CN103388457B - 具有浮力元件的挠性管体及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种挠性管体和挠性管体的制造方法。所述挠性管体（400）包括内部流体保持层（402）；径向设置于所述内部流体保持层之外的铠装层（404）；以及，包括多个离散的细长浮力元件的浮力层（406），所述多个离散的细长浮力元件径向设置于流体保持层之外，以与挠性管体的纵向轴线成等于或大于0度且小于约85度的螺旋倾角缠绕。

Description

具有浮力元件的挠性管体及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种包括浮力元件的挠性管体，以及包括浮力元件的挠性管体的制造方法。具体地（但非排他地），本发明涉及适用于油气工业的挠性管体。

背景技术

传统上使用挠性管从一个位置到另一个位置输送产品流体，例如，石油（oil，油）和/或天然气和/或水。对于海底位置（可能为深海，例如，1000米或以上）与海平面位置的连接，挠性管特别有用。管的内径一般可为约0.6米。挠性管一般形成为挠性管体与一个或多个端部配件的组件。管体一般形成为分层材料的组合，所述分层材料形成压力容纳导管。管结构允许在不引起弯曲应力的情况下出现较大偏移，所述弯曲应力会在管的使用寿命中削弱管的功能。管体一般构建成包括金属层和聚合物层的组合结构。立管（riser，竖管）是将海底源与海面站或船只连接的一段或多段挠性管的组件。跨接件是将海底位置与另一海底位置连接的挠性管的组件。

在多种已知挠性管设计中，管体包括一个或多个抗拉铠装层（tensile armourlayer）。这种层上的主载荷是张力。在高压应用（例如，深水和超深水环境）中，抗拉铠装层承受来自于内压端盖载荷和挠性管自支撑重的组合的高张力载荷。由于长期处于这种条件下，这会使挠性管中发生故障。

无粘合的挠性管已用于深水（小于3,300英尺（1,005.84米））和超深水（大于3,300英尺）开采。对石油的需求日益增加，因此勘探的深度也越来越大，其环境因素更为极端。例如，在这种深水和超深水环境中，海底温度增加了这样的风险：产品流体冷却到可能会造成管堵塞的温度。增加的深度还增加了与挠性管必须在其中操作的环境相关的压力。因此，对挠性管体的抗拉铠装层的高性能水平的需求增加。

过去已尝试的以某种方式减轻上文所述的抗拉铠装层上的载荷问题一种技术是，在沿立管长度的预定位置处给挠性管添加浮力工具。

WO2007/125276公开了适用于深水应用的一种立管。浮力工具提供向上的升力，以抵消立管的重量，在沿立管长度的各个点处有效地抵消了立管的一部分重量。

传统浮力工具形成为高浮力材料的单独模块，或形成为可填充有这种浮力材料的中空壳体。传统来说，这种浮力工具夹持于或以其他方式固定于挠性管上的预定位置。

使用浮力工具来支撑立管的已知立管配置的一个示例是阶状（stepped，分级）立管配置100，例如，WO2007/125276中公开和图1所示的配置，其中，浮力工具101沿挠性管103设于离散位置处。此处，所述挠性管包括五段挠性管体和位于相邻段的管体之间的四个接合部。在每个接合部处，浮力工具101以某种方式附着于挠性管，以对管提供升力，并减小沿管长度的拉伸载荷。所述立管适用于从海底位置向漂浮设施105（例如，平台或浮筒或船只）输送产品流体（例如，石油和/或天然气和/或水）。

WO2010/041048公开了包括一个或多个浮力工具的立管组件的另一个示例。

挠性管还可用于浅水应用（例如，小于约500米深度）或甚至海滨（陆上）应用。用于浅水应用的挠性管也可使用浮力工具。

通常，在即将使用时（即，当管从漂浮设施放入水里时）将每个浮力工具装配至挠性管，因为当挠性管包括大量浮力工具时一般无法存储在卷盘上。有用的是，提供在投付使用时劳动密集性不高而又节省成本的挠性管。

