CN105283380A - 用于干树半潜结构的立管张紧装置导体 - Google Patents

Abstract

一种顶张紧式立管系统，其包括：基本上竖直的立管，其从海底向上延伸；导体，其以隔开的关系围绕所述立管的上部；同轴龙骨引导件，其围绕所述导体的下部；张紧装置，其附接至所述导体和所述立管；龙骨引导件支撑结构，其附接至所述龙骨引导件并且连接至干树半潜船；以及龙骨接头扶正器，其接近所述龙骨引导件地附接至所述立管并且尺寸设计成防止所述立管相对于所述导体径向移动。所述立管上的侧向载荷（比如由于所述船偏离其标称位置而移位引起的侧向载荷或者由于作用在所述立管上的涌流引起的侧向载荷）经由所述龙骨接头扶正器从所述立管反应到所述导体上并且因此经由所述龙骨引导件反应到所述船的龙骨上。

Description

用于干树半潜结构的立管张紧装置导体

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年4月15日提交的美国临时申请号61/812,106的权益。

背景技术

1.发明领域

本发明大体上涉及海上生产油气。更具体而言，本发明关注由半潜船支撑的干树（dry-tree）式竖直立管。

2.相关领域的描述，包括根据37CFR1.97和1.98公开的信息

半潜式是悬浮单元，其甲板由柱体支撑，以便使该单元能够对波浪几乎无反应并且提供有利的运动行为。该单元通过使用动态定位停靠和/或通过终止在海底中的木桩或锚定物上的悬链线系泊索来停泊。DeepDraftSemi?平台是一种半潜式单元，其配备有在超深水条件下操作的油气生产设施。该单元设计用于优化船运动以容纳钢悬链线立管（SCR）——从深水中的悬浮船悬挂在悬链线配置上的钢管，以将液体流传输至海底或者从海底将液体流传输出去。

“圣诞树”（或“树”）是处于已完成井的管子的顶部处的阀门组件，用于控制油和/或气的流已经使能够进行特定操纵。如果圣诞树处于海床的水平，井则被描述为“海底完井”或“湿树”。如果该树处于平台的甲板上，井则被描述为“表面完井”或“干树”。

干树半潜结构（DTS）是一种带有表面完井的悬浮设施，即，圣诞树位于海表面上方，在半潜式上，与海床相对。

将树链接至井的刚性管道（管子、套管等）需要高张力以避免压曲。因此DTC处于恒定张力下以抵消船的升降运动。

通常，DTS还带有基本的钻井设备以允许以轻微辅助模式进行井下干预。DTS还可以具有完全钻井能力的特征。

井湾是海上平台的区域，圣诞树和井口位于该区域处。井湾通常由两个水平组成：让井口进入的下水平和让树进入的上水平，树经常与多个井控面板一起进入上水平，井控面板通常具有用于液压致动的阀门（包括井下安全阀门和环形安全阀门）的压力计和控制器。在具有钻井包的平坦上，井湾将直接位于该钻井包下方以促进钻井进入和井干预。

当使用气罐来进行立管张紧时，帆桅式平台并入有导体和龙骨接头扶正器。这些导体较大并且是气罐组件的一部分。安装或移除均需要重吊船来处理。这些系统通常具有用于龙骨引导件的钢对钢接触，并且因此向立管传递较大轴向张力变体。可替换地，液压气动张紧装置已经被用于张紧立管。这些系统的每种已知示例均具有每个立管四个缸。

在某些张紧腿平台上和在使用N-线^TM直接作用立管张紧系统（国民油井华高公司、休斯顿、德州77036）的深水钻井船上，张紧配置（悬挂缸）已经在六缸配置上使用。

费恩等人申请的美国专利号6,648,074描述了一种用于帆桅式悬浮平台的装有万向节的台地立管支撑系统，帆桅式悬浮平台具有竖直地穿过帆桅壳体的中央井的立管。装有万向节的台地支撑在帆桅壳体的上方。台地由附接至帆桅壳体的顶部的多个非线性弹簧支撑。非线性弹簧顺从地驱使台地旋转，以便允许台地响应于风致和涌流致环境载荷相对于帆桅壳体做有限程度的旋转移动。较大能力非线性弹簧放置为接近台地的中央以支撑大多数立管张力，而较小能力非线性弹簧放置为接近台地的周界以控制台地的旋转刚度。立管支撑台地包括相互连接的横梁的网格，相互连接的横梁具有开口，立管穿过该开口。非线性弹簧可以是弹性体载荷垫或液压缸的形式。立管的上端由立管张紧液压缸从台地支撑，立管张紧液压缸可被单独地致动以调整立管中的张力和立管的长度。弹性体折曲单元或珠承装置设置在立管张紧液压缸与台地之间，以允许在各个立管与台地之间的旋转移动。

奥腾等人申请的美国专利第7,013,824号公开了一种用于将侧向载荷从立管转移至平台壳体的立管扶正器，平台壳体包括安装在龙骨接头上的龙骨扶正器。龙骨扶正器容置于固定在支撑架中的龙骨导向套内，支撑架安装在平台壳体的下端部。龙骨扶正器包括非金属复合材料支承环，该支承环具有辐射式外围轮廓，以便使龙骨扶正器与立管和平台运动的极端处的龙骨导向套之间的接触压力最小化。龙骨导向套的内表面覆盖有抗腐蚀合金以及涂有耐磨陶瓷丰富涂层。

