CN1121965C - 用于将一物体或一载荷部属在海床上的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开涉及一种方法和一种设备，用于将一物体或一载荷部属在海床上，该物体或载荷与起重装置，如一起重钢缆联接，从而能够将该物体或载荷从一船下沉到海床上，该设备包括一本体，该本体具有可释放地将该物体或载荷固定到本体上的装置，及用于在海中移动该本体的推进装置，其中推进装置偏离用于可释放地固定该物体或载荷的装置定位，从而在使用推进装置时能够对起重装置进行旋转控制。

Description

用于将一物体或一载荷部属在海床上的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种设备，用于将一载荷部属在海床上，该载荷与起重装置，如一起重钢缆联接，从而能够将该载荷从一船下沉到海床上，该设备包括一本体，该本体具有可释放地将该载荷固定到本体上的装置，及用于在海中移动该本体的推进装置，该推进装置包括第一组推进器，其偏离用于可释放地固定该载荷的装置定位。

背景技术

本发明涉及一种在以很大的深度对海床上不小于±1000吨的载荷(密封装置)进行部属/收回的过程中使用的导向、控制和定位系统。结构上，该系统包括一主舱和一通过一框架相互连接的配舱。

由于其功能，该系统的框架可直接夹持到一载荷上，或可替换地夹持到任意的起重装置上，从而将待部属的载荷(密封装置)固定。

同样地，该系统可在任何选定的时间释放上述载荷。

该系统还包括推进和转矩控制装置，在穿过整个水体部属时对载荷的状态进行控制。

由于海中的油气还可以通过浮动生产平台开采，这种油气田的开采要求将几个重物部属到海床上，另外，这些物体必须以一相对较高的精度定位在海床上。

由于目前石油开采是在一更深的深度进行的，达到所要求的精度变得越来越困难。为了达到根据传统方法的这种精度，通常使用一起重船。载荷是通过辅助控制钢缆下沉到海床上的，该辅助控制钢缆安装在同一船上和/或一个或多个辅助安装后援船上。

使用这种方法是很昂贵的。后来的方法已经被提出，以便控制安装辅助设备中的转动扭矩，该转动扭矩是主要是由于海流流动的改变而引起的，也可由非扭矩平衡的钢缆绳引起。由于同样的特征，目的还包括将载荷朝其最终方向导引，并位于其所要求的目标区域内。在美国专利US3381485中公开了这样的系统和方法。

发明内容

因此本发明的目的是提出一种系统和适当的方法，通过该系统和方法可以比常规安装方法更廉价和快速的方式精确地对载荷(密封装置)进行部属、控制和定位。

根据本发明，该目的是通过以下特征实现的，即所述设备具有一传感器以提供关于所述设备所处位置的数据，并允许驱动所述第一组推进器中的所述推进器，从而为防止载荷的转动提供扭矩控制而不使用导向缆索。因此该设备能够设置固定到本体上的第一和第二推进装置，该第一和第二推进装置定位在用于可释放地固定物体或载荷的装置的相对侧部。

用这种措施提供了一种抗扭装置。另外，可用该推进器对该设备及该载荷相对于该载荷的位置进行调节和控制。

根据本发明，能够在该设备上设置用于调节第一和第二推进装置之间距离的装置。

还能够将第一推进装置设置在一第一舱中，将第二推进装置设置在一第二舱中。

根据本发明，为了消除这些传统成本，该系统设置了一套成对操作的四个推进器，每一个具有专门功能，即：一扭矩控制功能和一传送功能。

这些推进器以这种方式两两安装在系统框架的每一侧，能够通过将两个底部推进器用于该扭矩控制功能，将两个顶部推进器用于该传送功能，从而实现上述的扭矩控制。

应该理解，在不产生扭矩的情况下，全部推进器将用于传送运动，很明显，对于不需要传送的情况也是一样，全部推进器将用于扭矩控制。

另外，第二舱或配舱可水平移动该框架的一部分，从而改进扭矩控制并将全部结构中的应力循环减少到最小。应该理解，该框架包括一液压致动的夹持系统，终止于所使用的带有一高摩擦介质的夹持接合器。

