CN1144290A - 采用小直径、受拉的、油井回接套管的海上固定平台结构 - Google Patents

Abstract

一种固定式、非依从式、非浮式海上平台，由于其用拉力而不是用中间横向支承来支承自海底平面附近向上延伸到水面以上的甲板平面的那部分油井套管，因此其承受的波浪、风、水流和钻井设备载荷都减小了。构成油井套管系统的全部套管中仅有最小的一或二根油井套管从海底延伸回到甲板，这进一步减小了结构所受的横向载荷。

Description

采用小直径、受拉的、油井回接套管的海上固定平台结构

本发明总地涉及固定式海上平台结构，尤其涉及这样的平台结构的配置，即，其中仅有最小的一或二层油井套管从海底延伸回到平台甲板，并且这些管是被支承于受拉状态。

所有海上油井和天然气井都是从一称作“导管”的穿入海底以下数百英尺的管子开始。传统的作法是，导管沿其长度具有恒定的直径，通常是从24到30英寸。导管通常是从海度延伸回平台甲板板面。然而，在井是从一浮式钻井船上钻得时，导管仅从海底向上延伸5到10英尺。导管的主要功用是在钻井过程中提供一承受井件重量的支座。对于向上延伸回甲板板面的导管来说，它还具有附加功用，就是支承和保护处于钻井机与海底之间的水和空气区域内的套管，油井的其余部分包括一个衬有几层被称作“套管”的同轴钢管的孔，其中每一层套管都比其外一层套管直径小且伸入海底更深，直至最内一层直径最小的套管从井的顶部一直伸至含有油气的地层。一个典型的油井，除具有导管外，还可能有直径为20英寸、13英寸、 英寸的套管，甚至可能还有一直径为

英寸的套管。

油井是从钻一个直径比导管的内径小但比第一层套管的直径大的孔开始。当此第一个孔达到预定深度(通常在海底以下2000英尺的范围内)时，将用管段装接起来的第一层套管下入该孔内直至其差不多达到孔底。将这根套管悬挂于导管的顶部并对其与导管之间的空间灌浆至导管的底部，然后泥浆升高进入导管内直至至少达到与海底平面对应的高度。每层后续的套管都以同样的方法安装，并向其与其外的那一层导管之间灌浆到至少达到与海底平面对应的高度。为完成油井，要敷设生产管系，把含有油气的生产区域隔离起来，以便碳氢化合物从被穿透的地层流入生产管系并上升至平台。

延伸于泥浆管线与平台甲板之间的那部分导管必须能承受由波浪、水流和风等海上环境施加的水平载荷。由于从泥浆管线到甲板的距离通常远大于导管作为一不受支承的并受侧向载荷的柱子所允许的跨度，因此导管应依靠穿过建造于结构中的套筒而在各适当的高度上支承于固定平台。各套筒将施加于导管上的水平载荷传递到平台主要框架构件。这些载荷在海上固定平台的设计中是很重要的。

海上油井可用一在平台本身上架设起来的称作“平台钻井机”的钻井设备来钻取，也可用一不是由平台结构支承的钻井机来钻取。平台钻井机由多个模块化的结构组成，其由平台上的起重机或大型浮式起重机吊到平台上而后钩接拼装在一起。这种类型的钻井机由于其重量和迎风面积而对平台施加一很大的载荷。这些载荷对平台的建造成本有很大的影响。这种方法一般用于有足够多的一组油井，通常为9个或更多，由一个平台来支承的场合。

也可以不用平台支承的钻井机，而用一种基础打在底下的称作“顶升装置(jack-up)”的自升式钻井机或一种浮式钻井机来钻海上油井。自升式钻井机一般是为水深不超过300英尺而设计的，而浮式钻井机可在300英尺到10,000英尺深的水中钻井，当然也有少数例外。对于这两种钻井方式，仍然是由结构像上面描述的和下面还将描述的那样支承着油井，但并不是通过支承钻井机来支承的，因此平台结构可以建造得比较轻，因而也比较经济。

