CN103619699A - 浮力元件、包括浮力元件的上升管组件以及支承上升管的方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种浮力元件、一种包括浮力元件的上升管组件以及一种支承上升管的方法。浮力元件(400)包括本体(402)和进入端口(404)，本体(402)具有至少部分呈柔性的结构，本体(402)具有能够在膨胀状态与收缩状态之间调节的体积；进入端口(404)用于将流体供给至本体和／或将流体从本体移除，从而调节本体的体积。

Description

浮力元件、包括浮力元件的上升管组件以及支承上升管的方法

技术领域

本发明涉及一种浮力元件、一种包括浮力元件的上升管组件以及一种对上升管进行支承的方法。特别地而非排他性地，本发明涉及一种适合在油气产业中使用的上升管组件。

背景技术

传统的柔性管用于将诸如油和／或气和／或水之类的生产流体从一个方位输送至另一个方位。柔性管在将海底方位(海底位置可以为深水方位)连接至海平面方位这方面是特别有用的。柔性管总体上形成为柔性管体和一个或更多个端部配件的组件。管体通常形成为形成承压导管的层状材料的组合。管结构允许在不产生损害管在其寿命期间的功能的弯曲应力的情况下产生较大的挠曲。管体总体上构造为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，管包括一个或更多个拉伸铠装层(tensilearmour layer)。这种层上的主要载荷为张力。在高压应用中，拉伸铠装层承受来自内压端盖载荷和柔性管的重量的高张力载荷。由于长期经受这种条件，这会导致在柔性管中发生故障。

在过去已经尝试的能够在某种程度上缓解上述问题的一种方法为：沿着上升管的长度在预定的方位处增加浮力辅助装置。浮力辅助装置的采用与诸如水中弧形结构之类的一些其它构型相比具有相对更低的安装成本，并且还允许相对更快的安装时间。在图1a和图1b中示出了使用浮力辅助装置以支承上升管的中间部段的已知的上升管的构型的示例，图1a和图1b中分别示出了“陡波”构型和“缓波”构型。在这些构型中，提供了上升管组件200，该上升管组件200适合用于将诸如油和／或气和／或水之类的生产流体从海底位置输送至诸如平台或浮标或船之类的浮动设施202。上升管设置为柔性上升管-即包括柔性管，并且包括固定至柔性管的离散的浮力模块204。可以将浮力模块和柔性管的定位布置成呈现陡波构型206₁或缓波构型206₂。

然而，在一些应用中，浮力模块可以对上升管组件重量的改变-例如由海洋生长物(附接至上升管的贝壳类生物和其他海洋生物和／或海洋废弃物)导致的-做出反应。可替代地或附加地，浮力模块可能因运动或总体上日复一日的磨损而承受内容物密度的逐渐的或突然的改变。这可能导致上升管的浮力支承量(并且因此导致海床上方的相对高度)改变。通常，在浮力模块的寿命起始时提供了最大的浮升力，并且浮升力随着时间而降低。浮力支承量的任何改变可能对提供至柔性管的张力消除产生不利影响，这可能最终降低上升管的寿命。

此外，重量的这种改变可能导致下述不期望的情况：上升管组件通过弹出至水面或沉入至海底而完全地改变了其指定构型。这对潜水应用(小于1000英尺(304.8米))是尤为可能的，这是这由于在较浅的深度处浮力的任何改变对高度改变具有更为显著的影响。与任何临近的上升管组件或船舶结构的干扰可能会成为问题。

此外，时而会出现以下情况：有益的是能够将上升管的部段从其使用位置移动至另外一个位置。然而，这件装置的移动(尤其是以任何速度)总是被证明为麻烦且耗能的。

发明内容

本发明的目的是至少部分地减轻上文提到的问题。

本发明的实施方式的目的是提供一种上升管系统和用于这种系统的浮力元件，该上升管系统更能够适应于海洋生长物、来自潮汐和其他船舶的运动、以及内部流体密度。

本发明的实施方式的目的是提供一种能够响应于外部变量而被主动地控制的浮力元件。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于对柔性上升管提供浮力的浮力元件，包括：