根据本发明，还能够将推进装置设置成推进器的形式。

如上所述，可以将第一推进装置设置在一第一舱中，而第二推进装置设置在一第二舱中。第二舱可固定到一臂上，该臂的长度可以调节。

根据本发明一优选实施例，第一舱可拆卸地固定到设备上。

根据本发明，用于可释放地固定一载荷的装置包括液压千斤顶。另外，在设备中用于可释放地固定一载荷的装置可设置专门设计的连接器。该连接器覆盖有一高摩擦介质。

为了能够在部属过程中获得所需的精度，优选地，该设备设有适于沿海床上物体的方向传送信息的装置，用于接收传送到物体上的信号的反射信息的装置，及一对该反射信息进行计算从而确定设备相对于该物体的位置的处理器。另外，设备可设有一测距仪。

用于传送信息的装置可包括声纳设备，如高分辨率声纳设备。当被部属的载荷相对于海床上的物体的位置确定后，使用该声纳设备，可用该测距仪完成载荷的定位。因此，可以将该最终定位活动与表面后援船分开。

根据本发明，不仅提供了一种用于将一物体或载荷部属在海床上的设备，还提供了一种方法，该方法的特征在于，该方法包括以下步骤：

—通过一第一起重钢缆沿海床的方向移动该物体或载荷，

—通过一第二起重钢缆大致在其底部向该物体或载荷，或该第一起重钢缆施加一力，及

—通过使用本发明的设备对该物体或载荷的位置进行操纵，该设备紧密连接到该物体或载荷上。

另外，在该物体或载荷的部属过程中，可以通过该第二起重钢缆至少部分地抬起该物体或载荷。

根据本发明，在该物体或载荷的部属过程中，设备的定位是用一结合有一液压定位参照系统(HPR)、一多普勒装置及一光纤陀螺仪的一差动全球定位系统(DGPS)导向系统完成的。另外，该设备沿海床上一物体的方向传送信息，该设备接收传送到该物体的信号的反射信息，该反射信息用于确定该设备相对于该物体的位置，该载荷的定位是由一测距仪完成的。

根据本发明，还可以

—释放该第一起重钢缆，直到该第一起重钢缆至少部分地放置在海床上，

—通过该第二起重钢缆将该物体或载荷及第一起重钢缆的一部分抬起，及

—通过该设备对该物体或载荷的位置进行控制。

附图说明

下面参照附图对本发明进行详细描述。

图1表示用于近海石化开采的一FPSO(浮动、生产、储存和卸载)的示意图。

图2表示根据现有技术的一起重船，示出一装配到该起重块上并带有相对较长的钢缆的载荷，可以看到在深海中载荷的控制实际上是不可能的。

图3表示根据现有技术的一起重船，示出一载荷，该载荷不仅装配到船的起重块上，而且装配到位于船两侧的辅助钢缆以及第二表面后援拖船钢缆上，从而对载荷施加一定程度的控制。

图4表示根据本发明用于将一载荷部属到海床上和/或从海床上收回的起重船和系统。

图5表示用于图4中所示的活动中的系统的一种可能实施例的局部详图。

图6表示从图5的上部观察的系统。

图7表示根据图5的该系统的细节(用于一管道和/或起重块的接合瓦)。

图8、8a表示根据本发明用于完成部属和/或收回活动所需的系统硬件设备主舱的剖视图。

图9和10表示根据本发明在对一锚或一锚定链进行部属的过程中作为独立使用设备的系统主舱的一种可能的应用。

图11表示与本发明的系统一起使用的专门设计的起重块。

图12表示根据本发明的系统主舱的一实施例，该系统主舱用于无潜水员地在深海中部属和安装一卷筒。

图13表示系统主舱的实施例，该系统主舱用于在深海中以无潜水员方式从一竖管底座部属和缩回刚性和/或柔性竖管。

具体实施方式

图1示出一带有旋转生产塔11的FPSO(浮动、生产、储存和卸载船)1，竖管2从该旋转生产塔11分离，上述竖管2在海床上与其竖管底座3相联。在其生产寿命期间，对于FPSO来讲相当于保持在一允许的动态偏移范围内，因此FPSO1通过由锚6固定的系泊腿5而系泊到海床4上。