原来的作法是，将自升式钻井机侧靠定位于前已安装好的平台，将其井架设在导管的上方，并采用与平台钻井机相同的技术连续钻每一口井。后来，开发出了称作“泥浆管线悬挂和回接套管系统”的钻井技术和套管设备，它允许自升式钻井机在安装平台之前钻井，然后暂时地断开海底到海面之间的导管和套管的管段而离开钻井现场。该技术具有允许平台建造和钻井操作同步进行的特殊优点。通过对泥浆管线悬挂和回接套管系统增加一海底井口，浮式钻井机也能在安装平台之前预先钻井，然后断开连接而离开。

一旦平台安装好，回接套管设备便允许在海底将油井套管重新连接起来并向上延伸回到平台甲板。这是用一种称作“修井/回接(workover/tieback)”钻井装置的平台型钻井机进行的最经济的做法。这些钻井机由于其只须支承下到泥浆管线的套管，因而比整装钻井机要小。在这种情况中，导管本身可以或者也可以不向上延伸回到甲板。但是，习惯的做法是，至少将第一套管加上直径较小的各套管中的一个(如果不是全部)向上延伸回到甲板。这就意味着平台结构仍然必须支承某种中等尺度的钻井机，同时还要承受由波浪、水流和风施加在大直径套管上的水平方向的环境载荷。

由于在超出了固定式平台之经济性的水域的发展，发展了浮式平台概念，尤其是绷紧索腿式平台(TLP)和筒状平台(Spar)。绷紧索腿式平台是一只半潜式船，它靠拉紧于海底基础的多条钢索和船在海面的浮力保持其位置。筒状平台是一只浮式的靠悬链线形态的系缆系泊定位的竖直筒体。这样结构配置提供了有效的深水中平台支承系统，但是没有可用在浮式平台与海底之间用于为回接的油井套管在其长度方向以一定间隔提供横向支承的结构系统。

为提供这种支承开发了一种两部件解决法。首先，将每一回接的套管拉得足够紧以省去在两种类型的浮式系统中对中间横向支承的需要。在绷紧索腿式平台上，由于船的横向移动量大以及垂向移动量虽小些但仍须考虑，因此用一种称作“张紧器”的复杂机械装置来保持每一套管承受恒定的张力。对于筒状平台，这种张力用附连于每一套管的专用浮箱来保持。其次，对于这两种系统，仅有最小的(或许两个最小的)套管柱被回接。通常，这是前面对固定平台所述的最后一根(直径 英寸的套管)而不是第一根(直径20英寸的套管)。较小的套管重量轻而且承受波浪力的轮廓也小得多。这就使支承套管重量和其横向载荷所需的张紧力小得多。

从绷紧索腿式平台、筒状平台和其他浮式装置的研究中，已经为通常称作“受拉的立式生产管”的回接套管柱开出了合适的设计方法。受拉立式管的设计和建造是本技术领域的人员所熟悉的。此外，包括张紧器以及泥浆管线悬挂和回接套管系统的必要设备都得到了很好的发展和商业应用。

受拉立式管原理最近被用于依从式塔形平台(Compliant Tow-er Platforms)，它是一种既不同于固定式平台也不同于固定式平台也不同于诸如TLP和Spar的浮式平台的海上工程结构。采用受拉立式管原理的依从式塔已由斯摩棱斯基(Smolinski)、莫里森(Mor-rison)、胡特(Hute)和马歇尔(Marshall)设计开发，并在1994年海洋工程技术会议(OTC)的第7450号论文中描述。

海上固定平台工业的高度专业化的性质在改进现有技术方面提出了一些问题。海上平台的设计者都知道，海底以上的油井导管对平台施加了总环境载荷中的很大一部分(通常为百分之二十到三十)。然而，由于平台设计师向来是利用石油公司的钻井和生产专家所提供的具体依据来进行他们的设计，因此为了进行一种能胜任的和安全的设计，他们无需了解许多钻井技术。石油公司在那些负责采购平台的和负责指导钻井与油层开发的技术人员之间进一步专业化了。由工业上的专业化所造成的自然信息沟通间隔已阻碍了更有效的装置的设计开发。