本体，本体具有至少部分呈柔性的结构，所述本体具有能够在膨胀状态与收缩状态之间调节的体积，以及

进入端口，该进入口用于将流体供给至本体和／或将流体从本体移除，从而调节本体的体积。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于从海底的方位输送流体的上升管组件，包括：

柔性管；和

一个或更多个浮力元件，这一个或更多个浮力元件包括本体和进入端口，本体具有至少部分呈柔性的结构，所述本体具有能够在膨胀状态与收缩状态之间调节的体积；进入端口用于将流体供给至本体和／或将流体从本体移除，从而调节本体的体积。

根据本发明的第三方面，提供了一种对上升管进行支承的方法，该方法包括下述步骤：

提供上升管，该上升管包括至少一段柔性管；

提供至少一个浮力元件，这至少一个浮力元件用于对上升管的一部分提供浮力，浮力元件具有本体，本体具有至少部分呈柔性的结构；以及

通过将流体供给至本体和／或将流体从本体移除来调节本体的体积。

本发明的某些实施方式提供的优点在于：能够增加和／或降低浮力元件内的流体的体积，从而能够改变浮力水平。本发明的某些实施方式提供的优点在于：提供了允许对上升管构型进行增强的控制的浮力元件。本发明的某些实施方式使操作者能够对浮力元件在海床上方的高度具有完全的控制。浮力元件能够主动地膨胀或收缩以响应于对浮力的比如海洋生长物之类的外部影响和诸如内部流体密度的逐渐改变的内部影响而调节浮力元件的浮力。因此控制了由这种浮力元件支承的上升管。上升管的构型可以更快速地改变从而例如避开通过的船舶，或是上升管的构型例如在剧烈的暴风雨期间下沉并且之后恢复。在本发明某些实施方式中，能够按需要通过外部操作者或通过内部装置而持续地或间歇地对浮力进行调节和控制。

附图说明

以下参照附图对本发明的实施方式进行进一步描述，在附图中：

图1a示出了已知的上升管组件；

图1b示出了另一个已知的上升管组件；

图2示出了柔性的管体；

图3示出了另一个上升管组件；

图4a示出了浮力模块；

图4b示出了在柔性管上使用的图4a的浮力模块；

图5示出了另外的使用中的浮力模块；

图6示出了又一个浮力模块；以及

图7示出了又一个浮力模块。

在附图中，相似的附图标记表示相似的部分。

具体实施方式

在本说明书中，将介绍柔性管。要理解的是，柔性管为管体的一部分与一个或更多个端部配件-管体的相应端部终止于每个端部配件中-的组件。图2示出了管体100根据本发明的一个实施方式由形成承压导管的层状材料的组合而形成的方式。尽管图2中示出多个特定的层，要理解的是，本发明能够广泛地应用于包括由多种可能的材料制造的两个或更多个层的同轴管体结构。还要注意的是，仅出于说明的目的而示出了层厚。

如图2所示，管体包括可选的最内部的构架层101。构架提供能够用作最内层的互锁结构，从而完全地或部分地防止内压护套102由于管减压、外压、以及拉伸防护压力以及机械破坏载荷而坍缩。要了解的是，本发明的某些实施方式能够应用于“滑膛(smooth bore)”操作(即，没有构架)以及这种“粗膛(rough bore）”应用(具有构架)。

内压护套102用作流体保持层并且包括确保内部流体完整性的聚合物层。要理解的是，这种层自身可以包括多个子层。要了解的是，当采用可选的构架层时，内压护套通常被本领域技术人员称为屏障层。在没有这种构架的操作(所谓的滑膛操作)中，内压护套可被称为是衬套。

