CN104641067A - 顶部张紧立管系统 - Google Patents

Abstract

顶部张紧立管(TTR)由在浮动平台甲板上的张紧系统支承。张力环可包括弹性体层，弹性体层允许张力接头较小的成角度和侧向移位。张力接头包括锥形区段以抵抗由船只移动而施加的弯矩和剪切。立管张力接头可以在侧向由张力环下方的辊支承。当立管上下冲击时，辊在锥形区段上产生反作用力。锥形区段可以被设计成最大程度上利用张力接头，并且减小由张紧系统施加的弯矩和剪切。在某些实施例中，在辊与锥形区段之间存在较小间隙。在某些其它实施例中，辊可以被弹簧加载以提高水面器械的稳定性。

Description

顶部张紧立管系统

相关申请的交叉引用

本申请要求保护在2012年7月3日提交的美国临时申请No. 61/667,549和在2012年8月3日提交的美国临时申请号No. 61/679,303的权益。

关于联邦资助研究或开发的陈述：

无。

技术领域

1. 技术领域

本发明涉及用于油气勘探和生产的海上平台。更特定而言，本发明涉及用于这些设施上以连接到海底上的井口的竖直立管。

背景技术

2. 包括以37 CFR 1 .97 和1 .98公开的信息的相关现有技术的描述

需要管道来从海底向水面顶部的生产和钻井设施转移材料以及从这些设施向海底转移材料。水下立管是被开发用于这种竖直运输的管线类型。无论是用作生产工具还是导入/导出工具，立管是在水下油田开发和生产和钻井设施之间的连接件。

存在多种类型的立管，包括附连立管、拉管立管、钢悬链线立管、顶部张紧立管、立管塔和柔性立管配置以及钻井立管。

顶部张紧立管为竖直立管系统，其终止于设施正下方的海底上的点处或其附近。顶部张紧立管常常用于TLP和桁梁（spar）上。尽管被系泊，这些浮动设施能随着风浪在侧向移动。因为刚性立管被固定到海底，这种移动造成在立管顶部与其在设施上的连接点之间的竖直移位。对于这个问题存在两种解决方案。运动补偿器可以包括于顶部张紧立管系统中，其通过随着设施的移动进行膨胀和收缩来保持在立管上恒定的张力。替代地，浮力罐可以部署于立管外侧周围以保持它漂浮。然后，将刚性竖直顶部张紧立管的顶部通过柔性管路连接到设施，这能更好地适应设施的移动。

授予Myers的美国专利No. 4,733,991描述了一种可调整的立管顶部接头，其用于将海上水面下的井连接到甲板上安装的油井树（welltree）。在立管顶部接头区段上的第一多个大体上环形突起提供使用一体式或拼合式轴环型附件的用于井口树的多个连接点。定位于甲板下方的第二多个突起提供用于立管张紧器件的第二多个连接点，立管张紧器件优选地也可使用一体式或拼合式轴环附件而被附连。总体上环形的突起在第一实施例中形成为立管区段的外表面上的连续螺旋凹槽并且在第二实施例中形成为一系列相等长度和间距的大体上圆柱形突起。

名称为“Riser System for a Slacked Moored Hull Floating Unit”的PCT专利No. WO 2012044928描述了一种立管张紧系统，其具有在油或气平台上的个别立管单元。该平台具有行进小车结构，该行进小车结构具有至少一个小车轴承和扶正器（centralizer）。小车轴承联接到至少一个导轨，导轨被配置成允许所述行进小车结构进行竖直移动。行进小车结构联接到立管轴环，立管轴环被配置成用以支承立管的顶部。立管张紧系统具有至少一个缸，缸在一端联接到行进小车结构并且在相对端牢固固定使得缸适于竖直地推动或拉动所述行进小车结构。

