CN104411577B - 浮动海上平台和中间开口龙骨板 - Google Patents

Abstract

本公开通过包括连接至船身(20)的中间开口龙骨板(10)减少了浮动海上平台(2)的竖直移动，该龙骨板(10)允许水在龙骨板(10)下方或者上方。随着浮动平台(2)竖直地移动，龙骨板(10)分离水且引起平台的拖曳。与板一起竖直移动的水还增加了动态质量。该拖曳导致海上平台(2)的竖直移动较少，无需延伸平台的腿部(或支柱)来获得等同的竖直移动的减少。该增加的动态质量延长了自波浪激发周期离开的竖直移动的固有周期，以最小化波浪驱动的移动。该龙骨板(10)大体位于龙骨上方或者与其在相同水平，且因此不会减小海底与码头区处船身(2)的龙骨之间的间隙。

Description

浮动海上平台和中间开口龙骨板

相关申请的交叉引用

该国际专利申请要求于2012年6月27日提交的美国专利第13/534,457号的优先权。

关于联邦资助的研究或开发的声明

不适用。

附录参考文献

不适用。

技术领域

本公开涉及用于减少用于钻井和开采的浮动平台上的竖直移动的方法和系统。更具体地，本公开涉及用于开发和开采海上油气的浮动平台，且更具体地涉及具有用作升降板(heave plate)的龙骨板的半潜式浮动平台。

背景技术

随着对油和气供应的需求显著增加，自油层的海上开发和开采对于该供应更加重要。这些油层通常要求大的钻机和可变的有效载荷，其导致在尺寸和重量上都非常大的上层。需要大的和昂贵的支撑海上平台。然而，通过接近海滨或在海滨处建造这样的浮动结构并将该结构拖曳至目的海上位置可降低这类平台的成本。

在设计用于深海的海上平台的主要类型中，包括常见的Spar，一种称为半潜式平台的平台。该结构在接近海滨或者在海滨处建造，漂浮至海上位置，且利用压载箱部分浸没以向结构提供稳定性。半潜式设备通常利用位于水面之下的浮式平底船和通过水面且支撑显著高出水面的上层甲板的细柱构造。半潜式平台制成用于海上油和气的钻探和开采的大的、成本有效的平台。然而，由于该结构具有较大的浮动表面，一个困难在于限制由于波浪和风的动作引起的移动，以便为操作提供要求的稳定性。

升降板被用于稳定半潜式平台的移动。该升降板可以是固体板或者形成盒子的多个板的构造组件，以形成较大的水平表面区域但是竖直方向较薄。该升降板被安装至位于水面以下以及波浪影响水域的至少一部分以下的半潜式平台上。该升降板增加了海上平台的水动力质量，其中水动力质量是与在流体中加速的本体一起移动的流体量的量度，并且取决于本体的形状以及其运动的方向。在较下深度的升降板对在水面处或其附近另外发生的竖直和倾斜移动提供额外的阻力。因此，设计者有意将升降板安装在较深的水平。然而，由于平台被建在较浅深度的海滨附近或海滨上，所以该深度起初收到限制。因此，一些系统具有降低升降板的能力。在平台被定位至所要求的海上位置后，升降板可被降低至更期望的深度。例如，在美国专利第6,652,192号，美国专利第7,219,615号(作为美国专利第7,156,040号的继续申请)，以及美国专利第6,718,901号示出了此类系统的示例，在此结合这些专利作为参考。这些系统中的每一个公开了在被定位至所要求的海上位置之后，将升降板降低至平台下方的深度。

美国专利第6,652,192号公开了升降抑制的浮式海上钻井和开采平台，其具有竖直柱、连接相邻柱的横向构架、通过竖直构架腿部支撑在柱底部处的深浸水平板，以及由柱支撑的上层甲板。横向构架与其下端附近的相邻柱连接以增强平台的结构整体性。在平台下水以及在较浅水中拖曳的过程中，构架腿部被装载在各柱中的轴中，且板被承载在柱的下端下方。在平台被浮动至深水钻井和开采位置之后，构架腿部被从柱的轴降低，以将板降低至深吃水，从而减轻波浪力的影响并为平台提供升降和竖直移动阻力。接着在柱的轴中的水被移除，用于浮动地升起平台，从而甲板处于水面上方的要求的高度。

美国专利第7,219,615号公开了具有一对竖直间隔的浮筒的具有可变浮力的半潜式船舶。当船舶在运输时，下浮筒被保持在接近上浮筒的竖直位置。在展开位置，下浮筒被加载，将浮筒降至第一浮筒基线下方的约32米深度处。因此，船舶的稳定性和移动特性得到显著地改进。