可选的压力铠装层103是具有接近90°的铺设角度的结构层，该结构层增大了柔性管对内压和外压以及机械破坏载荷的抵抗性。该层还结构性地支承内压护套，并且层通常由互锁结构构成。

柔性管体还包括可选的第一拉伸铠装层105和可选的第二拉伸铠装层106。每一个拉伸铠装层是具有通常介于10°与55°之间的铺设角度的结构层。每个层用于承受拉伸载荷和内压。拉伸铠装层通常是成对地反向缠绕的。

所示出的柔性管体还包括可选的带层104，该带层104有助于容纳置于下方的层，并且一定程度上防止了相邻层之间的磨损。

柔性管体通常还包括可选的隔离层107和外部护套108，该外部护套108包括聚合物层，聚合物层用于对管进行保护使其免受海水渗透和其它外部环境、腐蚀、磨损以及机械损坏。

每个柔性管包括至少一部分，该部分有时与位于柔性管的至少一端处的端部配件一起被称为管体100的区段或部段。端部配件提供了形成柔性管体与连接器之间的过渡的机械装置。例如如图2示出的不同的管层在端部配件中终止，从而在柔性管与连接器之间传递载荷。

图3示出了适用于将诸如油和／或气体和／或水之类的生产流体从海底方位301输送至浮动设施302的上升管组件300。例如，在图3中，海底方位301包括海底流动管线。柔性流动管线305包括柔性管，该柔性管完全地或部分地置于海床304上或埋在海床下并且用于静态应用。浮动设施可以由平台和／或浮标提供，或如图3所示由船提供。上升管组件300设置为柔性上升管，也就是说，将船连接至海床安装部的柔性管303。柔性管可以是具有连接的端部配件的柔性管体的区段。

要了解的是，如本领域技术人员所已知的，存在不同类型的上升管。本发明的实施方案可以与任何类型的上升管一起使用，如自由悬浮的上升管(自由链状上升管)、在一定程度上受限制的上升管(浮标、链条)、完全受限的上升管或被包围于管中(I型或J型管)的上升管。

图3还示出了柔性管的部分能够用作流动管线305或跨接线(jumper)306的方式。

图4a中示出了根据本发明的浮力模块400的示例。在该实施方式中，浮力模块为具有由重型塑料材料制成的柔性本体402的可膨胀囊状物。浮力模块还具有由本体402中的开口形成的端口404。端口404用作流体供给／移除装置以使流体导入本体402以及从本体402移除。

在图4b中示出了使用中的浮力模块，其中，浮力模块400设置成直接地围绕自身形成了上升管的柔性管450。

更详细地，导管--在此为流体供给管406--连接至端口404并且沿柔性管450的外侧延伸以将外部流体源408联结至端口404，在这种情况下外部流体源408为位于带有上升管的船舶上的空气流动系统。

空气流动系统408可以包括泵系统和吸入系统，其中泵系统用于使空气沿管406朝向浮力模块400向下运动并且运动至浮力模块400中；吸入系统用于将空气从浮力模块400沿管406向上吸入并且吸走空气以便于移除。端口404适当地装配有合适的双向阀，以便使流体保持在本体402内，直至被任意方向上的预定的空气流压力克服。

要了解的是，管406不需要既用作传送管又用作移除管。例如，管406可以仅用作流体传送管。可以不需要流体移除系统，或可以设置有独立的出口端口以用于将流体从本体402排出至外部(或是经由另外的管排出至水面，或是以简单的方式直接排出至周围的海水中)。还要了解的是，流体不需为空气。流体可以是多种类型的气体或气体混合物，该流体具有小于水的重量／密度(每单位体积)。流体还可以是液体。

适当地，浮力模块可以包括监测装置，比如用于监测浮力模块的相对浮力的深度计。深度计可以通过电线或其它信号发送系统在水面处联结至控制器系统。控制器系统可以在水面处手动地操作。之后，能够监测浮力模块和相邻的上升管部分的浮力，并且操作者能够合适地操作泵系统和吸入系统，以改变本体中的空气的体积，并且因此改变浮力模块的浮力。监测装置可以替代地为流体密度监测器或其它合适的装置。