美国专利No. 8,021,081描述了一种用于浮动平台中的顶部张紧立管的张紧器系统，其包括弹性地安装到浮动平台上的液压-气动张紧器组件，和同轴地包围所述立管的立管支承导体，其中支承导体将推型张力从液压-气动张紧器组件通过立管导体联接组件传送到立管，立管导体联接组件接合着张紧器组件和立管支承导体以传送张力。立管张力接头支承组件将张力从立管支承导体传送到立管上的立管张力接头。张紧器组件补偿了相对平台运动，包括倾斜、升沉（heave）和侧转/平摇（yaw）。而且，反作用负荷组件安装于平台上并且对于施加于立管支承导体上的两点动态弯矩起反作用，同时对抗立管支承导体旋转。

美国专利No. 7,588,393描述了一种使用船只的水线上方的张紧器组件来用于在浮动船只上支承顶部张紧钻井和生产立管的方法。该方法可以包括将至少一个液压缸在第一端附连到在浮动船只上的第一位置和在第二端附连到第一位置下方的张力框架。该方法的下一步骤可以是在至少一个液压缸与至少一个主要蓄能器之间形成流体连接。

美国专利No. 7,654,327描述了一种张紧器组件，其用于可移动地承载导体，导体从井口连通到钻机上的井接近器械的零件。张紧器组件包括支承框架、连接到支承框架的至少一个液压缸、和与液压缸成流体连通的至少一个主要蓄能器。

美国公告No. 2007/0258775描述了一种用于向浮动海上结构上的顶部张力立管施加受控制的张力的器件。机械张紧器装置和浮力罐被组合以向由浮动海上结构所支承的个别立管或立管组施加受控制的张力。浮力罐在（多个）立管上施加静态张力。机械张紧器施加额外张力以当支承结构从其标称位置移位时辅助所述罐限制立管的冲程。

美国公告No. 2012/0292042描述了一种带有可在甲板上安装的框架的撞锤张紧器系统，可在甲板上安装的框架具有通过多个缸套筒和至少一个引导柱套筒连接的上部和下部。引导柱接合着引导柱套筒并且可以个别替换的模块式缸与至少一个可个别移除的密封压盖以及可滑动的杆一起处于每个缸套筒中，可个别移除的密封压盖由液压动力单元润滑，可滑动的杆接合着缸中的每一个。可滑动的杆能利用张力环附连到张力甲板上以接合所述立管并且向立管提供可移动的张力。

授予Pallini等人的美国专利No. 7,632,044 描述了一种具有固定导体和浮动框架的撞锤型张紧器。用于海上浮动平台的立管张紧器具有静止地安装到立管上部的框架。活塞和缸围绕立管在周向间隔开并且连接于框架与浮动平台之间。管状引导构件安装到浮动平台上用于以响应于波浪和潮流而一致地移动。立管延伸穿过引导构件。导辊支承件安装到框架上并且从框架围绕引导构件向下延伸。至少一组导辊安装到导辊支承件上以当引导构件与平台一致地移动时与引导构件成滚动接合。

授予Pallini等人的美国专利No. 8,123,438描述了一种撞锤型立管张紧器，其包括：框架，其被配置成固定地附连到立管；绕立管间隔开的多个缸组件，每个缸组件具有缸和活塞，活塞被配置成在缸内侧可滑动地移动，活塞被配置成连接到框架；导辊支承件，其静止地安装到框架上并且从框架延伸；至少一个轴承，其固定地附连到导辊支承件；以及引导构件，其被配置成当缸相对于框架移动时与至少一个轴承成滚动接合。

由F.H. MacPhaiden和J. P. Abbot在1985年5月6日至9日在德克萨斯州休斯顿举行的第17届海上钻井技术年会上发表的名称为“Riser Tensioners for a TLP Application”的论文中描述了撞锤型生产和钻井立管张紧器，其包括：支承结构，其将张力负荷传输到平台；撞锤-蓄能器组件，其生成用于张紧所述立管所需的力；上支承环，其充当介于液压撞锤与立管钻柱之间的接口；可缩回闩锁，其向立管张力接头(tension sub)提供合适坐放台肩；以及，导轨，其将水平和扭转立管负荷传输到平台内。