尽管各所述系统提供了用于具有降下的升降板的稳定平台的方案，然而实际上用于将升降板支撑至平台的结构可能经受刚性考验。例如，美国专利第7,219,615号公开了可伸展的腿部。由于腿部的可伸展特点，示出了在腿之间没有能够防止连接至升降板的伸展支撑结构的扭曲和弯曲的对角撑条，这是因为腿部之间的对角撑条会显著地影响腿部在轨道中的伸展和收缩。美国专利第6,652,192号示出了在柱中的可伸展构架，其具有在腿伸展之后安装在构架之间的对角柔性线缆撑条。由于构架对角元件与柱之间的干扰，难以设计能够包围构架腿部和刚性对角撑条以实现有效支撑和载荷运输的插座。基于同样的原因该专利没有公开构架之间的刚性撑条，即，构架之间的刚性撑条将显得干扰构架的延伸和收缩。另一个示例包括美国专利第6,718,901号，其公开了可伸展腿部，从而展开海上油气开采平台包括将浮动设备甲板设置在浮动浮筒上，浮筒上的伸长腿部(每个包括浮动浮体)可移动地延伸通过甲板上的各开口。从甲板上的绞盘延伸的链条被穿过浮筒上的导缆孔，并连接回至甲板。该链条被拉紧以将甲板紧固至浮筒，从而结合移动至海上位置。该链条被松开，且浮筒和腿部浮体被加载从而该浮筒和腿部浮体沉入浮筒甲板下方。在美国公开第20020041795号中公开了延伸吃水深度概念。

此外，深吃水的半潜式船舶通常需要大于60米的吃水，以具有有利的移动来支撑在艰难的海洋条件下与海底的连接。该深吃水的半潜式船舶，使得在码头区的上层集成以及从制造场地至装配场地的运输成为困难的，这是由于柱太高，以至不能在运输过程中稳定平台。很多设计通过延伸吃水深度来解决该问题，这在海上安装操作中引起很大的风险。

对用于具有改进稳定性的海上平台的浮动海上平台的不同系统和方法还存在需要。

发明内容

本公开通过包括连接至船身的中间开口的龙骨板允许水在龙骨板的下方和上方而提供了改进的性能且减少了浮动海上平台的竖直移动。随着浮动平台竖直地移动，龙骨板与水分离且引起平台的拖曳。与板一起竖直移动的水也增大了动态质量。该拖曳导致海上平台的竖直移动较少，而不需要延伸平台的腿部来获得等同的竖直移动的减少。该增大的动态质量延长了自波浪激发周期离开的竖直移动的固有周期，从而最小化波浪驱动的移动。因此，与不具有龙骨板的平台相比，所述平台的竖直移动可被减少。在工作场地制造的过程中，龙骨板可被连接至船身。该龙骨板大体位于龙骨的上方或与其在相同水平，且因此不会减小海底与码头区的船身的龙骨之间的间距。因此，龙骨板可为码头区集成以及为从制造场地至安装位置的运输提供足够的稳定性和浮力。

本公开提供了浮动海上平台，包括：浮动船身，其包括：多个竖直延伸的柱；多个连接至竖直延伸的柱的浮筒，所述浮筒被配置成至少部分地设置在海上平台处的水面下方；以及还包括设置在船身的中间开口区域中的龙骨板，该龙骨板被配置成至少部分地位于海上平台所处的水面下方，且在龙骨板的外周围的至少一部分与船身的内周围的至少一部分之间具有间隙。

本公开还提供了一种稳定浮动海上平台的方法，该海上平台具有浮动船身，该浮动船身包括多个竖直延伸的柱和多个连接至该竖直延伸的柱的浮筒，其被配置成至少部分地设置在所述海上平台所被设置的水面下方；和设置在所述船身的中间开口区域中的龙骨板，该龙骨板位于水面下方，且在所述龙骨板的外周围的至少一部分与所述船身的内周围的至少一部分之间具有间隙，该方法包括：允许所述海上平台在水中浮动；以及允许水流经所述龙骨板的外周围与所述船身的内周围之间的间隙，从而一旦所述海上平台响应于海洋波浪竖直地移动则引起围绕所述龙骨板的外周围的水分离。