通过上文描述的浮力模块400，能够增加或降低在模块内的流体的体积，从而能够增加或降低浮力水平。

在本发明的另一实施方式中，浮力模块500设置有气体和液体供给装置(参见图5)。将本体502中的流体体积改变的原理可以用于影响浮力水平。然而，当需要时，流体向浮力模块中的添加(流体具有比气体相对更高的密度)会降低浮力，并且可能压缩所存在的气体元素。因此，用于影响浮力水平的两种不同的元素的有效性为系统带来了另外的自由度。在该实施方式中，气体和液体穿过独立的软管506、508供给。气体供给管506连接至端口504，并且液体供给管508连接至端口510，并且每个管沿柔性管550的外侧延伸从而各自联结至外部流体源。可替代地，气体和液体可以穿过单个软管供给。可以存在单一的出口软管或端口、或独立的出口软管／端口。

浮力模块500包括用于监测浮力模块的相对浮力的深度计512。深度计512通过电线或其它信号发送系统在水面处联结至控制器系统514。在该示例中，控制器系统在水面处手动地操作。对浮力模块和相邻的上升管部分的浮力进行监测，并且操作者能够适当地操作泵和吸入系统(例如，与上文描述的气体流动系统408类似)，以改变本体502中的流体的体积，并且因此改变浮力模块500的浮力。监测装置512可以替代地为流体密度监测器或其它合适的装置。

通过上文描述的浮力模块，能够贯穿浮力模块和福利模块可能附接到的柔性管的整个寿命而周期性地或持续地主动控制浮力水平。能够经由供给端口(和／或排出端口)而主动地改变浮力模块的流体容量，以按需要而增加或降低浮力。浮力模块的至少部分呈柔性的本体部分有助于流体容量的调节，这是由于浮力模块内的体积是不固定的。这种浮力调节可以是流体的偶发性的的或周期性的注入，以抵消例如由在浮力模块和柔性管上方的海洋生长物所导致的浮力的逐渐改变。浮力的调节可以是浮力的大长度的突然的改变，以快速地改变上升管的位置，从而例如避开通过的船舶。上升管可以在暴风雨期间下沉至低于海面的更深的平面，并且之后在安全时向上回升至上升管的初始位置。能够改变柔性管的水深的深度。可以贯穿上升管组件的寿命而持续地监测浮力。控制器可以是自动的，比如布置成接收与浮力相关的信号并且指导流体的注入或释放的计算机系统。控制器可以手动地分析浮力水平并且必要时改变流体体积的人。控制器可以是自动操作与手动操作的组合。

图6示出了本发明的另一实施方式。在该实施方式中，浮力模块600包括柔性的、适形的囊状物602和刚性支承结构604。支承结构可以例如由钢形成。支承结构604包括用于将浮力模块600夹持至柔性管650的夹持器606。流体供给管608经由支承结构604连接至囊状物602，并且流体供给管608在其远端(未示出)处连接至流体源。夹持器允许浮力模块固定地附接至柔性管。夹持器还允许浮力模块的可膨胀部分不必直接围绕柔性管。也就是说，在该实施方式中，囊状物602偏置于柔性管650的一侧。

图7示出了本发明又一实施方式。在该实施方式中，浮力模块700包括本体部分，本体部分包括柔性囊状物702和刚性外护罩704。囊状物702定位成在使用中直接地围绕柔性管750。外护罩704定位成部分地覆盖囊状物702，外护罩704用作保护防护件对囊状物702进行保护使其免受至少来自一个方向的磨损、穿孔或其它损坏。例如，护罩704可以设置在浮力模块700的上侧，从而在经过的船舶要撞击浮力模块的情况下提供抵抗和保护。浮力模块700还包括填充器软管706，该填充器软管706使流体源(未示出)经由护罩704连接至囊状物702，从而允许将流体引入至囊状物702中。