与立管组件有关的另一个问题是鸟笼状，由于作用在管上的压缩力而导致挠性管的线的侧向变形。这个问题在管的着地（touchdown，触地）区域处（例如，立管与海底相接触的点）更常见，并且可能是由于波浪作用引起立管的竖直往复移动所致。当立管经历竖直移动时，附着至立管的浮力工具会增加对处于着地区域中的管的（反复）压缩和拉伸的范围和严重程度。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种挠性管体，包括：

内部流体保持层；

铠装层，径向设置于所述内部流体保持层之外；以及

浮力层，包括多个离散的细长浮力元件，所述多个离散的细长浮力元件径向设置于流体保持层之外，以与所述挠性管体的纵向轴线成等于或大于0度且小于约85度的螺旋倾角的方式缠绕。

根据本发明的第二方面，提供了挠性管体的制造方法，包括：

提供内部流体保持层；

在所述内部流体保持层之外径向设置铠装层；以及

提供包括多个离散的细长浮力元件的浮力层，所述多个离散的细长浮力元件径向设置于流体保持层之外，以与挠性管体的纵向轴线成等于或大于0度且小于约85度的螺旋倾角的方式缠绕。

根据本发明的第三方面，提供了一种基本如本文参照附图所述的挠性管体。

根据本发明的第四方面，提供了一种基本如本文参照附图所述的方法。

本发明的一些实施例的优点在于，提供的挠性管体能用在立管组件中，作为当前已知配置的节省成本的替代物。

本发明的一些实施例的优点在于，包括浮力工具的挠性管体可在工厂制造期间形成并存储在卷盘上，免除了在将挠性管放入海里时将浮力工具添加至挠性管的需要。

附图说明

下文将参照附图对本发明的实施例进行进一步说明，在附图中：

图1示出了已知立管组件；

图2示出了挠性管体；

图3示出了立管组件；

图4a示出了挠性管体的截面图；

图4b示出了图4a的挠性管体的立体图；以及

图5示出了另一个挠性管体的截面图。

在附图中，相似附图标记表示相似部分。

具体实施方式

本文将对挠性管进行说明。应理解的是，挠性管是一部分管体和一个或多个端部配件的组件，管体的相应端部终止在每个端部配件中。图2示出了形成压力容纳导管的分层材料的组合是如何构成管体200的。尽管在图2中示出了多个特定层，但应理解的是，本发明广泛适用于包括由各种可能材料制成的两个或多个层的同轴管体结构。应进一步注意的是，示出的层厚度仅用于示例性的目的。

如图2所示，管体包括任选的最内侧构架层201。所述构架提供能用作最内层的联锁结构，以完全或部分地防止内压护套202由于管减压、外压、抗拉铠装压力和机械断裂载荷而破裂。应理解的是，本发明的一些实施例适用于“平滑内膛”操作（即，没有构架）以及这种“粗膛”应用（具有构架）。

所述内压护套202起流体保持层的作用，通常包括确保内部流体完整性的聚合物层。应理解的是，该层本身可包括多个子层。应理解的是，在使用任选的构架层时，本领域的技术人员通常将内压护套称为阻挡层，在没有这种构架的操作（所谓的平滑内膛操作）中，所述内压护套可称为衬套。

任选的压力铠装层203为具有的捻角（lay angle，铺设角度）接近90°的结构层，这增加了挠性管对内压、外压以及机械断裂载荷的耐受性。所述层还在结构上支撑内压护套，并且通常包括联锁结构。

所述挠性管体还包括任选的第一抗拉铠装层205和任选的第二抗拉铠装层206。每个抗拉铠装层为捻角一般在10°至55°之间的结构层。每个层用于承受拉伸载荷和内压。所述抗拉铠装层通常成对地反向缠绕。

所示挠性管体还包括任选的条带层204，所述条带层204有助于容纳底层，并在某种程度上阻止相邻层之间的摩擦。所述条带可为聚合物材料，例如，PP或PA-11，并且可螺旋地缠绕在底层上。

所述挠性管体一般还可包括任选的绝缘层207和外保护套层208，所述外保护套层包括用于保护管免受海水渗入、其他外部环境、腐蚀、摩擦和机械损坏的聚合物层。

每个挠性管包括管体200的至少一部分（有时称为一段或一部分管体）以及位于挠性管的至少一端处的端部配件。端部配件提供了在挠性管体与连接器之间形成过渡的机械装置。例如图2所示的不同管层以在挠性管与连接器之间传递载荷的方式终止在端部配件中。