附图说明

图1是具有龙骨板的浮动海上平台的示例性实施方式的示意性透视图。

图2是具有龙骨板的示例性浮动海上平台的示意性侧视图。

图3是具有设置在浮筒、柱或其组合之间的开口区域中的龙骨板的浮动海上平台的示意性透视横剖视图。

图4是具有龙骨板的浮动平台的示意性顶横剖视图。

图5是具有龙骨板的浮动平台的示意侧横剖视图。

图6是基于通常设计的波浪周期，将稳定海上平台与不稳定海上平台相比，海上平台上的龙骨板的预计效果图表。

具体实施方式

上述附图以及以下对具体结构和功能的说明不限制申请人的发明的范围或者所附权利要求的范围。此外，提供附图和所附的说明以教导本领域技术人员怎样制造和使用本专利所试图保护的发明。本领域技术人员应理解为了清楚和理解的目的，不是本发明的商业实施方式的所有特征都被说明和示出。本领域技术人员还应理解，结合本发明的方面的实际商业实施方式的研发需要大量的实施方面的决定来实现研发者对商业实施方式的最终目标。该实施方面决定可包括但不限于顺应系统相关、商业相关、政府相关和其它约束，这可通过具体应用、位置以及时常改变。尽管研发者的努力在绝对意义上可以是复杂和耗时的，然而该努力对知晓本公开的本领域的技术人员来说，是例行工作。应理解，这里所公开和教导的发明可进行多种和不同的改变以及可选的形式。使用单数术语，例如但不限于“一”不旨在限制物品的数量。此外，为了清楚表示附图中的具体参考的目的，关系术语，例如但不限于“顶部”、“底部”、“左”、“右”、“上”、“下”、“向下”、“向上”、“侧”等，被用于本书面说明中，且其不对本发明或者所附权利要求的范围进行限制。在合适的情况下，一些元件被标记为在数字后面有字母，以表示编号的构件的特定元件，来帮助说明附图中的结构，但是除非另外地说明，否则不限于权利要求中。此外，该指示不限制可用于该功能的元件的数量。

本公开通过包括连接至船身的中间开口龙骨板(其允许水在该龙骨板的下方和上方)，提供了改进的性能且减少了浮动的海上平台的竖直移动。随着浮动平台竖直移动，龙骨板与水分离且引起平台的拖曳。与板一起竖直移动的水还增加了动态质量。该拖曳导致海上平台的竖直移动较少，而不需要将平台的腿部伸长以获得在竖直移动上的等同的减少。该增加的动态质量延长了自波动激发周期离开的竖直移动的固有周期，以最小化波动激发的动作。因此，与没有龙骨板的平台相比，所述平台的竖直移动可被减小。在工作场地制造的过程中，龙骨板可被连接至船身。该龙骨板大体位于龙骨的上方或与其处于相同水平，且因此不会缩短海底与码头区的船身的龙骨之间的间距。因此，龙骨板可为码头区集成以及为从制造工作场至安装地点的运输提供足够的稳定性和浮力。

图1是具有龙骨板的浮动海上平台的示例性实施方式的示意性透视图。图2是具有龙骨板的示例性浮动海上平台的示意性侧视图。图3是浮动海上平台的示意性透视横剖视图，其中龙骨板被设置在浮筒、柱或其组合之间的开口区域中。图4是具有龙骨板的浮动平台的示意性顶剖视图。图5是具有龙骨板的浮动平台的示意性侧剖视图。将参考附图进行说明。

示例性的浮动海上平台2大体包括支撑用于海上平台的设备、设施以及操作的上层4(也被称作甲板)。上层4被连接至多个柱6，大体为至少三个，通常为四个柱。柱6具有柱高度H_C，其具有位于水平线16以下的部分以形成牵引高度H_D(“draft height”，吃水高度)。柱能够至少部分地漂浮且可调节其浮力。柱6可被连接至浮筒8，其被设置在多个柱中的两个之间或者在柱的下方，其中所述浮筒可连接并形成浮筒底座。在此，柱6和浮筒8可被称作船身20。具有宽度W的开口区域22形成在柱和浮筒之间，且在海上平台的中间。(对于矩形和偶数多边形开口区域，宽度W是横过该形状的最短横截面尺寸。对于三角形和其它奇数多边形开口区域，W可以是该形状的最短横截面尺寸，即，沿着垂线横过该形状从一侧到顶点测量的长度。对于圆型开口区域，宽度W将是直径。对于椭圆形开口区域，宽度将是较短的短轴。)开口区域22大体用于将立管(riser)定位至海底(未示出)和其它地下元件。

