境负载，而不脱离海床102或横向地移动。应理解，与典型地置于纯压缩(固定平台和柔性塔)或纯张紧(张紧支腿平台)中的最常规海上结构形成鲜明的对比。

如先前所描述的，在本文中所描述的实施例，因为塔100提供显著的浮力，所以锚140遭受相对较小的竖向负载。此外，由于塔100从竖直方向绕下端110b枢转，所以锚140充当枢转关节。基于海床102处的土壤硬度，吸力裙部141提供设计和操作相对简单的机械装置(例如，可以调节穿入到海床102中的深度)。换言之，如果海床102处的土壤具有高硬度，则可以将裙部141部分嵌入海床102中，另一方面，如果海床102处的土壤具有低硬度，因此可以将裙部141完全嵌入海床102中。换言之，裙部141到海床102中的穿入深度可以由海床102处的土壤硬度来指定，以便能够实现塔100的期望的动态特性(例如，纵摇过稳性、最大纵摇角θ、自然周期等)。这种对海床处的土壤的固有柔度的一些进行杠杆作用(leveraging)以为塔100提供纵摇柔度的方法提供了优于在海床处的复杂铰接机械连接部的可能的优势，所述机械连接部对于铰接塔而言可能是不可靠的和/或弱点。

继在第一海上安装现场处的海上钻探和/或开采操作之后，可以使塔100从海床102分离，将塔100移至第二安装现场，并将塔100安装在第二安装现场处。一般而言，通过颠倒安装塔100所采取的步骤的顺序来将塔100从海床102分离。例如，通过将空气106泵送到室127中并迫使水101、108通过端口161从室127流出而对塔100进行卸压载。为了在立柱130的后续升高期间维持对中央立柱130的控制，优选对室137进行最低限度的压载或根本不进行压载。具体地，在锚140的设置和移除期间，优选将立柱130的浮力维持低于立柱130的重量。对塔100进行卸压载，直至它是净浮力并因此对锚140向上拉动为止。同时地，(通过打开阀174)排空所述腔142以减小裙部141与海床102之间的液力锁紧，和/或利用喷射泵173将流体(例如，水)泵送至腔142中以相对于海床102向上推动裙部141。一旦将锚140从海床102中完全拉出，塔100自由浮动并可以被拖曳到第二安装位置并安装。如果第二安装现场处的水深完全不同，则可以将锁定组件195转变至解锁位置以允许对中央立柱130的轴向位置进行调节，然后转变返回至锁定位置。

以所描述的方式，本文中所描述的实施例(例如，塔100)包括具有多个框格状柱形立柱(例如，包括室126、127、128、129、136、137的立柱120、130)的船体(例如，船体110)。与用于固定平台的最常规的导管架和用于柔性塔的桁架结构相比，此种框格状立柱具体地在具有有限的经验和技能资源的地理区域提供增强制造和安装效率的可能性。此外，本文中所描述的实施例在地震区中提供可能的优势，因为它们可以绕下端110b纵摇，并且不是刚性底基结构。

虽然已经示出并且描述了优选的实施例，但是在不脱离本文的范围或教义的情况下，本领域的技术人员可以作出这些优选实施例的修改。本文所描述的实施例仅是示例性的并且不是限制性的。本文所描述的系统、装置和过程的许多变化和修改是可能的并且是在本发明的范围内。例如，可以改变各个零件的相对尺寸以及制成各个零件的材料和其它参数。因此，保护的范围并不限于本文所描述的实施例，而仅受到随后的权利要求的限制，并且权利要求的范围将包括权利要求的主题的所有等同物。除非另外明确地陈述，可以以任何顺序执行在权利要求的方法中的步骤。在方法权利要求中的各个步骤之前的诸如(a)、(b)、(c)或(1)、(2)、(3)的标识符的列举并不旨在指定这些步骤的具体顺序，而是仅用作此类步骤的后续参照。

Claims (28)

1.一种用于钻探和/或开采海底井的海上结构，所述结构包括：

船体，所述船体具有纵向轴线并包括第一立柱和第二立柱，所述第二立柱以可移动方式联接至所述第一立柱，其中，每个立柱均具有纵向轴线、第一端、以及与所述第一端相反的第二端；