发明内容

根据本发明的顶部张紧立管(TTR)由在浮动平台的甲板上的撞锤型张紧系统支承。立管张力接头在侧向由张力环下方的辊支承。张力接头包括锥形区段以抵抗由船只的移动所施加的弯矩和剪切。当立管上下冲击时，辊在锥形区段上产生反作用力。锥形区段可以被设计成最大程度地使用张力接头，并且减小施加在张紧系统上所施加的弯矩和剪切。在某些实施例中，在辊与锥形区段之间存在较小间隙。在某些其它实施例中，辊可以被弹簧加载以提高水面器械的稳定性。

附图说明

图1示出了干式采油树海上船只从其标称位置移位和因此造成的将海底上的井口与安装于船只上的水面器械相连接的水下立管的角度θ。

图2A为根据本发明的一实施例的顶部张紧的立管的侧视图。

图2B为在图2A中示出的顶部张紧器立管的截面图。

图2C为在图2A中示出的顶部张紧器立管的透视图。

图3A为根据本发明的第二实施例的顶部张紧的立管的侧视图。

图3B为在图3A中示出的顶部张紧器立管的截面图。

图3C为在图3A中示出的顶部张紧器立管的透视图。

图4A示出了本发明的实施例的顶视平面和截面图，其中生产立管张紧器撞锤处于完全延伸位置。

图4B示出了本发明的实施例的顶视平面和截面图，其中生产立管张紧器撞锤处于它们的标称位置。

图4C示出了本发明的实施例的顶视平面和截面图，其中生产立管张紧器撞锤处于完全缩回位置。

具体实施方式

参考附图所示的示例性实施可以最佳地理解本发明。

图1示出了浮动海上船只10（例如，半潜式或张力腿平台），其包括在水面上方在甲板支承件16上支承着甲板结构14、15的船体12。多个“圣诞树”24（“树”、“水面生产树”或“水面器械”）支承于船只10的下甲板14上。在钻井应用中，树24可包括连接到井顶部以导向和控制来自井的地层流体的流动的一组阀、四通管段（spools）和配件。也可以包括防喷器。在生产或完井应用中，水面器械24包括装配到完井的井口上以对生产加以控制的阀、四通、压力表和扼流器的组件。水面生产树24能以较宽大小和配置范围提供，诸如低压或高压容量和单个或多个完井容量。

在图1中所描绘的海上船只10是所谓的“干式采油树船只”，即，圣诞树（或“水面器械”）安装于水面上方在基本上竖直立管18的上端上，竖直立管18延伸到海底20上的水下井口22。这种布置便于对（多个）井工作，但通常需要使用升沉补偿器以便维持由于海面处的船只10运动在水下立管18上造成的基本上恒定的张力。

图1示出了在水下井口22上方从船只标称位置移位的船只10（由于洋流或风作用于船只上可能出现这种情况）和因此造成的将海底20上的井口22连接到安装于船只上的水面器械24的水下立管的角度θ。本领域技术人员将意识到，这种移位将侧部负荷施加到立管张紧器26上，可能难以补偿这种侧部负荷。在过去，干式采油树海上船只常常配备"底部接头"，立管穿过“底部接头”以便在水面上方竖直对准立管并且由此缓解施加在张紧器上的侧部负荷。

在压缩型或“上推”型张紧器26中，多个液压缸30围绕立管张紧接头28排列。活塞杆或液压撞锤34从缸30上端延伸并且接合着张力环40，张力环40连接到立管张力接头28。在某些实施例中，活塞杆或撞锤具有向缸内部敞开的中心腔。这增加了可以用于压缩气体的内部体积，压缩气体向张紧器供能。在某些其它实施例中，液压缸30可以与外部安装的液压蓄能器成流体连通。