本公开提供了在开口区域22中的龙骨板10。由于该龙骨板10通常用于油田，所以该龙骨板10大体是一板，即将比较小的厚度具有大的方形面积且大体是不浮动结构。该龙骨板10被大体水平地定向且被设置在船身20的开口区域22内的龙骨水平。在至少一个实施方式中，龙骨板10可居于开口区域22的中心。该龙骨板10大体具有一个或多个开口30，立管和其它地下连接件能穿过该开口30且被设置成大体朝向龙骨板的中间。所示的龙骨板是方形的，但是可具有适用于海上平台的其它几何形状，包括三角形、矩形、圆形、椭圆形、六边形、八边形等。该龙骨板10可由具有横向支柱14的水平框架12支撑，该横向支柱14从龙骨板延伸至船身20，例如至柱6或者浮筒8。横向支柱14可被定位成围绕龙骨板10，包括在龙骨板的一个或多个转角处。如图5中所示，龙骨板10还可由竖直支柱18支撑。在至少一个实施方式中，水平框架12位于龙骨板10下方，且竖直支架18被设置在龙骨板上方。在一个实施方式中，竖直支架18的一端可被连接至水平框架12且该竖直支架的另一端被连接至浮筒8的一侧的顶部以将水平框架和竖直支柱之间的角度最大化。

在至少一个实施方式中，龙骨板10和框架12被连接在海上平台2的船身20的底部24处或其上方。在制造工作场制造海上平台的过程中，可安装龙骨板10。因此，在顶侧4的湿牵引(wet tow)或者码头区集成的过程中，龙骨板和框架不会减小底部间距。

龙骨板10被尺寸设置成在开口区域22中，以在龙骨板的外周围26与船身20的内周围28之间留出间隙G，该内周围28即根据海上平台的具体结构由浮筒形成或者浮筒和柱所形成的内周围。在至少一个实施方式中，间隙G可以是开口区域22的宽度W的至少10％。在至少一个实施方式中，围绕龙骨板10的间隙G是相等的。然而，在一些实施方式中，可分配不均匀的间隙以在船身的不同侧实现不同的结果，即在图4中所示的间隙G₁、G₂、G₃和G₄可以相等或者不相等。在平台竖直移动的过程中，龙骨板有助于增加来自与龙骨板一起移动的水量的动态质量且因此增加至平台。龙骨板10与船身20之间的间隙G围绕龙骨板的边缘(即，外周围26)形成水分离。在平台的移动过程中，水分离消耗能量以产生拖曳。所增加的质量和拖曳有助于减少波浪引发的平台移动，例如在墨西哥湾和其它条件恶劣海洋区域中的飓风中。如图6中所示，增加的龙骨板通过将法向移动的固有周期增加为大于常规深度的吃水半潜式钻井船(draft semisubmersible)而提供了更好的法向移动。此外，间隙G的尺寸和开口30有助于调节板10上以及船身20上的波浪载荷的相位，以在波浪能最大时在临界波浪周期处减小总波浪载荷。例如，过小的间隙可减少被分离的水量，并导致龙骨板的效力降低，但是过小的龙骨板减小水分离可用的表面积且可导致龙骨板的效力降低。通过这里所提供的教导和引导，本领域技术人员可建模和/或实验确定具体的尺寸和配置。

图6是根据通常设计的波浪周期的示例性浮动海上平台上的龙骨板预计效果的图表，将稳定的海上平台与不稳定的海上平台进行了比较。该X轴是以秒表示的没有龙骨板10和具有龙骨板的海上平台2的波浪周期和固有周期的时间。Y轴表示响应幅度因子(RAO)，在船舶设计领域已知的术语，用于响应与波浪高度成比例的船舶的移动。

曲线32表示波浪能量谱，其具有15秒的峰值周期T_P。曲线34表示没有龙骨板10的未稳定浮动海上平台的响应固有周期，其中固有周期在1.4RAO是21.5秒。曲线36表示具有龙骨板10的稳定浮动海上平台的响应固有周期，其中固有周期在1.42RAO时是25.0秒。对于该示例，龙骨板模型预计了相较于不具有龙骨板的海上平台，具有龙骨板的海上平台的固有周期延长(以及因此响应于海洋波浪而缩短)大约16％。有效地，龙骨板延长海上平台周期以及该周期的共振，从而海上平台更加稳定且在设计阶段其移动被减弱。因此，海上平台移动没有与经过海上平台的波浪直接相关地移动。图6还示出了通过调节间隙G与中间开口30的尺寸，在15-17秒波周期附近的RAO的波峰可被保持为与没有龙骨板的不稳定平台相似。