本发明旨在通过将现有油井回接技术对称作“固定式平台”的这一类海洋工程结构做一种新颖的应用来解决上述问题，这里的固定式平台是包括底下有基础的、非依从式的、有桩脚的或重力式海上工程结构的所有变化形式，例如，传统的钢底座平台、小型平台、沉箱、有撑条的沉箱、有撑条的击入式管子；还有牵索张紧的非依从式塔、沉箱和击入式管子。这一回接技术最初开发应用于绷紧索腿式平台(TLPS)，其后又应用于依从式塔形平台，而本发明现将其应用于固定式平台。

采用这一回接技术的、由固定式平台支承的油井将采用泥浆管线悬挂和回接套管系统设备来钻成。油井既可预先钻取然后再安装平台，也可从平台上钻取。在任一情况下，仅有最小的一或两根套管柱被回接到固定平台的甲板。有几种不同的套管回接组合可供选择，但每一种都是同一设计思想的变化形式；就是说，要利用如下的方法来尽量减小每口井对作用于固定式平台的总载荷的贡献：1)尽量减小暴露于环境载荷的最大套管柱的直径，2)尽量减少套管的横向支承所需结构的数量，3)尽量减小完成回接操作所需的设备(钻井装置)的尺度。

尽量减小最大回接套管柱的直径可有三个主要优点。第一，作用于平台结构系统的水平总载荷显著降低，因而可减少承受这部分载荷所需的结构的数量和成本。第二，在现有技术中要回接的额外套管柱的成本被省去。第三，仅回接直径小的套管，与固定式平台的现有技术中使用的直径较大的套管相比，可允许一小得多和轻得多的修井/回接装置进行回接操作。较小的钻井装置不仅使平台更轻便、更经济，而且，租用、转移和操作较小的修井装置的费用也低于一较大的修井装置。

以拉力支承套管而不是用传统的横向支承的主要优点在于，它省去了单单为与此目的而需设置的构架，诸如水平框架构件、套管引鞋和套管引鞋支座。取消这种结构不仅可省去其制造费用，而且也消除了这些构架带给整个结构的波流载荷。

为便于更好地理解本发明的性质和目的，下面结合各附图进行描述，各图中同样的部分用同一标号表示：

图1是海上固定式平台的一种传统回接套管配置的侧视剖面图。

图2是本发明的回接套管配置的侧视剖面图。

图3是本发明的另一实施例的侧视剖面图。

参照各附图。图1示出了一海上固定式平台的一种传统的油井回接套管配置。固定式平台结构10从一支承在海底14上的导管架或称支承结构12开始构成。甲板16连接于支承结构12并由其支承于水面17以上。导管18穿入海底14一预定的深度以竖直地支撑油井。多个同轴套管22穿入海底井内至不同的深度。对各套管22之间和与导管18之间以现有技术中的方法注入水泥或灌浆至海底平面以上一定高度。所有套管22都在灌浆高度以上和水面以上延伸至甲板16。海底与甲板之间的横向支承以套管扶正器24和装于支承结构12和甲板16的水平支承框架构件26的形式提供。

图2所示的本发明，既减少了来自套管本身的波浪载荷，同时又省去了图1所示的传统的油井套管横向支承。在井的从海底稍上至油层的部分对套管22和导管18一起灌浆。然而，只有用数字28表示的最小的那根套管延伸至超过靠海底的导管内的灌浆高度以上并达到海上固定平台甲板16。套管28由图中所示一支承装置30支承在甲板16上或其以下。将套管28以足够的拉力支承以省去对由图1中所示的套管扶正器24和框架构件26提供的横向支承的需要。省去这些框架构件既消除了这部分构件本身的重量，又消除了会由这些构件引起而加到作用于结构的总波浪载荷中去的那部分载荷。由于使用中的固定式平台只有非常小的横向偏移和可忽略的竖直移动，因此，既不需用所述用于绷紧索腿式平台的拉紧器也不需要所述用于筒状平台的专用浮箱来支承回接套管。这样，昂贵的维护费用高的设备就由相对便宜的、用于在甲板16处为套管28提供一持续拉力的设备30所取代了。

