CN1294654A

CN1294654A - 在大深度上安装的水下管道的底部至表面连接方法及系统

Info

Publication number: CN1294654A
Application number: CN00800185A
Authority: CN
Inventors: 雷吉斯·皮纳提; 格扎维艾·罗谢
Original assignee: Bouygues Offshore SA
Current assignee: Saipem SA
Priority date: 1999-02-19
Filing date: 2000-02-17
Publication date: 2001-05-09
Also published as: ATE324512T1; OA11541A; EP1073823B1; DE60027511D1; BR0004931A; FR2790054B1; US6461083B1; FR2790054A1; AU2809200A; ID28051A; WO2000049267A1; BR0004931B1; EP1073823A1

Abstract

本发明涉及用于安装在大深度上的水下管道的底部至表面连接系统,该系统首先包括:一个竖直的塔,该塔由至少一个与锚系(6,8,16)配合工作且承载至少一个适于降至海底(18)的浮子(5,14)构成,所述系统其次包括至少一个从所述浮子(5,14)延伸至表面支承体(1)的连接管(4,3)。按照本发明,所述连接管是升管,其壁由刚性的钢管构成,所述浮子(5,14)安装在位于最后温跃层下面的深度上。

Description

在大深度上安装的水下管道的底部至表面连接方法及系统

本发明涉及在大深度上安装的水下管道的底部至表面连接方法及系统。

本发明的技术领域是从水下井口进行水下开采油、气或其它可溶或易熔物质或矿物悬浮液的上升生产管柱的制造和安装领域，其目的是为了发展近海安装的生产场地。本发明的主要应用是在石油生产领域中。

本发明涉及公知的连接领域，这种连接领域包括一个锚定在海底的竖直的塔，该塔具有在塔顶的浮子，该浮子连接于一个浮动支承体，该支承体借助一根管安装在表面上，管的自重使其呈现垂曲线形状。

在本说明书中，生产场地被认为是油田。一旦这种油田水下深度变大，它们就从浮动支承体运作。井口往往分布在整个油田上，生产管道，以及注水管道和控制指令缆设置在海底，铺向一个固定位置，该位置具有一个浮动支承体，该支承体在该位置上方竖直设置在表面上。

一般来说，浮动支承体具有锚定装置以便使其保持在位而不受水流、风及浪涛的影响。它一般也包括油的储存和加工装置，以及将油卸载到卸载油船上的装置，油船定期到达以便将生产量运走。这种浮动支承体称为“浮动生产储存和卸载”(FPSO)支承体，在本说明书下面都使用缩写“FPSO”来称谓这种支承体。

这种FPSO借助锚线从浮动支承体的每个角部锚定，在这种情形中，不管周围条件怎样FPSO都基本保持不变的方向(heading)，或者，FPSO具有一个固定在其结构上的角塔，由一系列锚线锚定。在这种情形中，FPSO可相对于角塔自由转动，由角塔保持不变的方向；在这种情形中，FPSO呈现相应于风、水流和船体上的浪涛形成的合力的方向。在下文中，底部至表面连接大都被描述为连接于FPSO的被锚定的、因而具有不变方向的侧面，而如果FPSO具有一个角塔，那么，其应该连接于角塔本身(如图6所示)。

底部至表面连接管道被称为在本说明书中使用的术语“升管”，它可以呈现连续地从设置在海底上的管上升并直接通至FPSO的管，因而其呈现垂曲线形状，其相对于FPSO上的竖直方向的角度一般在3°至15°的范围内(垂曲线升管)。

当水深小于数百米时，这种连接必须使用挠性管，但是，当水深达到或超过800m至1000m时，挠性管可被牢固的刚性管取代，这种管由焊接或螺纹连接的刚性材料如复合材料或厚钢板制成的管状构件构成。这种厚的牢固材料构成的垂曲线形状的刚性升管通常称为“钢垂曲线升管”(SCRs)缩写SCR在本说明书中使用，而不管所述升管是钢制的，还是由其它材料如复合材料制成的。