帕利尼等人申请的美国专利第7,632,044号描述了一种具有固定的导体和悬浮框架的冲压式（ram-type）张紧装置。用于海上悬浮平台的立管张紧装置具有安装至立管上部的框架。活塞和缸围绕立管周向地间隔开并且连接在框架与悬浮平台之间。管状引导件安装至悬浮平台，以便响应于波浪和涌流一致地移动。立管延伸通过引导件。导辊支撑件安装至引导件周围的框架并且从框架处向下延伸。一组导辊安装至导辊支撑件，因为引导件与平台一致地移动，导辊支撑件与引导件呈滚动接合。

帕利尼等人申请的美国专利第8,123,438号描述了一种冲压式张紧装置，该冲压式张紧装置包括：框架，其配置为固定地附接至立管；围绕立管间隔开的多个缸组件，各个缸组件具有缸和配置为可滑动地在缸内移动的活塞，活塞配置为连接至框架；导辊支撑件，其固定地安装至框架并且从框架处延伸；至少一个支承，其固定地附接至导辊支撑件；以及引导件，其配置为与指示一个支承呈滚动接合，因为缸相对于框架移动。

西维斯等人申请的美国专利第7,588,393号描述了一种方法，该方法通过使用船的吃水线上方的张紧装置组件将顶张紧式钻井和生产立管支撑在悬浮船上。该方法可包括：将在第一端部上的至少一个液压缸附接至悬浮船上的第一位置以及将在第二端部上的至少一个液压缸附接至第一位置下方的张紧框架。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蓄压器之间形成流体连接。

西维斯等人申请的美国专利第7,886,828号描述了一种用于支撑顶张紧式钻井和生产立管的悬浮船，顶张紧式钻井和生产立管具有壳体和设置在壳体顶部上的操作甲板。张紧装置组件可移动地带有导体，导体从井口连通至井进入设备。井进入设备连接至悬浮船。张紧装置组件由悬浮船支撑。

对于干树半潜式（DTS）平台，需要一种张紧系统，张紧系统可提供较大冲程（大约30至45英尺）并且还可为立管提供足够的支撑和对齐。生产立管圣诞树和钻井立管防喷器（BOP）的连接牵索必须根据平台运动的需要自由移动，而且不会冲击甲板或张紧系统元件，同时防止立管发生碰撞。此外，半潜式配置用于两个主甲板，并且由于需要的张紧装置冲程和进入圣诞树、张紧接头和BOP的需要，张紧系统优选地具有柱塞或上推式配置。通过使用上推张紧装置，张紧装置缸筒可位于甲板上的下部并且能够进入系统的关键区域，比如张力环和表面树。此外，上推式部署允许井湾更加压缩。

然而，冲压式或上推配置易遭受压曲失效和高侧向载荷。因此需要一种方法：向立管提供稳定性而且不会影响DTS设计参数可需要的低张紧装置弹簧比率。需要用于立管的龙骨引导系统，用于将侧向立管载荷直接反应至壳体结构，而不是在张紧装置和甲板接口处支撑高立管侧向载荷。将立管侧向载荷反应在半潜式的浮筒水平处也可改善平台的整体稳定性。

发明内容

根据本发明的立管系统提供足够尺寸的导体，所述导体用于将需要的侧向载荷支撑在龙骨处并且允许钻井和生产锚固连接器穿过内部。所述导体机械地附接至上部张紧装置框架并且响应于平台运动与所述张紧装置一起移动。所述导体与龙骨引导件和张紧装置轧辊在所述导体的外部通过接口连接。在所述导体的内部，所述生产或钻井立管可配备有一个或多个扶正器，以将侧向载荷从所述立管传输至所述导体。在顶导体部段上的导体头部提供用于间隔适配器（spaceoutadapter）的轮廓，所述间隔适配器支撑所述生产立管并且允许所述立管与张紧装置隔开。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的、配备有竖直立管张紧系统的干树半潜式的井湾的示意侧视图。

