CN105035278B - 低升沉半潜式海上结构 - Google Patents

低升沉半潜式海上结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种半潜式浮动海上结构,该半潜式浮动海上结构具有浮力立柱和浮力浮台。与浮台直接附连在各柱之间的典型半潜式不同,本发明的浮台包围柱并布置在柱外。包围各柱的浮台简化了浮台和柱的建造和附连,并改善了结构的升沉特性。

Description

低升沉半潜式海上结构
技术领域
本发明总地涉及用于生产油和天然气的海上浮动结构,且具体地涉及半潜式结构。
背景技术
有各种各样的用于在较深海水中生产油和天然气的浮动结构。每种结构相对于可使其或多或少适合用于特定波浪条件下的运动特性具有其自身优点和缺点。
半潜式是一种具有支承上体的垂直立柱的浮动结构,有柱支承在大型浮台上,该浮台在各柱之间延伸,如图14A和14B所示。结构通常通过使用锚固到海底的多点系泊绳保持在位。与诸如柱体式平台(Spar)以及TLP(张力腿平台)的其它浮动结构相比,半潜式结构具有多个独特的特性。
传统半潜式结构提供总体优点,这些优点包括:半潜式结构由于占地面积大且重心低而具有良好稳定性。船体用钢量较低。半潜式结构可包括钻井能力。由于浮台上的可用空间,因此半潜式结构可支承大量柔性立管或SCR(钢悬链立管)。上体可整合在码头区(quayside),且因此降低成本并节省计划时间。半潜式结构具有相对较短的中期开发计划,并且初始投资相对较低。半潜式结构还可在下水及安装作业期间保持在相对较浅吃水,这意味着可在全世界邻近大多数建造场地的码头区下水或作业。半潜式结构提供了比柱体式平台更大的有效负载能力并且可比TLP在更深的水下作业。半潜式结构允许码头区整合,并且比柱体式平台和TLP安装更简单。
半潜式结构还具有几个缺点。最显著的是由暴风雨产生的更汹涌海水可引起大的升沉(heave)(垂直)运动。因此,半潜式结构已不适于干式采油树立管布置。干式采油树立管结构具有在船舶的吃水线以上的油井控制(行业上被称为“树”或“采油树”)。海底和干式采油树之间的流动连接由垂直顶部张紧式立管(TTR)提供。在海上生产设施的寿命期间,干式采油树立管结构对完井、作业结束和干预来说具有显著经济效益。干式采油树立管还提供流量保证、油井进入、钻井等的操作优点,这是湿式采油树单元不可能有的。
海上行业已试图为干式采油树半潜式结构开发一种成功的结构来作为十年以上的柱体式平台和TLP的一种替代。这种努力到目前为止仍未成功。大升沉运动产生的另一问题是其更容易引起SCR疲劳,这需要对SCR进行更严格疲劳设计且因此成本更高。对于具有大直径SCR的平台,这个问题的解决方案可变成技术上或经济上不可行。
已通过行业探索来获得低运动特性的半潜式结构的想法通常落入以下类别。
第一种是深吃水半潜式结构。构思是吃水从60-80英尺的正常范围提高到100英尺以上,使得在龙骨处的波浪作用降低,且因此结构的运动会更少。这使得半潜式选择可用于由于难以解决SCR立管疲劳问题而不会选择的传统半潜式结构的某些地方。然而,与柱体式平台和TLP相比,升沉运动仍相对较大。而且,干式采油树布置仍不可用。
第二种是具有位于船体下方的一个或多个升沉板48。这在图13中示出。基本想法是,在深吃水中延伸的龙骨处增加升沉板或浮台。升沉板或浮台将阻尼和增加的质量增加到平台,这将会降低其在波浪条件下的升沉运动。
基于升沉板的大多数构思具有作为可延伸部件的升沉板或浮台,该延伸部件通过柱或桁架结构附连到半潜式船体的底部。升沉板或浮台在预制场以及在运输过程中是收缩的。在船体放置在现场上之后,升沉板或浮台接着延伸或下降到更深的深度,并锁定在该位置。