挠性管和SCR型刚性升管，当只承受重力时，以及当它们具有相同高度时，在连接于FPSO的情形中表现出相对于竖直方向的相同的角度，并且在其整个悬置长度上具有相同的曲率。从数学上讲，这种弯曲是精确限定的，被称为垂曲线。但是，从技术上讲，SCRs要比挠性管简单得多，也便宜得多。挠性管是复杂、价格高的结构，它们是由多个螺旋缠绕的套和复合材料制成的。

某些油田的深度大于1500m，可能深达2000m至3000m。每个SCR在FPSO上引起的张力可高达250至300公吨，发展某些油田所需要的大量升管需要显著增强所述FPSO的结构，如果右舷和左舷装载不同，可能引起不平衡。另外，在FPSO绕其平均位置作圆形运动期间，SCR形成的垂曲线发生改变，在海底上的接触点与FPSO运动相同的速率前后及左右移动，使管的一部分上、下波动。这种运动长期反复进行，在不坚实的海底挖出一条沟，而这种海底在大深度上是常见的，如果这种现象显著就会改变垂曲线的曲率，存在管受损的危险，即，水下管道可能受到损坏和／或SCRs可能受到损坏。

由于这种设施中存在大量线路，因而最好采用塔式技术方案，其中，管和缆在塔根部会聚并向塔上升起，直至表面，或直至靠近表面的一个深度，然后，挠性管从该深度延伸，形成塔顶和FPSO之间的连接。塔则设有浮子装置以保持其竖直位置，升管在塔根部通过连接套筒连接于水下管道，所述连接套筒使塔可作角度运动。所形成的组件通常称为“混合式升管塔”，这是由于它采用了两种技术：第一种是竖直部分，塔，是由刚性管构成的，第二种是升管顶部是由将塔顶连接于FPSO的垂曲线形状的挠性管构成的升管顶部。

1982年12月17日公开的、题为“水中大深度升管柱”的法国专利FR2507672公开了这样一种混合式塔，它包括一个表面浮子，该浮子通过挠性管连接于FPSO，并承载悬置导向器，只有竖直的流体输送管穿过该导向器。这种混合式塔通过张力下的缆锚定在海底上，缆使这种组件有一定量的竖直运动的灵活度，管的底部是自由的，在支承它们的海底上形成弯曲。

这种混合式塔的优点在于，自由度使FPSO可从其正常位置上移开，同时在塔中并在管的那些呈悬置的垂曲线的部分中引起微小的应力。不管是在海底处或在表面处。FPSO一般借助连接于放在海底上的锚系的多条锚线来锚定。这种锚系会引起将FPSO保持在中和位置上的返回力。这种底部至表面连接引起附加的竖直和水平力，这些力具有使FPSO的轴向相对于所述中和位置偏置的作用。在没有水流、风和浪涛时，以及当海潮处于平均水平时，FPSO的位置相应于“基准位置”Po。在环境条件对FPSO外壳及构成升管的各构件的综合作用下，FPSO将与作用于系统上所有力的合力区域比地移开上述基准位置。

因此，对于作用在FPSO外壳上使其移离塔的轴线的力来说，观察到下述作用：首先，垂曲线被拉伸，它相对于它在FPSO的连接点上的竖直方向的角度增加，从而增加了在FPSO上的竖直和水平力；第二，由于所述水平力引起的塔的倾角也增加。

为尽量减小FPSO偏移的影响，一般的作法是增加锚系的刚度，并在底部至表面连接中提供挠性。为此目的，与垂曲线相关的塔的结构具有吸收FPSO偏移的大的能力，同时尽量减小塔的运动和垂曲线的变形。

为阻尼FPSO的运动，最好增加将其连接于塔顶的管的曲率。据信，挠性管很适于形成FPSO和塔顶的连接。在FR2507672所述的“混合式塔”的现有实施例中，以及在例如US4391332和EP0802302中所述的其它结构中，采用了压入式挠性管，即，采用了在再次升起之前，在浮子下延伸相当深度的管。这是可能的，因为挠性管甚至在其曲率使其曲率半径仅为几米时也能耐受疲劳。

但是，挠性管的内部结构很复杂，并且其成本很高，这就是现有混合式塔的实施例一直寻求将塔升高至尽可能靠近表面处，同时又避免表面处的紊流区，即，使塔顶处于一般不超过200米，且最好在大约50米的深度上的原因。这样就可以使用长度短的挠性管，从而降低成本，总之，这样就可以保证挠性管和塔顶之间的连接更易于被潜水者接近。