使用上文描述的浮力模块，能够增大和／或减小模块内的流体的体积，从而能够改变浮力水平。在某些实施方式中，能够增大或减小在模块内的流体的体积和／或密度。在某些实施方式中，能够监测模块内的浮力水平并响应于所监测的浮力水平而进行调节。

在本文中描述的本发明与其它的固定浮力支承结构-比如包括了浮力模块的水中弧形支承结构或其它更复杂的支承结构-相比可以提供降低的成本和／或缩短的安装时间。

能够对如上文描述的详细设计进行多种修改。例如，可以按需要而使用多于一个的上述浮力模块以支承柔性管。通常，用于油气产业的上升管的重量可能需要多于一个的浮力模块，这取决于上升管的尺寸。在这种情况下，多个浮力模块可以各自串联或并联地联结至流体供给／移除系统。通过附加的可控制的浮力模块，上升管的构型将变得更可控制，并且上升管的整体形状能够响应于外部影响而精确地布置和操纵。

尽管上文描述的示例包括在柔性管的外部的流体供给管，用于执行相同功能的管可以替代地在管体的层--比如外部护套层--内结合至柔性管中。可以相应地调整管至浮力模块的连接。当然，相比于柔性管的直径，流体供给管仅需要小直径软管。因此，小直径软管将具有较高的水下抗坍缩性，并且不需要通过复杂结构装置来保护使其免受外部压力。

通过任何的上文描述的实施方式，浮力模块可以可选地还包括止回阀，该止回阀构造成允许流体的预定最大压力存在于浮力模块的本体中。止回阀可以安装在流体供给管线上、安装在浮力模块自身上、或是安装在主船舶处。这种特征可以确保浮力模块例如不能意外地过度膨胀。此外，在上升管将要快速地上升的情况下，浮力模块内的流体体积会快速地膨胀。还可以使用合适的阀以通过允许将流体排出而减轻压力。可替代地或附加地，可以设置警报装置以用于警惕过度膨胀或膨胀不足。

通过任何的上文描述的实施方式，上升管组件还可以包括可选择的零件从而防止快速加压或减压。例如，为了防止上升管组件因过度加压而快速上升，上升管组件可以包括拴系装置，比如将上升管连接至位于海床或平台上的锚的链条。拴系装置可以围绕上升管的合适的连接部而固定，并且拴系装置具有一定的长度从而限制上升管的超过某预定限制的运动。

上升管组件可以可选地包括翼型部段，以在上升管通过水而运动时在上升管上产生一定量的阻力。上升管的翼型部段会降低上升管组件通过水而行进的速度，从而防止了上升管通过水的极快速的下降(上升管通过水的极快速的下降会导致上升管在撞击海床或其他表面时损坏)。

可替代地或附加地，上升管系统可以包括一个或更多个已知的“标准”浮力模块，该“标准”浮力模块具有基本固定的浮力并且不连接至流体供给／移除系统。这将有助于确保上升管组件仅会下降至水面下方的预定的深度。这再一次地有助于防止上升管在减压的情况下损坏。

对本领域的技术人员而言清楚的是，与任何上文描述的实施方式相关联地描述的特征能够在不同的实施方式之间可互换地应用。上文描述的实施方式为示例，以示出本发明的各种特征。

在本申请文件的说明书和权利要求之中，词语“包括”和“包含”以及这些词语的变型的意思是“包括但不限于”，并且这些词语不旨在(并且不)排除其它的部分、添加物、部件、整体或步骤。在本申请文件的说明书和权利要求之中，单数包括复数，除非上下文另有要求。特别地，在使用不定冠词的地方，要将申请文件理解为涵盖复数以及单数，除非上下文另有要求。