图3示出了适用于从海底位置301向漂浮设施302输送产品流体（例如，石油和/或天然气和/或水）的立管组件300。例如，在图3中，海底位置301包括海底流线。挠性流线305包括挠性管，所述挠性管整个或部分地搁置于海底304上或埋在海底以下且用于静态应用。所述漂浮设施可由平台和/或浮筒或图3所示的船只提供。所述立管组件300作为挠性立管（即，将船只与海底装置相连接的挠性管303）而提供。所述挠性管可为具有端部配件的多段挠性管体。

应理解的是，如本领域的技术人员众所周知的，存在不同类型的立管。本发明的实施例可与任何类型的立管（例如，自由悬浮式（自由悬链立管）、某种程度上受限的立管（浮筒、链条）、完全受限的立管或封闭在管子（I或J型管）内的立管）结合使用。

图3还示出了挠性管的一部分如何用作流线305或跨接件306。

图4a示出了根据本发明的挠性管体400的一部分的截面图。图4b示出了挠性管体400的立体图。所述挠性管体为导管，一般整体为管状。所述挠性管体包括用于容纳所输送的流体（例如，石油或天然气或水）的内部流体保持层402（即，衬套或阻挡层），其确保内部流体完整性。如本领域的技术人员已知的，所述内部流体保持层402可由聚合物（例如，HDPE、PVDF、PA-11、PA-12等），或金属或合金制成。

所述挠性管体400还包括一个或多个铠装层404，在该实施例中为抗拉铠装层。可替代地，所述铠装层可为压力铠装层。所述铠装层404为结构层，其增加了挠性管对例如机械断裂载荷的内压和/或外压（所输送的流体向外推的压力或管外的大量海水向内推的压力）或拉伸载荷的耐受性。所述铠装层404由一个或多个螺旋缠绕的细长条带元件（例如，金属线构成），所述金属线由合适金属制成，在该示例中由碳钢制成。所述抗拉铠装金属线以螺旋方式缠绕在流体保持层上（图4a和4b中未显示）。

在铠装层404上，进一步径向设置于流体保持层402之外的是浮力层406。所述浮力层由多个离散的细长浮力元件406₁、406₂、406_n等构成。所述浮力元件406_1-n沿挠性管体的纵向长度延伸，与中心纵向轴线C同心（同轴），并以相对于挠性管体的纵向轴线成约25度捻角的方式螺旋地缠绕。这样，所述浮力元件406_1-n均互相平行地布置，以形成与流体保持层及铠装层同心的浮力层。有用的是，可与底层螺旋缠绕抗拉铠装金属线呈螺旋反向的方式而螺旋缠绕浮力元件。在这种设置下，管层中的扭矩将通过管结构设计而得以平衡。

在该实施例中，多个浮力元件中的每个均为具有椭圆形截面的复合泡沫塑料的杆（细长件）。复合泡沫塑料的密度小于海水的密度，因此在作为立管的一部分使用时，对挠性管体提供浮力或升力。复合泡沫塑料还可变形，允许挠性管在弯曲时具有必要的挠性。

所述离散的浮力元件406_1-n并不一定附着至底层，而是可在管体的任一端处连接至端部配件。可替代地，所述浮力元件例如可通过焊剂或胶粘剂或夹紧方式（在管体的整个圆周上添加环形夹紧装置）而附着至底层。

根据水环境（如使用深度）和管参数（如尺寸和质量）等而选择浮力层的实际尺寸和大小，选择方法与用于确定需要在挠性管上添加多少个浮力工具的当前方法相似，并可由本领域的技术人员确定。例如，所述浮力层可设计为，在海底使用时，可产生约100kg/m的附加净浮力。

为了形成挠性管体400，所述流体保持层402能够以已知方式挤压在心轴上。随后，所述铠装层404包绕在流体保持层402上。随后，通过将多个离散的浮力元件螺旋缠绕在铠装层上而形成浮力层。任选地，然后可用粘合剂、焊件或夹子等将所述浮力元件紧固在合适位置。