图2是图1中图示的干树半潜式的平面图。

图3是根据本发明的竖直立管张紧系统的侧视图，部分截面图。

图3A是图3中指示的导体连接器的纵向截面放大图。

图4是图3中图示的竖直立管张紧系统的上部张紧装置框架和导体头部的细节侧视图，部分截面图。

图4A是图3中图示的竖直立管张紧系统的第一可替换实施例的上部张紧装置框架和导体头部的截面图。

图4B是图3中图示的竖直立管张紧系统的第二可替换实施例的上部张紧装置框架和导体头部的截面图。

图5是图3中图示的竖直立管张紧系统的立管龙骨接头和龙骨接头扶正器的截面图。

图6是图3中图示的竖直立管张紧系统的龙骨引导件壳体接口的侧视图，部分截面图。

图7是图3中图示的竖直立管张紧系统的龙骨引导件壳体接口的侧视截面图，其相对于支撑干树半潜式示出。

图8是下部甲板的侧视截面图，支撑结构在干树半潜式上，并且从下甲板处支撑立管张紧装置。

具体实施方式

本发明可通过在附图中图示的示例性实施例得以最佳理解，在附图中使用了如下参考标记：

10干树半潜式海上船（“DTS”）

12柱体

14浮筒

15附图的顶表面

16上甲板水平

17井湾

18下甲板水平

19浮筒的底表面

20张紧装置

22圣诞树

24竖直立管

24A钻井立管

24B生产立管

26导体

28龙骨引导件

30龙骨引导件支撑结构

32系泊索导线器

34钻机

36SCR走廊

38张紧装置缸杆；张紧装置柱塞

40高压瓶

42上张紧装置导辊

44下张紧装置导辊

46导体连接器

48立管扶正器

50立管张紧接头

52导体喇叭件

54钻井立管连接器

55立管连接器

56可调整的扶正棘爪

58附接块

60抗摩擦支承

62立管龙骨接头

64径向板

66抗摩擦支承

68弹性体支承

70扶正器底座

72弹性体支承

74间隔适配器

78导体头部

80上部张紧装置框架

82导体环形部分密封板

84环形部分

86张力环

88凸缘

90外棱面

92内棱面

94径向翼

96龙骨接头扶正器

98张紧装置上框架和间隔适配器

100张紧装置环的凹形球形部段

102间隔适配器的凸形球形部段

104球形部段弹性体支承

106连接器盒

108连接器销

110锁定接合轮廓

112工具接合轮廓

114连接器内壁

116导体内壁

118导体的下端部

120龙骨引导件的下端部

122钻机基座

124防喷器（“BOP”）

126下部甲板

128下部甲板竖直支撑件

130下部甲板框架件。

现在参照图1，代表性半潜船10具有常见的配置，其包括穿透水面的柱体12和与相邻的柱体连接的表面下浮筒14。一个或多个甲板16被支撑在柱体12上在水面的上方。

半潜式10配备有用于悬链线系泊系统的系泊索导线器32。系泊索（未示出）从海底中的锚定物延伸通过导线器32并且向上穿过柱体12的外表面到达系泊索绕线轮处，系泊索绕线轮安装在上甲板水平16（或者柱体12的上端）上。

多个干树22位于井湾17中，井湾17在竖直立管24的上端上。在图示的实施例中，在五个立管的组中的中央立管是钻井立管并且具有在其上端上的防喷器。该立管在钻机34的井架的正下方。在其他实施例中，设备34可包括生产设备，其是修井机或涉及海上钻井和/或生产的任何其他设备。在某些实施例中可提供树工作平台23（见图4）。

竖直立管24附接至冲压式（或“上推”）张紧装置20，张紧装置20支撑在下甲板水平18上。仅仅为了图示的目的，在图1中的外张紧装置对示出为“降到最低点”，即，完全下降冲程；中央张紧装置示出为完全上升冲程；以及中间张紧装置对示出为处于其标称位置。本领域的技术人员将理解，在正常操作条件下，张紧装置20的柱塞将会响应于给定的平台升降（如图8所示）延伸大约相同的距离。

导体26接近各个立管24的上端地围绕各个立管24。导体26延伸通过龙骨引导件28，龙骨引导件28安装在龙骨引导件支撑结构30上。如可从图2的平面图中最佳地看到的，在图示的示例中的龙骨引导件支撑结构30在一个或多个相对的浮筒对14之间延伸。同样在图2中示出的是走廊36，走廊36在浮筒14的外侧表面上，用于支撑钢悬链线立管（SCR）的上端，SCR可用于将半潜式10上的设备连接至海底上的流线、管道或井口。

图3示出了根据本发明的、在导体26中的孤立竖直立管24的上端。立管24基本上从海底上的井口处竖直地延伸。立管24的上部由导体26围绕，导体26可包括多个由机械连接器46联合在一起的段。这允许导体26在没有重型起重机船的帮助下在海上得以组装和安装。在其他实施例中，导体26是单个管道件。在其他实施例中，导体26可包括在段之间的焊接的或螺纹连接的连接器。在某些优选实施例中，导体26具有平滑的连续的基本上圆筒形的外表面，至少在张紧装置轧辊42和44以及龙骨引导件28的附近。

在图3A中图示了一种特殊的优选机械连接器46。连接器46包括附接至导体26的上端的销部段108和附接至导体26的邻接部段的下端部的盒部段106。组装工具（未图示）（组装工具可以是液压致动工具）可在轮廓112处接合盒部段106并且在轮廓112’处接合销部段108。组装工具可促使部段106和108轴向地连接在一起直到部段106和108一起锁定在锁定轮廓110处。连接器46可具有基本上与导体26的内径116相同的内径114，以便提供基本上平滑的内孔。这可有利于立管24（与与其相关联的锚固连接器盒扶正器一起）进入导体26和从导体26出来。