如图2B和图3B所示，活塞杆34可以在它们的外径上在它们的下端处或下端附近配备有密封件35（即使张紧器26使用撞锤型单作用缸）。轴承35可以用于增加活塞杆34对于当活塞杆34收缩到缸30内时施加的弯曲负荷的阻力。在缸一端处的凸缘37可以包含/约束着（contain）和/或固持着杆密封件和轴承。

图2A、图2B和图2C示出了根据本发明的一实施例的海底/水下立管的张力接头和螺纹区段的各个视图。张力接头包括锥形区段，即，其外径随着离张力接头顶部的距离增加而减小的张力接头的部分。常规地，张力接头28的内径可以是恒定的，即，立管的壁厚至少在张力接头的锥形部分44中变化。

在图2A、图2B和图2C中还示出了海上平台10的下甲板结构14的一部分，该部分具有一个或多个开口，顶部张紧的立管（TTR）18可以穿过这一个或多个开口。在张紧器下框架32中的中心开口54与下甲板14中的开口对准并且大小可能适于容纳在立管18的下端上的回接连接器23。

如在图2B的细节B中所示，外螺纹（或带凹槽的）区段36连接到（或形成于）张力接头28的上端，并且内螺纹环38接合着在甲板结构上方可选高度处的螺纹区段（treaded section）以提供用于改变张紧器和立管的接触点的调整手段。环38承靠在柔性张力环40上，柔性张力环40将张力负荷传递到张紧器上框架27。环38也被称作间隔转接器/适配器（adapter）。在某些实施例中，环38可以被分段，例如包括单独可插入的半件。还如在图2B的细节B中所示，柔性张力环40可以包括结合的弹性体元件42以在安装中提供一定程度的灵活性。这种灵活性可以用于缓解由平台运动而施加的应力的一部分并且由此允许减小所需的下甲板结构14刚度（或强度）。

在图示实施例中，撞锤型（或“上推”）张紧器26作用于海上平台10的下甲板结构14与张力环40之间。在一特定优选实施例中，张力环40为挠曲轴承，其包括在上部40与下部40'之间的结合弹性体42以适应张力环40相对于张紧器26的有限角度移位和/或小侧向移位（参看图2B的细节B）。替代地，张力环40可以包括球形轴承以允许相对于张紧器上框架27的小角度移位。

在“干式采油树”海上平台中，钻井立管可以在立管的上端上具有防喷器。生产立管可以在其上端具有“圣诞树”。在图2和图3中，这被指示为“水面器械”。立管相对于平台的角度移位造成当立管绕其上支承点枢转时安装到立管顶部上的这种器械相对于平台基本上在侧向移位。在过去，某些海上平台已采用底部接头来限制在立管上端的水面器械的移动。这继而可能需要平台具有昂贵的额外结构，这样的额外结构会不利地影响到平台的流体动力学性质。

本发明提供用于顶部张紧的立管系统的底部接头的运动限制功能，而不需要底部接头。

在过去，撞锤型张紧系统尚未用于支承无底部接头的顶部张紧的立管（TTR）。常规的上推张紧系统通常将辊定位于张力环上方并且不需要底部接头。TTR围绕辊枢转。

根据本发明的立管系统可能使用撞锤型上推张紧器26。大部分张紧器系统安装于海上平台10的生产或钻井甲板15上。这需要甲板结构的充分强度来支承该系统。相比而言，撞锤型张紧器可能利用导体系统而被安装到平台的船体上，使得甲板并不必被设计成用以支承张紧器。替代地，上推张紧器26可以安装于两甲板平台（诸如在图1中示出为10）的下甲板14上。

在图2B和图3B底部附近的箭头示出了当立管相对于平台从其标称位置在侧向偏移时作用于立管上的剪切和张力以及弯矩的方向。

辊可以直接附连到平台结构14上。在某些实施例中，当立管18在甲板中的开口中居中时（立管18穿过甲板中的开口）在辊46与张力接头28的锥形区段44的外表面之间可能设有间隙。在其它实施例中，辊支承件可以支承于辊支承臂48上，辊支承臂48被弹簧加载（参看图2B和图3B的细节A）使得相对着的辊可以保持与张力接头的锥形区段相接触。可能设置多个辊46，呈对置的对或者呈包括奇数个辊的阵列。