这样的混合式塔的或这样的垂曲线升管的所有构件，其尺寸必须能够承受在极端的海洋条件下的浪涛、水流和表面船舶的运动，从而需要能够承受高水平应力，并且能够在其整个寿命，通常为20年或20年以上的寿命中承受疲劳现象的相当大尺寸的浸入结构。

因此带来的问题是要能够制造和安装大深度例如深于1000米的水下管道的底部至表面连接，这种连接包括一个竖直的塔，其锚定在海底上，其顶部浮子通过垂曲线形的管连接于在表面安装的浮动支承体，同时只要限制在浮子手将其连接于浮动支承体上的管上的力，整个系统能够承受应力及疲劳，同时又要允许表面支承体的大位移而不要求大型、昂贵的结构，应能够方便地且可逆地设置在位，从而能够方便地保养和更换。

解决上述问题的一种方案是一种安装在大深度的水下管道的底部至表面连接系统，该系统首先包括一个竖直的塔，该塔至少由一个与一个锚系配合工作并承载至少一个竖直升管的浮子构成，竖直升管将浮子连接于海底并能够被连接于设置在海底上的水下管道，第二还包括至少一根从所述浮子延伸至表面支承体的连接管，按照本发明，所述连接管是一升管，它的壁是牢固的刚性管，特别是由钢或复合材料制成的。

对于刚性管来说，最小的可接受的曲率半径是挠性管的最小的可接受的曲率半径的10至100倍。为了限制疲劳，可以接受的是，钢制的刚性管的曲率半径基本应该大于大约100米。为了提供挠性，以及为了实现吸收浮动支承体的运动和塔的运动的相同的性能，当使用刚性管时垂曲线较小弯曲的情况是通过增加浮动支承体和塔顶处的浮子之间的距离，因而增加刚性管的长度来补偿的。但是，刚性管在水中的表观重量大于挠性管的表观重量，因而在浮子上的载荷和在塔顶处在浮子上的力增加。这可能导致浮子尺寸过大，因而导致高的成本。这就是按照本发明采取下述作法的原因，即，将塔的浮子的顶部安装在距离水的表面较大距离处，特别是安装在低于最后温跃层(其中的“温跃层”将在下文中定义)的深度上，最好在最后温跃层下面不少于100米。具体来说，塔的顶部浮子安装在水表面下至少300米处，推荐安装在水表面下至少500米处，最好安装在大于塔被锚定的水的深度的一半的深度上。

通过以这种方式降低塔的顶部浮子，可以同时取得以下优点：

-形成FPSO和塔顶之间连接的刚性管的长度增加，因而形成对塔及FPSO的运动的较大的阻尼；

-不管系统作为整体移动多大，仍符合垂曲线的刚性管的最小可接受曲率半径；

-使成本最低，这是由于对较矮的塔来说，水下结构较小，因而成本低，并且使其处于张力下所需要的浮子较小，因而成本较低，尽管与长度增加有关的水中表观重量加大，上述情形是确实的。这是由于垂曲线朝着浮子不上升或上升很少，因而构成垂曲线的刚性管的重量基本直接由FPSO来支承。

尽管如此，将塔保持一定高度，特别是不小于50米，最好不小于100米是有利的。这是由于通过使塔能够移动而有助于在FPSO运动的作用下对系统形成阻尼。

在一个推荐实施例中，锚系具有至少一个竖直的筋、一个所述筋的底端固定的底部的足部装置和至少一个导向器，所述竖直的升管的底端穿过所述导向器。更具体来说，上述导向器可以在足部装置上。所述筋最好也具有沿其整个长度分布的导向装置，至少所述竖直的升管穿过所述导向装置。

所述足部装置只可以放置在海底上，在其自重下保持在位，或者它可以借助桩或其它任何适于将其保持在位的装置将它锚定；浮子通过位于足部的挠性连接，以及通过由缆或由金属棒或实际由管构成的轴向连接而连接于所述足部装置。在本说明书中，轴向连接被称为“筋(tendon)”。