一个或多个立管扶正器48可附接至立管24，以便使立管24定位在导体26内的中央。龙骨接头扶正器96接近导体26的下端部，龙骨接头扶正器96可作为载荷支承或“载荷反应器”，以将立管24上的侧向载荷转移至导体26并且因而使侧向载荷通过龙骨引导件26转移至龙骨引导件支撑结构30，从而减少施加在张紧装置20上的侧向载荷。一种特殊的适合的龙骨接头扶正器设计在由奥登等人申请的美国专利号7,013,824中描述，其全部内容以引用的方法并入本文。每当由于风和/或涌流使半潜式10偏离其标称位置时，侧向载荷就会被施加在竖直立管24上。即使当半潜式10位于其标称位置在海底井口的正上方时，次表层流也可使立管24从直线竖直方向移位。

在立管24的上端处，间隔适配器98连接立管24与导体26并且为张紧装置20的杆38提供支承面。导体26通过上张紧装置轧辊42和下张紧装置轧辊44定位在张紧装置20中。在其他实施例中，可在42处采用单个轧辊组并且可省略下张紧装置轧辊44。

高压瓶40可具有气体在液体上的配置或者具有直接施加于缸的活塞或杆的加压气体，在高压瓶40中的流体压力的影响下，张紧装置缸杆38可被迫向上、从其相关联的缸延伸出去。

如在图4的细节图中示出，张紧装置杆38的上端可支撑在上部张紧装置框架80的下表面上，上部张紧装置框架80可经由弹性体支承72连接至张力环86。加强板或“径向翼”94可将张力环86连接至间隔适配器74。间隔适配器74可通过接合在立管张紧接头50的外表面的至少一部分上的螺纹或沟槽而连接至立管张紧接头50（示出为图4中的虚线）。这样，就可调整张紧装置20相对于立管24的竖直位置。

导体头部78可设有给定轮廓的凸缘88，凸缘88可接合在外棱面90与内棱面92之间。由张紧装置杆38施加的向上力可通过上部张紧装置框架80传输至弹性体支承72并且因此通过径向翼94传输至外棱面90，从而导致经由凸缘88施加于导体26的张力。

同样在图4中示出是可选的导体密封板82，导体密封板82可在导体26的内表面与立管24的外表面之间提供气密密封。这允许使用空气（或其他气体）给环形部分84加压，从而使导体26有利地上浮（或者至少具有较低有效重量）。这种上浮性可作为由张紧装置20施加的张力的补充，当必须移除缸或柱塞38以进行维护或维修时，这尤其有利。用于给环形部分84加压的装置的示例包括：穿过密封板82的阀门；穿过导体26的侧壁的阀门；以及进入导体26的开口下端部的管道。

图4A示出了替换性实施例，其中，顶部张力环80配备有在其底侧上的多个附接块58。附接块58可具有内部螺纹径向通孔，内部螺纹径向通孔具有呈螺纹接合的可调整的扶正器棘爪56。可调整的扶正器棘爪56的外端部可设有扳手平坦面、六角形插座或其他用于调整其径向延伸的工具接合装置。

在一个特殊的优选实施例中，提供了三个可调整的扶正器棘爪，各个棘爪与相邻的扶正器间隔120°。扶正器棘爪58可径向地调整进入或出来，以帮助相对于导体26定位上张紧装置环80。这样做时，扶正器棘爪58的内端部将与导体26的外表面接触（如在图4A的右半部分上所示）。在安装了上张紧装置环80之后，可通过将棘爪56径向向外定位来使棘爪56缩回（如在图4A的左半部分中所示）。

另一个实施例在图4B中图示。在该实施例中，上部张紧装置框架80’具有凹形球形部段100并且张力环86’具有相对的凸形球形表面102。这种配置可减少当侧向载荷被施加于导体26和/或立管24时施加于支承104的剪切载荷。支承104可以是复合材料支承，由金属和弹性体的交替层组成。

图5是根据本发明的导体26的下部的细节图。导体26可具有在其下端部处的喇叭件52，以有利于立管24和与其相关联的扶正器（比如龙骨接头扶正器96）的安装。扶正器96在设计上可与扶正器48（见图3）不同，因为扶正器48可遭受比龙骨接头扶正器96小的侧向载荷。立管24可包括立管龙骨接头62，立管龙骨接头62可具有用于承受添加的力量的较厚壁部段和/或用于固定龙骨接头扶正器96的给定轮廓的部段。

龙骨接头扶正器96可包括扶正器底座70，扶正器底座70可具有与立管24上的相应给定轮廓的表面相接合的给定轮廓的内表面。径向隔板64可围绕底座70排列并且支撑在环形弹性体环68上的抗摩擦支承66。在某些优选实施例中，抗摩擦支承66是由选自由如下物质组成的组的聚合物制造的：尼龙、聚甲醛树脂、聚四氟乙烯（PTFE）和聚醚醚酮树脂（PEEK）。也可使用适合于海底环境的其他抗摩擦材料（其可以是复合材料或金属）。

龙骨接头扶正器96将立管24上的侧向载荷反应至导体26，导体26由龙骨引导件28限制在半潜船10的龙骨处。

图6在左侧示出了钻井立管24A和在右侧示出了穿过龙骨引导件28的生产立管24B。龙骨引导件28可具有：用于在安装期间引导导体26的上漏斗部和用于容纳导体26向侧向方向的弯曲的下漏斗部。示出了相应于浮筒上表面15的龙骨引导件支撑结构30的部分。钻井立管24A包括钻井立管段连接器54。生产立管24B包括不同式样的立管段连接器55。