锚，所述锚被布置在所述第二立柱的第二端处，以便被推进到海床中并将所述船体固定到海床；

其中，所述第二立柱被构造成相对于所述第一立柱轴向向下移动；

其中，所述第一立柱包括可变压载室和第一浮力室，所述可变压载室轴向定位在所述第一立柱的第一端和第二端之间，所述第一浮力室定位在所述第一立柱的所述可变压载室和第一端之间，其中所述第一浮力室填充有气体并与周围环境密封；

其中，所述第二立柱包括轴向定位在所述第二立柱的第一端和第二端之间的可变压载室；以及

上部结构，所述上部结构安装到所述船体。

2.根据权利要求1所述的海上结构，其中，所述锚具有小于3:1的纵横比。

3.根据权利要求1所述的海上结构，还包括：

第一压载控制管道，所述第一压载控制管道与所述第一立柱的可变压载室流体连通并构造成对所述第一立柱的可变压载室供应气体；

其中，所述第一立柱包括与所述第一立柱的可变压载室流体连通的第一端口，其中所述第一立柱的第一端口被构造成允许水从周围环境流入所述第一立柱的可变压载室中以及从所述第一立柱的可变压载室中流出；

第二压载控制管道，所述第二压载控制管道与所述第二立柱的可变压载室流体连通并构造成对所述第二立柱的可变压载室供应气体；

其中，所述第二立柱包括与所述第二立柱的可变压载室流体连通的第一端口，其中所述第二立柱的第一端口被构造成允许水从周围环境流入所述第二立柱的可变压载室中以及从所述第二立柱的可变压载室中流出。

4.根据权利要求3所述的海上结构，其中，所述第一压载控制管道的一端布置在所述第一立柱的可变压载室内，并且所述第二压载控制管道的一端布置在所述第二立柱的可变压载室内。

5.根据权利要求1所述的海上结构，其中，所述第一立柱包括固定压载室，所述固定压载室轴向定位在所述第一立柱的可变压载室与所述第一立柱的第二端之间；

其中，所述第二立柱包括固定压载室，所述第二立柱的固定压载室轴向定位在所述第二立柱的可变压载室与所述第二立柱的第二端之间；

其中，每个固定压载室均构造成被填充有固定压载。

6.根据权利要求1所述的海上结构，其中，所述锚是吸力桩，所述吸力桩包括从所述第二立柱的第二端轴向延伸的吸力裙部。

7.根据权利要求6所述的海上结构，还包括与由所述吸力裙部限定的腔流体连通的流体管道，其中，所述流体管道被构造成用于将所述腔排空、将流体泵送到所述腔中或从所述腔中抽出流体。

8.根据权利要求1所述的海上结构，还包括第二浮力室，所述第二浮力室布置在所述第一立柱的第一端处，其中所述第二浮力室填充有气体并与周围环境密封。

9.根据权利要求1所述的海上结构，还包括锁定组件，所述锁定组件被构造成锁定所述第二立柱相对于所述第一立柱的轴向位置。

10.根据权利要求9所述的海上结构，还包括：

细长引导件，所述细长引导件联接至所述第一立柱并平行于所述第一立柱的纵向轴线延伸；

细长轨道，所述细长轨道联接至所述第二立柱，其中所述轨道被定向成平行于所述第二立柱的纵向轴线；

其中，所述轨道布置在所述引导件内并以可滑动方式接合所述引导件；

其中，所述锁定组件定位在所述轨道与所述引导件之间。

11.一种用于钻探和/或开采一个或多个海上井的方法，包括如下步骤：

(a)将浮力塔定位在海上安装现场，其中，所述塔包括具有纵向轴线的船体和安装到所述船体的上部结构，其中所述船体包括中央立柱和围绕所述中央立柱周向地彼此间隔开的多个外立柱，其中所述中央立柱具有布置在下端处的锚并以可移动方式联接至所述多个外立柱，并且其中所述中央立柱被平行于所述多个外立柱定向；

(b)对所述中央立柱进行压载；

(c)在步骤(b)期间使所述中央立柱相对于所述多个外立柱轴向向下移动；

(d)在步骤(c)之后对所述船体进行压载；

(e)在步骤(d)期间将所述中央立柱的所述锚穿入海床中；以及

(f)在所述步骤(e)之后，允许所述塔绕所述锚纵摇。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括：在所述步骤(e)之前，锁定所述中央立柱相对于所述多个外立柱的位置。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述步骤(d)包括：允许所述塔相对于竖直方向纵摇到最大纵摇角，所述最大纵摇角小于10°。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述锚具有小于3:1的纵横比。