在一个推荐实施例中，所述竖直的升管的顶端通过至少一个导向器悬置，所述导向器固定在所述浮子上、设置在浮子内，或在其周边上，所述竖直的升管的所述顶部通过所述浮子连接于所述连接管的端部的弯曲部上，所述竖直的升管的底端适于连接在一连接套筒的端部，所述套管同样被弯曲，并可在一个高位和一个低位之间相对于所述足部装置运动，所述套筒从所述足部装置被悬挂，并与回位装置配合迫使其在没有升管时驱向其高位，所述回位装置可以由一个配重构成。通过设置能够以上述方式移动的连接套筒，就可以容许在温度和压力影响下升管长度的变化。

在竖直的升管的顶部，固定在升管上的一个支座装置抵靠安装在浮子顶部上的支承导向器，因而支承整个升管；该升管则被悬置，其在水中的表观重量受到浮子的部分浮力的支承。

在一个具体实施例中，沿筋的全长分布的、所述竖直的升管穿过的每个所述的导向装置包括一个最好设置在圆锥形漏斗下面的圆筒形腔，该圆筒形腔的内径大于竖直的升管的直径，每个所述导向装置具有一个固定在其圆筒形腔内壁上的挠性膜，因而形成在所述膜和所述内壁之间的袋，所述袋可以注入流体，最好是很高粘度的流体，以便抵靠在升管上。

摩擦蹄块最好与所述膜配合工作，以便当所述袋注入流体时抵靠在升管上。因此，所述蹄块使升管在温度和压力下改变其长度时可以滑动。

本发明的目的也是通过一种连接方法实现的，如上所述，该方法首先利用一个竖直的塔，该塔由至少一个浮子构成，所述浮子与一锚系配合工作，并承载至少一个适于向下伸至海底的竖直升管，该方法其次利用至少一个从所述浮子至一表面支承体的连接管，因而在本发明中，所述浮子浸入在位于最后温跃层(“温跃层”将在下文中定义和解释)下面的深度上，所述浮子通过至少一根构成所述连接管之一的牢固的刚性升管连接于所述表面支承体。

在本发明的连接方法的一个推荐实施例中：

-一个足部装置在海底放置在位，固定在海底上，筋的底端固定在其上，筋的相对的顶端固定在所述浮子上，上述组件构成所述竖直塔的所述锚系；

-所述竖直的升管例如从位于所述浮子竖直上方的浮动支承体，通过导向组件之一逐渐降下，直至其顶端抵靠所述浮子，然后，将其底端连接于预先安装在所述足部装置的连接套筒的顶部。

当其下移时，竖直升管最好连续地穿过固定在称为“筋(tendon)”的轴向连接件上的一系列导向器，从而保证将其保持在位，无论已经安装在相邻的导向器中，还是在以后的安装中都基本平行于所述筋及其它竖直升管。

在一个特定的实施例中，所述浮子安装得浸在一个大于锚定本发明的塔的水的深度的一半的深度上，因此，可以在安装前组装整个的竖直升管，并相应于浮子将其送至导向器竖直上方的一个位置，以便穿过导向器降下。

这样就形成一种用于安装在大深度上的水下管道的新颖的底部至表面的连接方法，解决了存在的问题。

对世界各海洋中水流的研究表明，从表面直至海底存在各个层。因此，在超过500米至1000米的深度上，在大西洋型构造中，如图1所示，观察到以下情况：

-在表面19下面至大约50米存在表面层18₁，在该表面层中水流是局部的，主要是由风和潮汐现象引起的。在这个区域中，在该层的深度上，水流大、基本上是均匀的，其速度高达2．5每秒米(m／s)，背离西非洲；

-称为“温跃层”的过渡层29₁可以有各种厚度，但是，它总是小厚度(3米至10米)的。在该过渡层29₁中，水流快速下降以匹配中间层的速度；

-中间层18₂中水流在0．5m／s至1／ms的范围内。该中间层从大约-55米至大约-150米，水流主要是气候现象引起的热流；

-一个第二过渡层29₂或称“温跃层”它也有各种厚度，但是是小厚度(≈10米)的。在该过渡层中，水流下降迅速以匹配底层的水流；

-在底层18₃中水流小，一般不超过0．5m／s。这种水流主要是由于水的洲际流动引起的。该层开始于-150米至170米，它继续直至海底12，即，向下至1000米至3000米，这取决于位置。