龙骨引导件28的中央圆筒形部可具有抗摩擦支承60以与导体26的外表面接触，这是因为随着张紧装置20（未在图6中示出）的柱塞38延伸和缩回，导体26相对于龙骨引导件28轴向地滑动。抗摩擦支承60可由任何适合的材料制成。适合的材料的示例包括但不限于：尼龙、聚甲醛树脂、聚四氟乙烯（PTFE）和聚醚醚酮树脂（PEEK）以及复合材料。抗摩擦支承60可被径向地分段，以便移除和由潜水艇或ROV（远程操作）代替。

本领域的技术人员应理解，施加在立管24A（或24B）上的侧向载荷的载荷路径是通过龙骨接头扶正器96至导体26，并且因此通过抗摩擦支承60至龙骨引导件28、龙骨引导件支撑结构30，并且因此至浮筒14——即，半潜式10的壳体。这样，立管24上的侧向载荷基本上被反应至船的壳体而不是立管张紧装置20。这可简化张紧装置20的设计并且减少施加在张紧装置20上的磨损和应力。我们可采用仅具有弹性体支承72（或104）的上推张紧装置来容纳小幅偏差和减少弯曲力矩，而不需要装有万向节的立管张紧装置。

图7示出了相对于浮筒14的龙骨引导件支撑结构30，其具有顶表面15和底表面19。如图7所示，龙骨接头扶正器96可位于导体26中，在龙骨引导件28的下端部120的下方。这可有利地利用导体26的在龙骨引导件28下方延伸的部分的柔性来进一步吸收施加在立管24上的侧向载荷——即，导体26可响应于经由龙骨接头扶正器96施加的侧向载荷在龙骨引导件28处弯曲或折曲。

在图7中应注意，当与导体26相关联的张紧装置处于其标称位置时，导体26的下端部118可位于浮筒底表面19的海拔上方。这种特征允许即使在干树半潜式被压载以便使浮筒底表面19靠在海港的海底上的情况下降导体26安装在码头周围。

在一个特殊的优选实施例中，机械连接器用于组装特定平台吃水深度和甲板高度需要的导体的长度。这些连接器允许通过使用常见的钻机操作来安装或移除海上的导体。与用在帆桅式平台上的、需要重型船起重机来安装或移除的导体相比，这是一项具有重大意义的改进。使用本文中公开的配置，可将导体安装在码头周围或海上处。

在一个优选配置中，导体可由四个部段组装而成。所使用的连接器可类似于TLP系索连接器，在不旋转的情况下在连接与断开连接之间完全可逆。连接器可利用液压压力来使销破损并且使盒扩大，与液压夹具一起构成连接。在一个特殊的优选实施例中，导体连接器具有基本上等于导体管道的内径的内径，以使立管和立管扶正器在导体内部的流动更加容易。用于导体的管道部段可类似于系索管道，利用高强度的优质轧制和焊接管道。

为了提高寿命并且最小化摩擦对张紧系统刚度的影响，导体可在张紧装置结构处由轧辊42和44支撑以及在浮筒水平处由龙骨引导件28支撑。龙骨引导件结构可利用低摩擦复合材料来将立管载荷反应至壳体。复合材料60可以是分段的，以允许在不移除导体26的情况下移除或替换单个段。

由于DTS需要较长的张紧装置冲程、波浪的可变性、风和水流力以及需要最小化系统的整体高度，所以可能的是，张紧系统偶尔可降到最低点——即，张紧装置的柱塞可到达其向下冲程的极限处。在这些条件期间生成的力较大，这是因为立管迅速地从张紧装置的相对软的弹簧比率变为形成立管的钢管的较硬的弹簧比率。为了减少损坏元件和甲板或壳体结构的可能性，可在导体的顶部处提供弹性体垫72。该弹性体可提供缓冲器功能并且最小化冲击力。此外，可在龙骨接头中包括弹性体环68，以便同样最小化龙骨处的生产立管的任何冲击。

DTS张紧系统以前的概念已经基于帆桅式船的应用使用了柱塞张紧系统。帆桅具有深的壳体，从而固有地提供引导件装置并且在较长长度上支撑立管。对于DTS，甲板与浮筒之间的距离基本上短很多。典型的张紧系统设计参数在“一个缸被移除”的情况下需要足够的剩余能力。由于用于双管生产立管的立管张力很大，所以在四缸配置中损失的载荷能力也很多。在具有三个剩余缸的情况下，必须被支撑的力矩等于标称载荷的四分之一乘以半径。通过使用六缸配置，损失的载荷仅仅是总载荷的六分之一。这使得必须被支撑的弯曲力矩减少33%，从而增强了系统的稳定性。此外，需要的最小张力可由五个缸而不是三个缸提供，有效地将标称张力系数从4/3（1.33）减少至6/5（1.2），这提供了将标称张力减少11%的可能性。张力系数越低，不平衡力矩也可进一步被减少一共40%，比相应四缸系统的不平衡力矩小。