根据图1，通过一生产船1进行的油气开采需要将几个相对较重的物体以一相对较高的精度定位在海床4上。

为了通过系泊腿5完成一适当的和安全的锚定，要求这些系泊腿5具有基本相同的长度。实践中，为了这种应用，可使用50吨或更重的锚，将它以一几米以内的精度放置在海床4上。另外，不仅锚6非常重，而与锚6连接的系泊腿具有等于锚6自身重量几倍的重量。

同样对于其它物体，如“垫石”，“重力竖管底座”，“生产管道”等等，也要求这些物体必须以相对较高的精度放置在海床4上。

图1中示出的用于海上开采油气且必须放置在海床上的物体不仅很重，而且还很昂贵。

图2示出根据现有技术的一船20，其上具有起重装置，如起重机21。该起重机21设置了一个起重钢缆22，通过该起重钢缆22可将一物体或一载荷4放置在海床5上。为了定位该载荷23，必须将该海面支持设备与起重机21一起移动。

结果将是，在一给定的时间内，载荷23的惯性将被克服，但由于载荷23的加速度，将发生不可控制的情况，从而使目标区域过调节。由于起重钢缆22和载荷4易于受水流的影响，当该起重钢缆下落时，该载荷将不会直线下降。同样，船的重量、船的摇摆等都将对可能实现的精度产生一负面影响。

图3中示出根据现有技术的一种可能的解决方案，用于在下落起重钢缆22的同时控制载荷23的位置。因此载荷必须固定到一辅助钢缆31上，该辅助钢缆31由一辅助船30控制。另外，带有辅助钢缆32的载荷23可连接到船20上。

很清楚，由于根据图3的方案，载荷23可以加强的控制放置在海床上。但很明显，使用辅助船30是很昂贵的。

图4示出一起重船40，该起重船40设置有根据本发明用于在海床上部属一载荷43的装置或系统。该船40包括第一起重装置，例如一设有一第一起重钢缆42的绞车41。通过该起重钢缆42，一载荷43，例如一垫石可部属和放置在海底。

如上所述，使用浮动生产平台的油气田开采要求必须将几个重物放置在海床上，另外，这些物体必须以一相对较高的精度放置在海床上。由于目前的开采必须在高达3000米或更多的不断增加的深度上进行，达到所要求的精度变得越来越困难。其中一个必须解决的问题就是起重钢缆可能被扭转。

为了在部属载荷时控制载荷43的位置，以及为了能够在所要求的精度内将载荷放置在海床上，已经将装置或系统50固定到起重钢缆42上。下面参照图5、6和7对系统50的一优选实施例进行描述。

系统50固定到起重钢缆42，例如起重块100(图11)的端部。另外，系统50也可以直接固定到载荷43自身上。系统50包括一第一或主舱51，设有驱动装置如推进器(图5和6)。系统还包括一第二或配舱52。该配舱52也设有推进器。使用中，主舱51和配舱52的推进器将定位在起重钢缆42的相对侧。系统通过一第二起重钢缆45与船40联接，该第二起重钢缆45可用第二起重装置，如一第二绞车44操作。该第二起重钢缆45例如通过一A形框架49设置在船板上。该第二绞车44和第二起重钢缆45通常分别比第一起重装置48和第一起重钢缆42轻。该系统还通过一供应联系缆46与船40相联。该供应联系缆可连接到起重钢缆45或单独从第三绞车47下降。用于向系统50供电的电线例如包在供应联系缆中。系统50中通常设置有用于将电能转换成液压能的装置。该液压能然后用于控制特别是推进器和辅助工具。