已知设计有几个缺点。可延伸柱占用太多的甲板空间。在某些情况下,可以是差不多百分三十的总甲板空间,这从上体的设备布置观点看是不切实际的。可延伸柱的结构连接和锁定机构是复杂的。它们难以建造、在安装过程中危险大,并且难以维护。在另一方面,具有刚性附连的升沉板的设计有比传统半潜式大得多的吃水,且不能方便地带到码头区。
柱体式平台和TLP的替代形式的期望特征是:1)与TTR相容的运动特性,2)低成本,3)在超过8000英尺深的水中工作的能力,4)大甲板面积,5)高有效负载能力,以及6)码头区整合/启用。
对作为干式采油树浮动器的半潜式结构的挑战是它们相对较大的波浪升沉响应。由于干式采油树立管垂直布置,因此船舶和立管之间的相对运动必须通过立管张紧器补偿。典型的半潜式设计具有导致超过现有立管张紧器的行程范围的张紧器行程的升沉响应。实现与市售张紧器技术相容的升沉响应因此是开发干式采油树半潜式结构的关键。
发明内容
本发明涉及一种具有浮力立柱和浮力浮台的半潜式结构。与浮台直接附连在各柱之间的典型半潜式结构不同,本发明的浮台包围各柱,并且布置在柱的外面上。包围各柱的浮台降低了船舶的升沉运动,并提供用于建造的简单结构布置。
在所附权利要求书中具体指出本发明的各种新颖性特征,权利要求书形成本公开的一部分。为了更好地理解本发明以及通过其使用实现的操作优点,参照形成本公开的一部分、其中示出本发明的较佳实施例的附图及说明性内容。
附图说明
在构成本说明书的一部分的附图中,以及其中在附图中示出的附图标记始终相同地标示相同或相应部分。
图1是具有上体结构的本发明的半潜式结构的立体图。
图2是具有上体、龙骨导向结构和安装好的顶部张紧式立管的本发明的半潜式结构的立体图。
图3是本发明的俯视图。
图4和5示出了本发明的浮台横截面的两个实例。
图6是具有圆柱的半潜式船体的俯视图。
图7B是具有另一浮台形状的半潜式船体的俯视图。
图7A是图7B所示的区域7A的详图。
图8是示出龙骨导向结构的半潜式船体的俯视图。
图9和10是示出柱和浮台之间的连接的详图。
图11和12是提供没有顶部张紧式立管的结构和没有顶部张紧式立管的结构的升沉RAO对照的曲线图。
图13、14A和14B示出了现有技术的半潜式结构。
图15A-D示出了不同柱构型和柱的外周界。
具体实施方式
如图1所示,本发明的半潜式浮动海上结构10总体上包括浮力立柱12、附连到柱12的浮力浮台14,以及上体16。
立柱12的大小设置成与结构的设计重量成比例,使得它们与浮台14一起提供适当浮力,以使在安装和作业现场的完整结构10在海上浮动。虽然附图示出了使用四根柱12,但应该理解,可根据不同大小结构的要求使用三根、四根或更多柱。图15A-D示出了不同数量、布置和横截面的柱12。柱12的横截面可以是方形或矩形,如图1、2、3和7-10所示,或它们的横截面可以是圆形,如图6所示。虽然仅示出了矩形和圆形横截面,但应该理解,还可使用其它横截面。
在较佳实施例中(如图1、2、3和6-10最佳所示),浮台14的大小设置成使得浮台14的内周界位于柱12的外周界之外,如由使得浮台14不在各柱12之间或不在柱12内延伸的结构所限定的那样。浮台14包围柱12并以如图3、4和5所示的距离“X”偏离柱12的周界,以使得各柱12的垂直表面均与浮台14的垂直表面不在同一平面上。如图7A、9和10的详图所示,偏离通过使用柱至浮台连接件24将浮台14附连到柱12来实现。柱至浮台连接件24可具有如图9所示的斜端36或如图10所示的平直端38。每个柱至浮台连接件24通过诸如焊接的任何适当方式刚性连接在柱和浮台之间。单独连接件的使用提供了调整柱12和浮台14之间的偏离以提供半潜式结构10的期望的运动特性的优点。