现在参照图8，一种特殊的优选甲板配置包括：在DTS10的上甲板水平16上方的钻井基座122和在DTS10的下甲板水平18下方的下部甲板126。张紧装置20被支撑在下部甲板126上。下部甲板竖直支撑件128在第一端部处接近下甲板水平18地附接至甲板框架并且在第二端部处附接至下部甲板框架件130。具有安装在下部甲板126上的张紧装置20这允许：当张紧装置完全上升冲程时，更多地进入在生产立管24B上的圣诞树22和在钻井立管24A上的BOP124，并且增加树22（和BOP124）与钻机底座122之间的间隙。下部甲板126还提供从甲板进入张紧装置20的底部，以便在温和海洋气象条件下进行检查和维护，并且下部甲板126的结构可至少部分地防止张紧装置20在严峻海洋气象条件下遭受波浪的撞击。下部甲板126可足够地小，以便使DTS的水力行为在风暴条件下不受负面影响。下部甲板126的下界限（lowerextent）可处于在百年一遇的风暴中也不提供气隙的海拔处。

在根据本发明的立管系统中，立管导体26可从张紧装置甲板跨越至DTS上的浮筒龙骨引导件下方，在浪溅区保护立管以及同样保护立管使其不会受到潜在小船或残渣的冲击。导体26可由多个部段组成，以便位于可安装区或码头周围的可安装区。导体26可具有齐平的内表面，带有使用“卡扣在一起”式Merlin?TLP系索连接器（阿灵顿国家石油业公司、德州76001）的连接器，该连机器可组装在船上并且可从船上拆卸下来。导体26的内径可选择为允许钻井和生产立管锚固连接器穿过其内部。

导体26可以在顶部和底部由较厚壁管道制成，而在中间则由较薄壁管道制成，以便减少重量并且增加柔性。

立管龙骨接头扶正器96可位于龙骨接头28下方，以便完全有利地利用导体柔性。

导体26的外径与龙骨引导件28通过接口连接以便从立管24反应侧向载荷。

导体26的内表面与具有龙骨扶正器96的龙骨接头62通过接口连接。

导体26的内部可使用空气、氮气或其它适合的气体来加压，以便通过导体26的上浮性来增加立管24上的张力。

用于最小化在壳体、甲板和立管中的冲击的缓冲器系统可包括作为龙骨接头扶正器96的一部分的弹性体件68。导体头部与上部张紧装置框架之间的弹性体件72吸收来自降到最低点的轴向载荷的冲击并且减少侧向载荷。

适合的张紧装置系统的示例使用六个缸，其具有用于减少的载荷变化的驮运式复合材料高压瓶40。可使用仅在其杆侧上包含有流体的双作用缸来密封润滑。

张紧装置20可具有压缩缸配置，其中，流体包含在缸的底部以便在缸完全下降冲程时提供阻尼。

张紧接头可连接至外立管以允许张紧装置冲程相对于立管长度间隔开。

龙骨引导件28用于降低立管侧向载荷反应点并且废除力矩，从而改善平台稳定性。

龙骨引导件中分段的复合材料支承60与导体26的外表面通过接口接合并且可单独地由潜水艇或远程操作装置（ROV）代替。

导体26的外表面可覆盖有因科镍合金或类似抗腐蚀材料以消除潜在的腐蚀损坏和减少施加于张紧装置20和立管24的摩擦力。

本发明的现有系统的优点和益处包括以下各项：

a）导体26从顶张紧装置框架延伸至龙骨接头。导体的较大直径为生产立管完全穿过具有全孔的壳体提供引导。

b）导体的外径反应在龙骨引导件28上并且立管管道24与导体26一起移动，因而不存在相对运动，从而在承压立管管道24上没有出现磨损。

c）导体可预先安装在船坞处或者可从海上移除或安装在海上处。

d）导体保护生产立管免受溅水、表层流和潜在小船的冲击。

e）导体减少在安装期间由于表层流而施加于生产立管上的阻力载荷，同时也减少立管碰撞的可能性。

f）导体的顶部可并入弹性体缓冲器件，以减少由于张紧系统降到最低点而引起的潜在冲击。

g）龙骨引导件可并入弹性体缓冲器件，其减少在立管和龙骨接口处的潜在冲击损坏。

h）龙骨接头扶正器空间设计成能够反应龙骨接头接口下方的侧向立管载荷。这提供了额外的柔性并且最小化立管与龙骨引导件之间的碰撞可能性。

张紧系统的益处包括以下各项：

a）导体26的较大直径减少在导辊42和44处的以及在缸上的支承应力，以增强稳定性和提供较长寿命。

b）导体26可包括具有基于可靠TLP连接器技术的可逆连接器的部段。这可允许在现场安装额外的张紧装置并且如果需要的话还允许移除该额外的张紧装置以进行维护。

c）在上部张紧装置框架中的弹性体支承72允许小挠度，其减少缸杆38上的侧向载荷从而增强密封寿命和缸耐久性。

d）一种特殊的优选部署使用张紧装置，张紧装置具有六个缸以及通过复合材料高压瓶40附接至缸的气体容积。通过具有六个缸，每个缸的容积则足够的小，需要的总气体容积可附接至缸，从而最小化流动损失和增强系统安全性和稳定性。此外，在一个缸需要被移除以进行维护的情况下，施加的力矩也被减少至更加可接收的水平。