可得出利用上述发明的一个或多个方面的其它和另外的实施方式而不偏离本发明的实质。例如，可能的是，龙骨可具有不同的支撑结构和框架，该龙骨可被分为连续的或不连续的部分，当使用时该龙骨可被设置在水面下方的不同高度处，间隔间隙可以是不同的比例和距离，浮动海上平台设计可改变，柱和浮筒的数量以及其形状和尺寸可改变，以及其它改变，其都在使用龙骨板来稳定浮动海上平台的范围内。

此外，这里所述的多种方法和实施方式可彼此结合以得到所公开的方法和实施方式的变形。关于单个元件的说明可包括多个元件，反之亦然。在提及至少一个物品之后再提及该物品可包括一个或多个物品。另外，本实施方式的多个方面可用于彼此结合以实现对本公开的目标的理解。除非上下文另外地要求，词语“包括”或者其变形如“包括有”或“包含”应理解为指包括至少所述的元件或步骤或者元件或步骤的组，或者其等同，且不排除更大的数量或者任何其它元件或步骤或者元件或步骤的组或者其等同。该装置或系统可用于多个方向和定向。术语“被连接”、“连接”、“连接件”等在这里所广泛使用且可包括任何用于与中间元件、一个或多个元件一起固定、绑定、粘接、紧固、附接、结合、插入其中、形成在其上或其中、通信，或者另外地，例如机械地、磁铁地、电子地、化学地、操作地、直接地或间接地关联的任何方法或装置，且还可包括但不限于将一个功能元件与另一个以整体的方式一体地形成。该连接可在任何方向，包括旋转地进行。

该步骤的顺序可以多种序列进行，除非另外地具体限制。这里所述的各个步骤可与其它步骤结合，插入在所述步骤中，和/或分为多个步骤。类似地，所述的元件可作为分离的构件而实施或者可组合为具有多种功能的构件。

已在优选的和其它实施方式中对本发明进行了说明，且没有对本发明的所有实施方式进行说明。考虑到这里的公开，对于本领域的技术人员来说对所述实施方式进行修改和改变是明显的。该公开的和未公开的实施方式不旨在限制或约束申请人的发明的范围或实施，而是与专利法一致，申请人旨在完全地保护在所附权利要求的等同的范围或区域内的修改和改进。

Claims (9)

1.一种浮动海上平台，包括：

浮动船身，包括：

多个竖直延伸的柱；

多个连接至该竖直延伸的柱的浮筒，所述浮筒被配置成至少部分地设置在所述海上平台所被设置的水面下方；和

设置在所述船身的中间开口区域内的所述平台的龙骨水平处的龙骨板，该龙骨板被配置成至少部分地设置在所述海上平台所被设置的水面下方，且在所述龙骨板的外周围的至少一部分与所述船身的内周围的至少一部分之间具有间隙。

2.如权利要求1所述的海上平台，其中所述龙骨板被配置成相较于不具有所述龙骨板的海上平台的波浪周期响应缩短了所述海上平台对具有波浪周期的海洋波浪的波浪周期响应。

3.如权利要求1所述的海上平台，其中所述间隙具有的尺寸是所述开口区域的最小横截面宽度的至少10％。

4.如权利要求1所述的海上平台，其中所述龙骨板被连接至所述船身的底部处或上方。

5.如权利要求1所述的海上平台，其中在制造场地的制造过程中所述龙骨板被固定地连接至所述海上平台。

6.一种稳定浮动海上平台的方法，该海上平台具有浮动船身，该浮动船身包括多个竖直延伸的柱和多个连接至该竖直延伸的柱的浮筒，所述浮筒被配置成至少部分地设置在所述海上平台所被设置的水面下方；和设置在所述船身的中间开口区域内的所述平台的龙骨水平处位于水面之下的龙骨板，在所述龙骨板的外周围的至少一部分与所述船身的内周围的至少一部分之间具有间隙，该方法包括：

允许所述海上平台在水中浮动；以及

允许水流经所述龙骨板的外周围与所述船身的内周围之间的龙骨水平处的间隙，从而一旦所述海上平台响应于海洋波浪而竖直移动则引起围绕所述龙骨板的外周围的水分离。

7.如权利要求6所述的方法，其中允许水流经所述龙骨板的外周围与所述船身的内周围之间的间隙以引起水分离包括相较于不具有所述龙骨板的海上平台的波浪周期响应，缩短了所述海上平台对于海洋波浪的波浪周期响应。

8.如权利要求6所述的方法，其中允许水流经所述间隙包括允许水经过间隙流过所述龙骨板，该间隙是所述开口区域的最小横截面宽度的至少10％。

9.如权利要求6所述的方法，其中允许水流经所述间隙包括允许水流过所述龙骨板且同时所述龙骨板固定地连接至所述船身的底部处或上方。