充分利用本发明之优点的海上固定式平台的一实施例的一个例子就是导管架型结构的一种三腿支撑结构。与四腿或多腿结构不同，具有三条支撑腿和垂向桁排形式的相连构架的三脚架式平台是能自然地形成三角形而稳定的，无需任何在水平平面内的附加构架。在现有技术中，需要有附加的水平构架来专用地支承油井导管和套管。本发明无需对这些三脚架式结构增加那种水平构架，因而能最大程度地提高结构框架的效能。

在通过三腿支撑实际应用的结构比较分析来开发本发明中，对采用这一思路的设计的分析结果出乎意料地好。由于不需要海底与平台甲板之间的套管支承构架，发现这不仅省去了支承导向件及其支承结构，而且还有可能省去结构中几乎每一高度上的任一类型的全部水平构架。由被取消的构件所直接产生的钢材重量的节省，以及由于载荷减小所允许的保留构件的钢材重量的减少，在节省的性质和数量上都显著地超出了预期指标。例如，没有采用本发明的、用于有6个井的、1,000英尺水面的三腿支撑平台设计，与充分利用本发明之优点的设计的预期重量和实际分析重量比较如下：

采用横向支承回接套管的传统设计	11,000短吨
		采用本发明的拉紧回接的预期设计结果	9,500短吨
采用本发明的拉紧回接的实际设计结果	7,200短吨

在采用本发明改进三腿支承设计的过程中发现，由于在通常情况下会增加平台载荷的其他构件也随着基本构架的减少而减少，因而每次重复设计的结果都是钢材重量的进一步减小。这些减少包括用于牺牲的阳极材料的重量节省和其所引起的波流载荷的减小以及海洋附生物所引起的波浪载荷的减小。由于随着进一步分析重复设计的重量越来越小，使得导管架可用现有的普通浮式海上设备以一整体形式吊装于海上。这既省去了下水桁架结构(占导管架总重量的百分之十五到二十)，又省去了分两件次吊装平台导管架的额外费用。

图3示出了本发明的另一实施例，其中，由标号28和32所指的最小和次小的两套管22用支承装置30来保持于受拉状态。这种配置可用于完井和油层设计中在甲板16与靠近泥浆管线的井口之间最好设置附加的管道的情况。

还有另一实施例，其提供了用以支承最小的一或二根套管柱的传统的横向支承与拉紧方法的一种组合。

还有再一实施例，它是用一脊柱或其他构件为最小的一根套管或作为一组的二根套管提供横向支承，其中套管支承以如此紧密的间隔布置，以致不需要施加拉力。

因为在本文所述的发明原理的范围内可有多种变化不同的实施例，并且，本文中按照专利法对描述的要求所述的实施例可有许多变化方案，因此，应予理解，本文的详细叙述应被看作是说明性的，而无限制的意思。

Claims (2)

1.在具有一固定于海底上的支承结构、一由所述支承结构支承于水面以上的甲板、一穿入海底的导管、以及延伸于所述导管内的钻井中和海底平面以上的多个同轴油井套管的固定式、非依从式、非浮式海上平台结构中，一种改进的采用一种油井套管回接配置的平台结构，包括：

a.各油井套管灌浆至海底平面，即各套管之间以及与导管之间灌浆至一稍高于海底平面的高度；

b.只有各油井套管中的最小那根套管延伸到灌浆高度以上并一直延伸到水面以上的平台结构；

c.所述最小的那根油井套管由海上平台结构支承于受拉状态，因而，在水面以上的甲板与海底之间不需要由海上平台结构为所述最小的那根套管提供横向支承。

2.在具有一固定于海底上的支承结构、一由所述支承结构支承于水面以上的甲板、一穿入海底的导管、以及延伸于所述导管内的钻井中和海底平面以上的多个同轴油井套管的固定式、非依从式、非浮式海上平台结构中，一种改进的采用一种油井套管回接配置的平台结构，包括：

a.所述各油井套管灌浆至海底平面，即各套管之间以及与导管之间灌浆至一稍高于海底平面的高度；

b.只有各油井套管中的最小那两根套管延伸到灌浆高度以上并一直延伸到水面以上的平台结构；

c.所述最小的那两根油井套管由海上平台结构支承于受拉状态，因而，在水面以上的甲板与海底之间不需要由海上平台结构为所述最小的那两根套管提供横向支承。

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