e）张紧装置缸配置可仅在活塞下方使用气体，活塞在减少的杆侧区域上具有流体以便为密封件和支承提供润滑。该系统可使用氮气作为操作气体来最小化腐蚀并且使能够使用合成的矿物类流体。

f）导体可充满氮气、空气或其他适合的气体以通过从而导致的上浮性来提供额外的立管张力。额外的张力可在重型立管情况下或在液压系统维护的情况下补充立管液压张力。

壳体/龙骨引导件的系统的益处包括以下各项：

a）在张紧装置20处与龙骨引导件28一起使用的轧辊支撑件42和44实际上消除了表面设备侧向移动，并且从而减少了井湾间隔的要求。

b）如果需要的话，龙骨引导件磨损元件可被移除以进行替换，而且不用移除导体和立管。

本发明的平台的全局布局的益处包括以下各项：

a）在张紧装置20处与龙骨引导件28一起使用的轧辊支撑件42和44实际上消除了表面设备侧向移动，并且从而减少了井湾间隔的要求。

b）导体26可预先安装在船坞处或者可安装在海上处。此外，导体26可从海上移除以及重新安装在海上处。

c）消除了从缸至活性气体瓶的较大直径和高压管道，活性气体瓶也称为施加的压力船（APV），其位于远离张紧装置单元的位置并且通过管道的长度连接。

d）在半潜壳体上反应的立管侧向载荷较低，从而改善给定吃水深度的平台的稳定性。

上文呈现了体现本发明的原理的系统的特殊实施例。虽然没有在本文中明确的公开，但本领域的技术人员是能够设计出体现这些原理的替换示例和变体的，因此这些替换示例和变体也包含在如下权利要求书在字面上和等同地覆盖的本发明的范围之内。

Claims (35)

1.一种顶张紧式立管系统，包括：

基本上竖直的立管，其从海底上的井口向上延伸；

同轴导体，其以隔开的关系围绕所述立管的上部；

围绕所述导体的下部的同轴龙骨引导件，其尺寸设计成滑动地接合所述导体；

张紧装置，其接近所述导体和所述立管各自的上端地附接至所述导体和所述立管；

龙骨引导件支撑结构，其附接至所述龙骨引导件，并且适于接近干树半潜船的下端地连接至所述干树半潜船；

龙骨接头扶正器，其接近所述龙骨引导件地附接至所述立管，并且尺寸设计成基本上防止所述立管相对于所述导体径向移动。

2.如权利要求1所述的顶张紧式立管系统，其特征在于，所述龙骨接头扶正器包括：

a）平坦的龙骨接头扶正器主体，其具有延伸穿过所述主体的中央孔；

b）所述龙骨接头扶正器主体包括限定其周界的周向凸缘构件；

c）至少一个开口，其延伸穿过所述龙骨接头扶正器主体；以及

d）支承环，其安装在所述凸缘构件上。

3.如权利要求1所述的顶张紧式立管系统，其特征在于，所述龙骨接头扶正器与所述导体的内表面滑动接合。

4.如权利要求1所述的顶张紧式立管系统，其特征在于，所述龙骨接头扶正器在所述龙骨引导件的下界限之下和所述导体的下界限之上的位置处被附接至所述立管。

5.如权利要求1所述的顶张紧式立管系统，还包括接合所述导体上的轮廓的间隔适配器以及接近所述立管的上端的所述立管上的立管调整接头的外螺纹部。

6.如权利要求1所述的顶张紧式立管系统，还包括接合所述导体上的轮廓的间隔适配器以及接近所述立管的上端的所述立管上的立管调整接头的外沟槽部。

7.如权利要求5所述的顶张紧式立管系统，还包括张力环，所述张力环附接至所述间隔适配器并且从所述间隔适配器径向设置。

8.如权利要求7所述的顶张紧式立管系统，其特征在于，所述导体被固定在所述导体的上端上的轮廓之间并且落在所述张力环上。

9.如权利要求7所述的顶张紧式立管系统，还包括在所述张力环的下表面上的弹性体支承，所述支承尺寸和空间设计成靠着所述张紧装置的上部张紧装置框架。

10.如权利要求1所述的顶张紧式立管系统，还包括气密密封板，所述气密密封板尺寸和空间设计成密封所述立管与所述导体之间的环形部分。

11.如权利要求10所述的顶张紧式立管系统，还包括用于利用气体给所述密封板下方的所述环形部分加压的装置。

12.如权利要求1所述的顶张紧式立管系统，其特征在于，所述张紧装置是冲压式上推张紧装置。

13.如权利要求12所述的顶张紧式立管系统，其特征在于，所述张紧装置包括双作用缸，所述双作用缸具有仅包含在其杆侧上的流体。

14.如权利要求9所述的顶张紧式立管系统，还包括附接至顶部张力环的多个径向可调整的间隔件，所述间隔件尺寸和空间设计成在第一延伸位置接触所述导体的外表面，并且在第二缩回位置与所述导体处于隔开的关系。