由于随后作业是在一逐渐增加的深度上操作，长起重钢缆42的扭转和旋转这个问题变得越来越严重。由于重载荷43连接到起重钢缆42的底侧，该扭转会对起重钢缆产生一相对较大的磨损，从而在起重钢缆上会发生严重损坏。这种磨损会严重到起重钢缆断裂和载荷43丢失的程度。另一个问题是，由于起重钢缆中的巨大扭转，船上的起重钢缆会从外套中跑出来。由于主舱51和配舱52的推进器分别设置在起重钢缆42的相对侧，可沿两个方向在起重钢缆42上施加一反扭矩。以这种方式通过该系统形成一反扭装置。为了提高该反扭装置的能力，优选地，主舱51与配舱52之间的距离可以改变。

图5示出本发明中用于在海床上部属一载荷的系统50一可能的实施例的详细视图。图6示出根据上面图5的系统。

系统50包括一主舱51，一配舱52和一臂53。该臂可从主舱51上拆下。这意味着主舱51也可以单独用作一舱系统(见图9和10)。

该臂53上设置一槽54。在该槽54相对侧设置了两个千斤顶57、58。其中至少一个可相对于另一个移动。在这些千斤顶57、58的端部表面之间可夹持一物体，如一起重块100。为了改进千斤顶57、58与物体之间的接触，千斤顶的各端部装有夹紧瓦，该夹紧瓦衬有一摩擦元件60，该摩擦元件60由一高摩擦材料如专用橡胶制成。

如图5所示，系统50中设有推进器56。使用中，这些推进器56可用于相对于目标区域对系统进行定位。该推进器56可从一主要位于系统50中的一第一位置起动，到达推进器伸出系统50之外的一位置。

图6中示出，在主舱51顶部有两个位置61、62将主舱联接到第二起重钢缆45和/或供应缆46上。当主舱51单独使用时(图9和10)，可使用位置61。当舱51被布置时主舱51将得到平衡，不论是在空中还是在水下。

当使用系统50时，船40与系统50之间的联接将固定在位置62，从而在空中和水下保持系统平衡。为了改进系统的平衡，可将一辅助配重55固定到系统50上。

使用中，装置50不会有任何浮力，为了提高系统在水下的可移动性，臂53设有孔59，以避免由于在下降时不断增加的压力而引起的结构损坏并在回收阶段确保快速排水。

如上所述，如果配舱52可相对于主舱51移动则是有利的。这可以用千斤顶64a来实现。图7中详细示出将配舱52安装在臂53上。

根据本发明的系统50的操作如下：

当将载荷43从船40部属到海床上时，将使用一起重钢缆42将载荷部属。为了在部属时控制载荷的位置，根据本发明的系统50将靠近底端固定到起重块100上。在系统50中推进器56从船40上遥控操作。系统50设置有传感装置，以便能够与船40联络。当载荷43不沿正确方向移动时，载荷的位置可通过以一自动方式起动系统50中的推进器56而调节。

参照本发明，可通过在部属载荷过程中借助于一独占的软件设计接合几个表面和声学参照系统来完成定位，该软件设计包含最少量的下列组合：

DGPS(差动全球定位系统)

SSBL-HiPaP(超短基线)

多普勒效应和指北陀螺仪

另外参照本发明，当载荷到达其期望的深度后，将通过使用一高分辨率声纳装置完成其定位，该高分辨率声纳装置与一测距装置和至少一个固定物体对接，然后能够将定位活动与海面支持设备分离开，并从任何其它声波发射装置如LBL(长基线)阵列分离开，同时在一大半径内获得厘米级的精度。

应该理解，根据本发明的装置不需指导就可操作。

图8中示出主舱51的一种可能的结构。主舱51包括一外框架83和一内框架(未示出)。该内框架优选地是一圆柱形。通过将外框架83联接到该内框架，可获得一非常牢固的结构。为了避免系统过早疲劳，该结构的强度是必须的。