当然，除图4a和4b所示的层之外，所述挠性管体400还可包括其他步层，如图2所示的那些。

特别地，如图5所示，所述挠性管体可另外包括设于浮力层406上的外保护套508。外保护套有助于在使用过程中阻止海水进入挠性管体的内层。外保护套还用于辅助粘合剂/焊件/夹紧单元等或代替粘合剂/焊件/夹紧单元帮助将浮力元件保持在合适位置。所述外保护套508由聚合物（例如，HDPE）制成，尽管可替代地，也可由（例如）TPE、PA-11、PA-12制成。

上述实施例中所述的挠性管体随后可通过分别在管体的第一端和第二端处添加一个或两个端部配件而形成一挠性管段。随后可将多个挠性管段首尾相连地连接，以形成立管。在这方面，应注意的是，立管可适当地由多个挠性管段构成，并且可优化所述挠性管段，以适合其在使用过程中在水里的各个位置。例如，在具有顶段（与漂浮设施连接）、中间段和下段（到达海底）的立管中，所述顶段为通常承受最大张力的段，因此应进行优化以减小顶段的张力，而下段承受来自周围深水的最大压力，因此应进行优化以使其包括最厚铠装层，例如，构架和压力铠装层。因此，可将中间段优化以使其帮助减小顶段的张力，同时减小在下段上起拉伸载荷作用的管重量。因此，各挠性管段可具有所提供的不同浮力层和/或浮力量。

可对上述细节设计进行各种修改。例如，所述离散的浮力元件可与挠性管体的纵向轴线成其他角度。所述浮力元件能够以零度螺旋倾角设置，即，沿管体纵向设置，或以与管体的纵向轴线成最大约85度的任何角度而螺旋缠绕。适当地，所述浮力元件与纵向轴线成约20至30度，尽管也可采用其他角度。

尽管上述实施例显示了具有椭圆形截面的作为离散的浮力元件的圆筒，但浮力元件也可具有其他截面和形式，例如，圆形截面或矩形截面。所述浮力元件不需要具有相同形式，其形状应使细长单元能够以某种方式配合在一起（例如，通过凸起和腔体以交错方式配合）。当然，有用的是，可将管体圆周上的浮力量保持基本相等，以不对一段立管置于水中的方式造成干扰。因此，所述浮力层可包括同心设置的一个或多个圆形排的浮力元件。

在另一个实施例中，上述浮力元件可由填充有密度小于海水密度的材料（例如，空气或复合泡沫塑料）的管构成。所述管可为（例如）不锈钢或其它金属或合金材料的。

管参数（诸如厚度和材料）应选择为具有足够的强度以抵抗破裂，同时提供必要的浮力。

在又一个相关实施例中，所述多个浮力元件可与外部流体源（例如，位于携带立管的船只上的具有泵/吸力装置的空气流系统）连接。由此，可主动地增加和/或减小一个或多个浮力元件内的流体体积，以改变浮力水平。

在上述挠性管体的情况下，减轻立管上的张力所需的浮力材料可在初始制造阶段制造并与挠性管组合。由此，形成的挠性管可作为单一单元包装、运输和安装，而不是独立的挠性管和放入海里时附着至挠性管的浮力工具。这是一种改进，简化了处理，并确保管是节省成本的。

另外，在管体周围提供更大量的离散的浮力元件允许提供冗余以备例如如果浮力元件中之一受损的情况下使用。

另外，通过沿立管或一段立管提供连续长度的浮力，发生称为鸟笼状的问题的可能性降低。这是因为，当立管被迫上下移动时，完整长度的（有浮力的）立管不太可能允许在立管着地区域处的管上出现压缩力。另一方面，在沿立管长度的特定点处具有单个浮力工具（本身已知的设置）的情况下，局部浮力可使立管局部硬化，将附加张力和压缩力转移到位于该浮力工具下方的管段。压缩力会使螺旋缠绕线试图从结构中的层平面升出（径向变形），或在平面或层内扭曲（横向弯曲）。

在上述挠性管体的情况下，提供具有相对于纵向轴线来说较小（shallow，较浅）螺旋缠绕角度（例如，20至30度）的浮力元件要求每个浮力元件的长度都较小。由此，对浮力元件中的接合部的要求较少，因为接合部可为渗漏通道的来源，因此接合部是不利的。