15.如权利要求9所述的顶张紧式立管系统，还包括在顶部张力环上的环形凹形上表面以及在所述上部张紧装置框架上的相对的环形凸形下表面。

16.如权利要求15所述的顶张紧式立管系统，还包括处于所述顶部张力环上的所述凹形上表面与所述上部张紧装置框架上的所述凸形下表面之间的球形部段弹性体支承。

17.如权利要求16所述的顶张紧式立管系统，其特征在于，所述弹性体支承包括弹性体和金属的交替叠层。

18.如权利要求1所述的顶张紧式立管系统，其特征在于，所述立管包括龙骨接头段，所述龙骨接头段具有比邻接段大的壁厚度。

19.如权利要求18所述的顶张紧式立管系统，还包括所述龙骨接头的处于所述龙骨接头扶正器的位置处的壁中的轮廓。

20.如权利要求1所述的顶张紧式立管系统，其特征在于，所述龙骨引导件包括呈喇叭形展开的上部段、基本上圆筒形的中间部段以及呈喇叭形展开的下部段。

21.如权利要求20所述的顶张紧式立管系统，其特征在于，所述呈喇叭形展开的下部段具有比所述呈喇叭形展开的上部段大的长度。

22.如权利要求20所述的顶张紧式立管系统，其特征在于，所述呈喇叭形展开的下部段的角度与所述呈喇叭形展开的上部段的角度不同。

23.如权利要求22所述的顶张紧式立管系统，其特征在于，所述呈喇叭形展开的下部段相对于所述龙骨引导件的中心竖直轴线的角度小于所述呈喇叭形展开的上部段相对于所述中心竖直轴线的角度。

24.如权利要求1所述的顶张紧式立管系统，其特征在于，所述龙骨引导件具有内表面，所述内表面至少部分地内衬有抗摩擦材料。

25.如权利要求24所述的顶张紧式立管系统，其特征在于，所述抗摩擦材料被径向分段。

26.如权利要求25所述的顶张紧式立管系统，其特征在于，在所述导体在所述龙骨引导件内就位的情况下，所述抗摩擦材料是可移除和可替换的。

27.如权利要求1所述的顶张紧式立管系统，其特征在于，所述导体包括与机械导体连接器联接在一起的多个导体段。

28.如权利要求27所述的顶张紧式立管系统，其特征在于，所述导体段包括具有相同的特定内径的管道部段，并且所述导体连接器当组装时具有基本上恒定的内径，所述导体的内径基本上等于特定的导体段的内径。

29.一种半潜式海上平台，包括：

具有多个穿透水面的柱体的壳体；

使相邻柱体相互连接的多个表面下浮筒；

支撑在所述柱体的上端上的至少一个甲板；

基本上竖直的立管，其从海底上的井口向上延伸；

同轴导体，其以隔开的关系围绕所述立管的上部；

围绕所述导体的下部的同轴龙骨引导件，所述龙骨引导件尺寸设计成滑动地接合所述导体；

张紧装置，其支撑在所述至少一个甲板上并且接近所述导体和所述立管各自的上端地附接至所述导体和所述立管；

龙骨引导件支撑结构，其连接在相对的一对浮筒之间并且附接至所述龙骨引导件；以及

龙骨接头扶正器，其接近所述龙骨引导件地附接至所述立管，并且尺寸设计成基本上防止所述立管相对于所述导体径向移动。

30.如权利要求26所述的半潜式海上平台，其特征在于，所述龙骨引导件支撑结构包括开放框架。

31.如权利要求29所述的半潜式海上平台，其特征在于，所述龙骨引导件的海拔与浮筒的上表面的海拔大致相同。

32.如权利要求29所述的半潜式海上平台，其特征在于，所述导体具有如下长度，即：使得至少当所述张紧装置处于完全延伸的状态时，所述导体的下界限在由所述多个浮筒的下界限限定的平面之上。

33.如权利要求29所述的半潜式海上平台，还包括下部甲板，所述下部甲板附接至支撑在所述柱体的上端上的所述至少一个甲板，并且大致在所述至少一个甲板之下设置。

34.如权利要求33所述的半潜式海上平台，其特征在于，所述下部甲板具有在百年一遇的风暴中不提供气隙的下界限。

35.一种用于将张紧装置所支撑的顶张紧式竖直立管上的侧向载荷反应在干树半潜船上的方法，包括：

以隔开的关系利用同轴导体围绕竖直立管的上部，所述导体在其上端处连接至立管张紧装置，所述立管张紧装置也连接至所述竖直立管；

使所述导体和所述立管穿过同轴龙骨引导件，所述龙骨引导件接近所述半潜船的下端地附接至所述半潜船，并且尺寸设计成滑动地接合所述导体；以及

通过接近所述龙骨引导件地附接至所述立管的扶正器将施加于所述立管的侧向载荷转移至所述导体和所述龙骨引导件，所述扶正器尺寸设计成基本上防止所述立管相对于所述导体径向移动。