弹簧外壳52可以大体上为正方形截面以防止类似配置的辊支承臂48旋转，辊支承臂48可以部分地在弹簧外壳52内滑动。

弹簧可以包括螺旋弹簧50、贝氏弹簧60、气体弹簧或压杆、弹性体（例如，橡胶）弹簧或任何其它合适形式的施力装置。在另外的实施例中，辊46可以由弹性材料制成或包括弹性材料（例如，聚氨酯）使得当辊的接触点移动到具有更大外径的张力接头28的一部分时或者立管18相对于平台10在侧向移动时辊46本身可以被压缩。

图3A、图3B和图3C示出了本发明的另一实施例的各种视图。在此实施例中，与张力接头28的锥形部分44的外表面相接触的辊46被贝氏弹簧60（参看细节A）向内偏压（抵靠张力接头的表面）。

贝氏弹簧（也被称作锥形盘弹簧、圆锥形弹簧垫圈、盘式弹簧、贝氏垫圈或凹弹簧垫圈）是形状类似垫圈的弹簧类型。其通常具有对垫圈赋予弹簧特征的截头圆锥形状。

贝氏弹簧可以用于向轴承施加预加负荷。

贝氏弹簧的某些性质包括：高疲劳寿命、更好的空间利用率、低蠕变倾向性、利用小弹簧偏转的高负荷容量和通过将若干贝氏弹簧在相同方向彼此重叠地堆叠造成的高滞后（阻尼）的可能性。

多个贝氏弹簧可能堆叠以修改弹簧常数或偏转量。在相同方向上堆叠将并联地添加弹簧常数，形成刚度更强的接头（以相同偏转）。在交替方向上堆叠等效于串联添加弹簧，导致更低的弹簧常数和更大的偏转。混合方向允许设计具体弹簧常数和偏转能力。

图4A至图4C示出了图3的实施例的顶视平面图和截面图，其中生产立管张紧器（RRT）活塞杆34处于三种不同状态。

在图4A中，PRT 26的活塞杆34完全延伸并且辊46接触着具有最小外径的张力接头28的锥形区段44的部分。

在图4B中，PRT 26的活塞杆34处于它们的标称位置，即，当平台10处于风平浪静的水中并且从其预期位置具有零偏移（在图1中θ = 0）时获得的位置。在此条件下，辊接触着具有中等外径的张力接头28的锥形区段44的一部分。

在图4C中，PRT 26的活塞杆34完全缩回，当平台随着海浪浪涌/涨潮而上升时可能出现这种情况。在此条件下，辊46接触着具有较大外径的张力接头28的锥形区段44的一部分并且辊46因此向立管张力接头28施加更大的对准力。

在某些实施例中，活塞杆34的外端可以具有球形端部。这种配置可以用于允许在活塞杆34与张紧器顶板27之间较小的角度移位。

本发明优于现有系统的优点和益处包括下列：

a）张力接头锥形区段44可以用于抵抗弯矩和剪切。

b）张力接头锥形区段44减小了张力接头的直区段的长度，和因此总长度和成本。

c）辊支承件减小了水面器械移动、和因此井湾间距要求。

d）张力接头锥形区段44和辊支承件替换了对于底部接头的需要。

e）锥形区段44和辊46刚度可以被设计成用以减小张力接头28的大小并且使其效率最高，同时最小化甲板结构14必须支承的负荷。

f）在立管18向下冲击时，张力和弯矩增加。辊46在锥形的较厚区段处自然地产生反作用。

g）这种配置减小了在张力接头28和张紧系统中的负荷。

h）本发明特别有利于张力腿平台（TLP）和具有仅两个主要甲板和长冲击范围的半潜式结构和无需不经济地设置底部接头接口的船体构造。

尽管示出和描述了本发明的特定实施例，它们预期并不限制本发明所涵盖的范围。本领域技术人员应了解在不偏离由所附权利要求字面上和等效地涵盖的本发明的范围的情况下可以对本发明做出各种变化和修改。