如图15A-D所示,柱12的外周界由线50限定,并可认为是围绕所有柱12的最短路径。
如上所示,由浮台14提供的浮力与必须由浮力柱12和浮力浮台14支承的结构的大小和重量直接相关。浮台14和柱12可分成多个单独的浮力舱。
图4和5示出了浮台横截面的两个实例。图4示出了具有矩形横截面的浮台。图5示出了具有包括升沉板18的横截面的浮台,升沉板18从浮台14的上下表面、远离结构10向外延伸。虽然图5所示的浮台横截面的宽高比小于图4的宽高比,但这不应被认为是必须按比例。同样应该理解,即使浮台宽高比如图5所示较小,但升沉板18仍用于在由环境力所引起的升沉运动期间通过有效增加捕集到的水量来改善运动特性。
浮台14的角20可以是如图1-3、6和8所示的斜切的,或者拐角20可以是如图7B所示的直角(90度)。
图1示出了具有安装在柱12的上端上并由柱12的上端支承的基本上体16的本发明的半潜式结构10。上体16为了清楚起见在附图中示出在柱的上方。柱12和浮台14的浮力在海上钻井和生产作业期间将上体16支承在吃水线22上方。上体16用于支承工人居住区、设备仓库以及钻井和生产设备。
对于短期活动,半潜式结构可通过使用推进器的动态定位而暂时保持在位。然而,对于诸如钻井和生产的长期作业,结构通常通过附连在结构10和海底中的锚之间的系泊绳保持在位。为了使附图的不太复杂,动态定位设备、系泊绳、锚以及系泊绳与结构的附连由于它们在海上行业中众所周知而不示出。
图2示出了本发明的半潜式结构10,该结构10具有上体16、龙骨导向架26(图8最佳所示)、立管28以及支承钻井作业的井架32。龙骨导向架26控制立管28的横向运动。如图8所示,龙骨导向架提供供立管28穿过的单独各槽34。虽然船舶可根据情况支承干式采油树和湿式采油树的组合,但图2的目的是显示如在上体16的中间部分中的立管设备30所示的干式采油树立管。
图11和12是提供传统半潜式结构和本发明的升沉RAO(响应幅值算子)对照的曲线图。图11和12分别示出了没有安装好的顶部张紧式立管和具有安装好的顶部张紧式立管的RAO。可看到,用粗短划线表示的本发明提供了比具有如图14A所示的浮台的传统(现有技术)半潜式结构更有利的升沉RAO。本发明的改善是由于其将升沉RAO的特征形状移到更高的波浪周期,即移到图11和12中的右边。升沉RAO移到更高的波浪周期将RAO的高响应区(即,共振区)推到高波能的范围之外,这降低了船舶的升沉响应。与图14A中的传统半潜式结构相比,本发明的升沉降低在船舶升沉通常最大的千年一遇的波浪环境下尤其显著。
升沉RAO移到更高的波浪周期还可在一定程度上通过增加传统半潜式结构(现有技术)的浮台宽度实现,如图14B所示。然而,浮台宽度的增加具有在从大约10秒至22秒的波浪周期范围内增加升沉RAO并由此又增加船舶的总升沉响应的不利作用。如其在图11和12所示,本发明不仅将RAO的高响应区(即,共振区)移到高波能的范围之外,而且在大约10秒至22秒的区间中保持升沉RAO低。
本发明提供了几个优点。
其提供了比传统半潜式结构更长的升沉固有周期,这降低了船舶在具有长波浪周期的波浪环境下的升沉运动。
其降低了船舶在10秒和22秒之间的波浪周期范围内的升沉响应。
升沉响应的降低使干式采油树立管结构能够用于半潜式结构。
升沉响应的降低减小了用于湿式采油树应用的SCR的疲劳。
大型浮台提供了小的最小吃水,这使船舶的码头区能够整合在具有浅码头区水深的场地。
本发明提供了一种用于干式采油树立管而没有张力腿平台(TLP)的水深限制的浮动系统。