舱51例如部分由高强度钢制造，并设计成用作第一或第二起重钢缆42、45的完整部分。这意味着舱51的顶侧将与起重钢缆45的第一部分联接，而舱51的底侧将与起重钢缆45的第二部分联接，或者舱51的底侧将直接与载荷连接。以这种方式，起重钢缆上的载荷将穿过舱51输送。

如上所述，舱51设置有用于将由供应联系缆46传送的电能转换为液压能的装置84。这些转换装置84包括一电机、一泵、一管道和一液压系统油箱。为了与船上的操作者联络，舱51还包括传感装置和控制装置。舱51上装有一摄像机/传感器接线盒85和光接线盒86。另外，舱51包括光源87、一俯仰/起伏倾斜仪传感器88、一陀螺仪89和声纳装置90。

舱51还装有一多普勒单元91、一深度温度计单元92和一摇摄/摇动摄像机93。在舱底侧固定有一微亮单元94、一高度计95、一水声器96和一可变焦彩色摄像机97。

如上所述，当载荷到达其期望的深度后，将高分辨率声纳装置与一测距仪一起使用对于获得所需的精度来讲是很重要的。该声纳装置用于相对于至少一个定位在海床上的物体确定位置。使用测距仪，然后能够将定位活动与表面后援船分离开，并从任何其它声波发射装置如LBL(长基线)阵列分离开，同时在一大半径内获得厘米级的精度。

通过舱51可以对载荷的位置进行操纵。由于锚定链42的重量将由第一起重装置41抬起，且仅有相对较小的重量由第二起重钢缆45支承，舱1的运动自由度相对较高。这意味着，尽管锚定链42和载荷43的重量非常大，载荷43也能以一相对高的精度放置到其目的地。

参照图9和10，应该理解，系统可以使用一起重船，也可以使用一锚定操纵拖船(AHT)。在AHT后援船的情况下，主起重钢缆用于将载荷42下降到海床，而第二钢缆45的作用是通过系统拾起一些载荷，从而在主钢缆中产生一“腹部”，并仅使用该系统的推进能力提供一偏移半径，从而将载荷定位在其期望的位置。

第二起重钢缆45与舱51的组合，使这些工作，如锚43的定位，能够用比目前使用的现有技术中的船小得多的船以很高的精度完成。

图9中示出设有一锚定链42的锚43。现有技术中已知的锚定链具有每米250千克的特定重量。当这种链下沉2000米后，链的全部重量不小于500吨。当锚定链端部连接一个例如75吨的重量时，锚自身的重量仅是锚和链的总重量的很小一部分。

图10中更明显地示出了使用舱51的优点，例如在锚43放置在海床上的情况。在目的地周围下降了如此多的锚定链42，以至于锚定链42支撑在海床上。因此锚43将相对锚定链长度被抬起很小量。然后通过舱51，锚可以移动到所要求的目的地。这样从锚到海床4的锚定链的长度决定了锚43可以定位的活动半径。

图11中示出可以与本发明的系统50一起使用的一起重块100的实施例。

由于系统50能够精确地定位起重块100和载荷43，也能够用该系统将物体从海床上收回。上面已说明存在千斤顶57和58。这些带有可替换的起重块100的千斤顶57和58可以用于部属和收回物体。

起重块100在其相对侧部设有通孔101。当起重块定位在装置50中的槽54中时，可移动千斤顶57和58通过孔101。当一物体，如一垫石103上设有一T形突起时，可通过移动千斤顶57和58穿过孔101而释放和收回该物体。

图12中示出舱51的一实施例，该舱51适于部属一卷筒件。舱51设有一球形液压转子120，该液压转子120与一装有千斤顶122的液压底座框架联接。通过操作千斤顶122，可以完成卷筒件123的所有平面的任意定位。

本发明的系统50还可用于将一柔性竖管131联接到一竖管底座上。为了避免在柔性竖管材料中产生多余的应力，该系统可设置一支承臂130，向柔性竖管的底部提供足够的刚度，从而联接到竖管底座上。