要将与本发明的特定的方面、实施方式或示例相结合地描述的特征、整体、特性、混合物、化学部分或群组理解为能够应用于文中所述的任何其它方面、实施方式或示例，除非与其它方面、实施方式或示例不兼容。本申请文件(包括任何的所附权利要求、摘要和附图)中公开的全部特征、和／或所公开的任何方法或过程的全部步骤可以以任何的组合形式相结合，除非是这些特征和／或步骤中的至少一些特征和／或步骤相互排斥的组合。本发明不限于任何以上实施方式的细节。本发明扩展至本申请文件(包括任何的所附权利要求、摘要和附图)中公开的特征的任何新颖的特征或任何新颖的组合，或扩展至所公开的任何方法或过程的步骤的任何新颖的步骤或任何新颖的组合。

读者的注意力要指向与本申请文件同时提交的或先于本申请文件而提交的与本申请相关联且与本申请一起向公众的查阅开放的所有文件，并且全部的这些文件的内容通过参引而并入本文。

Claims (19)

1.一种用于对柔性上升管提供浮力的浮力元件，包括：

本体，所述本体具有至少部分呈柔性的结构，所述本体具有能够在膨胀状态与收缩状态之间调节的体积，和

进入端口，所述进入端口用于将流体供给至所述本体和／或将流体从所述本体移除，从而调节所述本体的所述体积。

2.根据权利要求1所述的浮力元件，还包括导管，所述导管与所述进入端口流体连通以将流体供给至所述本体和／或将流体从所述本体移除。

3.根据权利要求1或2所述的浮力元件，其中，所述进入端口构造成用于将流体供给至所述本体以及将流体从所述本体移除。

4.根据权利要求2所述的浮力元件，还包括与通向所述本体的另外的进入端口流体连通的另外的管。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的浮力元件，还包括构造成允许在所述本体内的流体的最大压力的一个或更多个止回阀。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的浮力元件，其中，所述本体为能够膨胀的囊状物。

7.根据权利要求1至5中的任一项所述的浮力元件，其中，所述本体包括刚性支承结构部分和柔性部分。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的浮力元件，还包括用于将所述浮力元件夹持至柔性上升管的夹持元件。

9.根据引用权利要求7时的权利要求8所述的浮力元件，其中，所述夹持元件附接至所述本体的所述刚性支承结构部分。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的浮力元件，其中，所述浮力元件构造成使得所述本体的所述体积是能够响应于来自所述浮力元件外部的控制装置的信号而进行调节的。

11.根据权利要求10所述的浮力元件，还包括用于将深度或浮力水平传送至所述控制装置的深度监测装置。

12.一种用于从海底位置输送流体的上升管组件，包括：

柔性管；和

一个或更多个浮力元件，所述一个或更多个浮力元件包括本体和进入端口，所述本体具有至少部分呈柔性的结构，所述本体具有能够在膨胀状态与收缩状态之间调节的体积；所述进入端口用于将流体供给至所述本体和／或将流体从所述本体移除，从而调节所述本体的所述体积。

13.根据权利要求12所述的上升管组件，还包括用于将所述上升管组件拴系至固定结构的拴系元件。

14.根据权利要求12或13所述的上升管组件，还包括用于降低所述柔性上升管能够在水下运动的速度的阻力元件。

15.根据权利要求12至14中的任一项所述的上升管组件，还包括未连接至流体供给／移除导管的、具有基本固定的浮力的至少一个浮力元件。

16.一种对上升管进行支承的方法，所述方法包括下述步骤：

提供上升管，所述上升管包括至少一段柔性管；

提供至少一个浮力元件，所述浮力元件用于对所述上升管的一部分提供浮力，所述浮力元件具有本体，所述本体具有至少部分呈柔性的结构；以及

通过将流体供给至所述本体和／或将流体从所述本体移除而调节所述本体的体积。

17.基本上如本文参照附图所描述的浮力元件。

18.基本上如本文参照附图所描述的上升管组件。

19.基本上如本文参照附图所描述的方法。

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