本发明提供了一种用于干式采油树立管而没有柱体式平台(Spar)的甲板面积限制的浮动系统。
本发明提供了一种用于干式采油树立管而没有柱体式平台的有效载荷限制的浮动系统。
通用性-本发明适于包括干式采油树和湿式采油树生产单元的大范围应用以及适于MODU(移动海上钻井单元)。
尽管以上已经示出和描述了本发明的各具体实施例和/或细节来说明本发明原理的应用,但应当理解,本发明可如权利要求书中更完整描述那样来实施,或者以本领域的技术人员所已知的其它方式来实施(包括任何和所有的等同物),而不脱离这些原理。

Claims (14)

1.一种半潜式浮动海上结构,包括:
a、彼此间隔开的多个浮力柱;
b、浮力浮台,所述浮力浮台通过柱至浮台连接件而附连在所述多个浮力柱的各下端处,所述柱至浮台连接件构造成调整所述浮力柱与所述浮力浮台组合件之间的偏离,其中所述浮力浮台的内周界布置在所述多个浮力柱的外周界之外,因而,所述浮力浮台并不在各浮力柱之间或者在各浮力柱之内延伸;以及
c、上体,所述上体附连到并且支承于所述多个浮力柱的各顶部处。
2.如权利要求1所述的半潜式浮动海上结构,其特征在于,所述浮力浮台偏离所述多个浮力柱,以使得所述多个浮力柱的垂直表面与所述浮力浮台的垂直表面都不在同一平面上。
3.如权利要求1所述的半潜式浮动海上结构,其特征在于,所述多个浮力柱中的每个浮力柱的横截面是矩形。
4.如权利要求1所述的半潜式浮动海上结构,其特征在于,所述多个浮力柱中的每个浮力柱的横截面是圆形。
5.如权利要求3所述的半潜式浮动海上结构,还包括从所述浮力浮台水平延伸的升沉板。
6.如权利要求1所述的半潜式浮动海上结构,其特征在于,所述浮力浮台的角是斜切的。
7.如权利要求1所述的半潜式浮动海上结构,其特征在于,所述浮力浮台的角形成直角。
8.一种半潜式浮动海上结构,包括:
a、彼此间隔开的多个浮力柱;
b、浮力浮台,所述浮力浮台通过柱至浮台连接件而附连在所述多个浮力柱的各下端处,其中所述浮力浮台的内周界布置在所述多个浮力柱的外周界之外,因而,所述浮力浮台并不在各浮力柱之间或者在各浮力柱之内延伸;以及
c、从所述浮力浮台水平延伸的升沉板;以及
d、上体,所述上体附连到并且支承于所述多个浮力柱的各顶部处。
9.如权利要求8所述的半潜式浮动海上结构,其特征在于,所述浮台偏离所述多个浮力柱,以使得所述多个浮力柱的垂直表面与所述浮台的垂直表面都不在同一平面上。
10.如权利要求8所述的半潜式浮动海上结构,其特征在于,所述多个浮力柱的横截面是矩形。
11.如权利要求8所述的半潜式浮动海上结构,其特征在于,所述多个浮力柱的横截面是圆形。
12.如权利要求8所述的半潜式浮动海上结构,其特征在于,所述浮力浮台的角是斜切的。
13.如权利要求8所述的半潜式浮动海上结构,其特征在于,所述浮力浮台的角形成直角。
14.一种半潜式浮动海上结构,包括:
彼此间隔开的多个浮力柱;
浮力浮台,所述浮力浮台在所述多个浮力柱的各下端处联接到所述多个浮力柱,所述浮力浮台偏离所述多个浮力柱并且具有包围所述多个浮力柱的内周界,其中,所述浮力浮台的内周界布置在所述多个浮力柱的外周界之外,因而,所述浮力浮台并不在各浮力柱之间或者在各浮力柱之内延伸;以及
柱至浮台连接件,所述柱至浮台连接件定位在所述多个浮力柱中的每个浮力柱与所述浮力浮台的所述内周界之间,所述柱至浮台连接件构造成调整所述浮力柱与所述浮力浮台组合件的偏离;以及
上体,所述上体附连到并且支承于所述多个浮力柱的各顶部处。
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