Claims (20)

1.一种用于海上平台的顶部张紧立管系统，包括：

水下立管，在其上部具有张力接头；

张力环，其具有中心轴向开口，所述张力接头穿过所述中心轴向开口，并且所述张力环包括:

　　第一上部金属区段；

　　第二下部金属区段；以及

　　在所述上部区段与所述下部区段之间的中间弹性体区段。

2.根据权利要求1所述的顶部张紧立管系统，其特征在于，所述弹性体区段结合到所述上部金属区段和所述下部金属区段。

3.根据权利要求2所述的顶部张紧立管系统，其特征在于，所述弹性体区段利用粘合剂结合到所述上部金属区段和所述下部金属区段。

4.根据权利要求1所述的顶部张紧立管系统，其特征在于，其还包括：转接环，其具有中心轴向开口，所述张力接头穿过所述中心轴向开口并且与所述张力接头的所述外表面机械地接合并且承靠在所述张力环的所述上部金属区段上。

5.根据权利要求4所述的顶部张紧立管系统，其特征在于，所述张力接头的至少一部分带有外螺纹并且所述转接环的所述中心轴向开口的至少一部分带有内螺纹。

6.根据权利要求4所述的顶部张紧立管系统，其特征在于，所述张力接头的至少一部分带有外部周向凹槽并且所述转接环的所述中心轴向开口的至少一部分带有相对应凹槽。

7.根据权利要求4所述的顶部张紧立管系统，其特征在于，所述转接环在径向分段为多个可移除的区段。

8.根据权利要求7所述的顶部张紧立管系统，其特征在于，所述转接环还包括相对于其中心轴线安置成锐角的表面，所述表面承靠在所述张力环上。

9.一种用于海上平台的顶部张紧立管系统，包括：

水下立管，在其上部具有张力接头，所述张力接头的至少一部分具有逐渐减小的外径；

立管张紧器，其在第一端处连接到所述张力接头的上部并且在第二相对端处连接到所述平台结构；

至少两个辊，其靠近于所述张力接头的下部的外表面使得所述张力接头的所述下部的侧向运动导致具有逐渐减小的外径的所述张力接头的部分承靠在至少一个辊上。

10.根据权利要求9所述的顶部张紧立管系统，其特征在于，所述辊安装于辊支承臂上，所述辊支承臂从所述平台结构在径向朝向所述立管张力接头延伸。

11.根据权利要求10所述的顶部张紧立管系统，其特征在于，由弹性元件将所述辊支承臂朝向所述立管张力接头偏压。

12.根据权利要求11所述的顶部张紧立管系统，其特征在于，所述弹性元件包括螺旋弹簧。

13.根据权利要求11所述的顶部张紧立管系统，其特征在于，所述弹性元件包括贝氏弹簧。

14.根据权利要求11所述的顶部张紧立管系统，其特征在于，所述弹性元件包括多个堆叠的贝氏弹簧。

15.根据权利要求11所述的顶部张紧立管系统，其特征在于，所述弹性元件包括弹性体。

16.根据权利要求15所述的顶部张紧立管系统，其特征在于，所述弹性体为橡胶。

17.根据权利要求9所述的顶部张紧立管系统，其特征在于，所述辊包括弹性体。

18.根据权利要求9所述的顶部张紧立管系统，其特征在于，所述辊包括聚氨酯。

19.根据权利要求9所述的顶部张紧立管系统，其特征在于，所述立管张紧器为上推张紧器。

20.根据权利要求9所述的顶部张紧立管系统，其特征在于，其还包括：

张力环，其具有中心轴向开口，所述张力接头穿过所述中心轴向开口，并且所述张力环包括：

　　第一上部金属区段；

　　第二下部金属区段；以及

　　在所述上部区段与所述下部区段之间的中间弹性体区段。