15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述步骤(a)包括如下步骤：

(a1)将所述船体和所述上部结构运输至海上安装现场；

(a2)使所述船体以水平定向漂浮在海面上；

(a3)将所述船体从所述水平定向转变为竖直定向；

(a4)将所述上部结构在海面上方安装到所述船体，以形成所述浮力塔。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述步骤(a1)包括：

在海上用船运输所述船体；以及

在海上将所述船体从所述船上卸下。

17.根据权利要求11所述的方法，其中，每个外立柱具有纵向轴线、第一端、以及与所述第一端相反的第二端；

其中，每个外立柱包括可变压载室和第一浮力室，所述可变压载室轴向定位在所述外立柱的第一端和第二端之间，所述第一浮力室轴向定位在所述外立柱的所述可变压载室和第一端之间；

其中，所述步骤(d)包括：使可变压载流入每个外立柱的可变压载室中；

其中，所述中央立柱具有纵向轴线、第一端、与该第一端相反的第二端；

其中，所述中央立柱包括可变压载室，所述中央立柱的可变压载室轴向定位在所述中央立柱的第一端和第二端之间；

其中，所述步骤(b)包括：使可变压载流入所述中央立柱的可变压载室中。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述步骤(b)包括：允许所述中央立柱的可变压载室中的气体排出并允许水通过所述中央立柱中的端口流入所述中央立柱的可变压载室中。

19.根据权利要求11所述的方法，其中，所述锚是吸力桩，所述吸力桩包括从所述中央立柱的第二端轴向延伸的吸力裙部；

其中，所述步骤(e)包括如下步骤：

(e1)将所述吸力裙部穿入海床中；以及

(e2)在所述步骤(e1)期间，从所述吸力裙部内的腔中泵送流体。

20.根据权利要求19所述的方法，还包括如下步骤：

(g)在所述步骤(f)之后，对所述船体卸压载；以及

(h)将所述锚从所述海床中拔出。

21.根据权利要求20所述的方法，还包括：

在所述步骤(h)期间，将流体泵送至所述腔中。

22.一种用于钻探和/或开采海底井的海上结构，所述结构包括：

船体，所述船体具有纵向轴线并包括多个径向外立柱和径向定位在所述多个外立柱之间的中央立柱，其中，每个立柱均定向成平行于所述纵向轴线；

其中，每个立柱均具有第一端以及与所述第一端相反的第二端；

其中，所述中央立柱被构造成能够相对于所述多个外立柱轴向移动；

锚，所述锚被布置在所述中央立柱的第二端处，其中所述锚具有小于3:1的纵横比并构造成以可释放方式与海床接合；

其中，所述多个外立柱中的每个外立柱均包括可变压载室和第一浮力室，所述可变压载室轴向定位在相应的所述外立柱的第一端和第二端之间，所述第一浮力室轴向定位在相应的所述外立柱的所述可变压载室和第一端之间，其中所述第一浮力室填充有气体并与周围环境密封；

其中，所述中央立柱包括可变压载室，所述中央立柱的可变压载室轴向定位在所述中央立柱的第一端和第二端之间；

上部结构，所述上部结构安装到所述船体；以及

锁定组件，所述锁定组件被构造成选择性地锁定所述中央立柱相对于所述多个外立柱的轴向位置。

23.根据权利要求22所述的海上结构，还包括多个第一管道，其中，所述多个第一管道中的一个第一管道与多个所述可变压载室中的一个可变压载室流体连通并构造成对相应的所述可变压载室供应气体。

24.根据权利要求23所述的海上结构，其中，所述多个外立柱中的每个外立柱均包括固定压载室，所述固定压载室轴向定位在相应的所述外立柱的相应的所述可变压载室和第二端之间。

25.根据权利要求24所述的海上结构，还包括多个第二管道，其中，所述多个第二管道中的一个第二管道与每个固定压载室流体连通并构造成对相应的固定压载室供应固定压载。

26.根据权利要求22所述的海上结构，其中，所述锚是包括吸力裙部的吸力桩。

27.根据权利要求26所述的海上结构，还包括与所述吸力裙部内的腔流体连通的流体管道，并且所述流体管道被构造成将流体从所述腔中抽出以及将流体泵送到相应的所述腔中。

28.根据权利要求22所述的海上结构，其中，所述多个外立柱中的每个外立柱和所述中央立柱均包括与相应的所述可变压载室流体连通的端口。