在包括形成为管的离散的浮力元件的上述挠性管体的情况中，有利地，所述管状外部可起护罩的作用，以助于防止内部浮力材料退化和老化。

本领域的技术人员应明确的是，上述针对任何实施例所描述的特征可能够在不同实施例之间交换地应用。上述实施例为对本发明的各个特征进行举例说明的示例。

在该说明书的描述和权利要求中，词语“包括”和“包含”及其变型表示“包括，但不限于”，并且不旨在（并且也不）排除其他成分、添加、部件、整体或步骤。在该说明书的描述和权利要求中，除非上下文另有要求，否则单数包括复数。特别地，使用不定冠词时，除非上下文另有要求，否则应将该描述理解为表示复数和单数。

应理解的是，与本发明的特定方面、实施例或示例相结合地描述的特征、整体、特性、化合物、化学成分或基团适用于本文所述的任何其他方面、实施例或示例，除非与其不相容。该说明书（包括任何所附权利要求、摘要和附图）中公开的所有特征，和/或公开的任何方法或过程的所有步骤，可以任何组合方式进行组合，至少某些特征和/或步骤互相排斥的组合除外。本发明并不限于任何上述实施例的细节。本发明可扩展到该说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的特征的任何新型特征或其任何新型组合，或扩展到本文公开的任何方法或过程的步骤的任何新型步骤或其任何新型组合。

读者还应注意与该说明书同时或在该说明书之前提交的可与该说明书一起接受公众审查的所有论文和文件，所有这些论文和文件的内容以参考的形式并入本文。

Claims (11)

1.一种用于深水应用的立管的挠性管体，包括：

内部流体保持层；

压力铠装层，径向设置于所述内部流体保持层之外；

浮力层，包括多个离散的细长浮力元件，所述多个离散的细长浮力元件径向设置于所述内部流体保持层之外，以与所述挠性管体的纵向轴线成等于或大于0度且小于85度的螺旋倾角缠绕；以及

保护外护套层，径向设置于所述多个离散的细长浮力元件之外，

其中，所述多个离散的细长浮力元件包括填充有密度小于海水密度的材料的管，并且

其中，所述管构造成具有足够的强度以抵抗破裂。

2.根据权利要求1所述的挠性管体，其中，所述多个离散的细长浮力元件中的每个均沿所述挠性管体的纵向轴线延伸。

3.根据权利要求1所述的挠性管体，其中，所述多个离散的细长浮力元件中的每个均与所述多个离散的细长浮力元件中的其余细长浮力元件平行地延伸。

4.根据权利要求1所述的挠性管体，其中，所述管填充有空气或复合泡沫塑料。

5.根据权利要求1所述的挠性管体，其中，所述多个离散的细长浮力元件中的至少一个配置为，能够与外部流体源连接。

6.根据权利要求1所述的挠性管体，其中，所述多个离散的细长浮力元件设置为，以与所述挠性管体的纵向轴线成20至30度的捻角的方式螺旋地缠绕。

7.根据权利要求6所述的挠性管体，其中，所述多个离散的细长浮力元件设置为，以与底层的绕线呈螺旋反向的方式而螺旋缠绕。

8.根据权利要求6所述的挠性管体，进一步包括抗拉铠装层。

9.一种包括根据权利要求6所述的挠性管体和至少一个端部配件的挠性管。

10.一种包括至少一个根据权利要求9所述的挠性管的立管。

11.一种挠性管体制造方法，所述挠性管体用于深水应用的立管，所述方法包括：

提供内部流体保持层；

将压力铠装层径向提供在所述内部流体保持层之外；

提供包括多个离散的细长浮力元件的浮力层，所述多个离散的细长浮力元件径向设置于所述内部流体保持层之外，以与所述挠性管体的纵向轴线成等于或大于0度且小于85度的螺旋倾角缠绕，以及

提供径向设置于所述多个离散的细长浮力元件之外的保护外护套层，

其中，所述多个离散的细长浮力元件包括填充有密度小于海水密度的材料的管，并且

其中，所述管构造成具有足够的强度以抵抗破裂。