系统50和本发明的方法的一个优点是，减少了与完成重物放置相关的危险。

另一个优点是，几个用于物体的所需部件的初步设计和制造可以更精确地完成。原因在于，在将物体定位在海床上的过程中对于可获得的精度有了更多的确定性。

在前面的说明中多次提到，本发明涉及重物在海床上的定位。必须知道，本发明可有利地用于将物体从海床上吊起或升起。

Claims (17)

1.设备(50)，用于将一载荷(43)部属在海床(4)上，该载荷(43)与起重装置(42)联接，从而能够将该载荷(43)从一船(40)下沉到海床上，该设备(50)包括一本体(53)，该本体(53)具有可释放地将该载荷(43)固定到本体(53)上的装置(57，58)，及用于在海中移动该本体的推进装置(56)，该推进装置包括第一组推进器，所述第一组推进器偏离用于可释放地固定该载荷的装置(57，58)定位，其特征在于，所述设备具有一传感器(89)以提供关于所述设备所处位置的数据，并允许驱动所述第一组推进器中的所述推进器，从而为防止载荷(43)的转动提供扭矩控制而不使用导向缆索。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述传感器为指北陀螺罗仪(89)。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述推进装置包括第二组推进器，从而当所述第一组推进器提供所述扭矩控制时，所述第二组推进器对所述设备提供平动控制。

4.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述第一组推进器包括第一推进器和第二推进器，它们位于可释放地固定该载荷(43)的装置(57，58)的两相对侧上，所述设备设有用于调节第一和第二推进器之间距离的装置，以改进扭矩控制并使整个结构的应力周期最小。

5.根据权利要求4所述的设备(50)，其特征在于，所述第一推进器位于第一舱(51)中，而所述第二推进器位于第二舱(52)中。

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述第一舱(51)可拆卸地固定到所述设备上。

7.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，用于可释放地固定一载荷的装置包括液压千斤顶(57，58)。

8.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，设备中用于可释放地固定一载荷的装置包括专门设计的连接器。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，该连接器覆盖有一高摩擦介质。

10.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述推进器可从大部分位于所述设备内的第一位置被驱动到推进器伸出所述设备的一位置。

11.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述设备设有用于沿海床(4)上物体的方向传送信息的装置，用于接收传送到物体上的信号的反射的装置，及一对该反射信息进行处理从而确定所述设备相对于该物体的位置的处理器。

12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述设备设有一测距仪。

13.根据权利要求1所述的设备的用途，其用于将一载荷从一船部属到海床上，其特征在于，包括下列步骤：

·将所述设备连接到一载荷(43)上，该载荷与第一起重钢缆(42)连接；

·通过所述第一起重钢缆(42)朝海床(4)移动所述载荷(43)；

·给所述第一起重钢缆(42)施加一反扭矩，从而抵消所述第一钢缆(42)在将该载荷(43)下放到海床(4)过程中所产生的扭绞和转动。

14.根据权利要求13所述的用途，其特征在于，在该载荷的部属过程中，通过一第二起重钢缆(45)至少部分地抬起该载荷(43)。

15.根据权利要求13或14所述的用途，其特征在于，在该载荷(43)的部属过程中，设备(50)的定位是用一结合有一液压定位参照系统(HPR)、一多普勒装置及一光纤陀螺仪的一差动全球定位系统(DGPS)导向系统完成的。

16.根据权利要求13或14所述的用途，其特征在于，包括下列步骤：

·放松所述第一起重钢缆(42)直到所述第一起重钢缆(42)至少部分的位于海床上；

·通过所述第二起重钢缆(45)提起该载荷(43)和所述钢缆(42)的一部分；以及

·通过所述设备操纵该载荷(43)的定位。

17.一种系统，其特征在于，其包括根据权利要求1所述的设备和一船(40)，所述船(40)被布置成可远程地操作所述设备(50)。

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