在某些海洋中，温跃层29可以在上部观察到，但是一般来说，底层183开始于-170米至-200米。

因此，由于按照本发明的塔及其浮子，如下所述，位于底部的温跃层29₂下面，它们应处在水层18₃中，这样可引起水流造成的最小应力。另外，浮子受到保护免受浪涛影响，浪涛的作用随深度迅速下降，常见的作法是当深度超过120米至150米时即将其忽略。因此，塔承受的力显著减小，由于是因洲际深水流引起的，因而在整个其深度上基本是均匀的。

因此，由塔及相关的SCR构成的本发明的系统可提供响应于环境条件，普通条件或极端条件如每年一遇条件、10年一遇条件及百年一遇条件的好得多的性能。力和应力非常显著的减小，各种关键构件的疲劳性能显著提高，因而在油田整个寿命中可提供更好的服务。

因此，浮子处于相当大的深度，它可以通过至少一个SCR而不是象目前的作法那样通过挠性连接件而连接于FPSO。SCR连接简单，另外，SCRs、竖直升管和放置在海底上的管道的内部结构可以是相同的，因而可以简化清洗刮板的通过。当有固体沉积如石蜡或水合物时，这种清洗刮板的经常通过是很重要的，必须反复地及有力地进行而不损坏升管和管道的内表面。

浮子一般安装在总水深的大约一米处，但是也可以安装得高些或低些，以便利用下述特定的情形。无论如何浮子不能位于靠近上述最后温跃层，而总是安装在较大一些的深度上，例如在温跃层下面100米处，以便保证它不致于承受温跃层产生的扰动，也不致于承受在顶层中，在显著改变的海洋运动的水流中发生行量范围的扰动时存在的水流。

SCR通过挠性接头连接于在浮子顶部的竖直升管，使塔的轴线和垂曲线之间在所述挠性接头处的角度较大地变化而不致在SCR上或浮子顶部上作用显著的应力。挠性接头可以是带有密封垫圈的球窝式接头，也可以是弹性体板和金属板粘合夹层制成的、能够通过弹性体变形吸收大角度运动量的分层球体，这种分层球体还可保持完全的防漏作用，这是由于不存任何摩擦表面的缘故，或者它也可以是一短段的挠性管，也可提供相同的作用。

本发明的系统最好装有在挠性接头处的自动连接器，可在塔和挠性接头之间，也可在挠性接头和FPSO之间。因此，这种SCR可以按下述方式安装，即，完全自动的方式而不需使用潜水员。安装程序包括安装塔、然后以竖直位置运输未来的SCR，并将其以最终的位置固定在FPSO的侧面上。然后借助遥控操作运载工具(ROV)操纵一条连接于未来的SCR的底端的缆，以便带至塔的顶部，以及连接于固定在浮子上的牵引装置并由ROV控制，ROV则提供必须的动力，同时也借助摄象机监视操作，摄象机的信号传至表面，供位于浮动维修船上的操作者使用。然后，所述缆被牵入，装有自动连接器的阳端件的SCR的端部被带至同一自动连接器的阴端件。在趋近阶段结束时，组件被锁定在一起，牵引装置被松释，以便能够被用于安装下一线路。自动连接器的原理是液压和气动专业技术人员公知的，因而本说明书中不再赘述。

这种安装方法的优点在于自动连接器设计得能够被脱开连接，因而是完全可逆的。因此，在工作中可作用在单一的SCR上，其目的是脱开连接并加以更换而不会干扰其余的生产，因而无需停止在相邻升管和SCRs上的生产。

同样，塔和升管最好采用下述顺序安装。

-将足部装置放置就位，并固定在海底上；

-安装设有导向器和顶部浮子的筋；

-以竖直位置运输组装好的竖直的升管，以便处于在浮子中的它的导向器的竖直上方；

-竖直的升管穿过其导向器逐渐被降下，降下的操作从表面加以监视；

-在降下结束时，升管的头部放置在浮子的顶部，升管头部包括一个弯部，以及例如所述挠性接头，该接头上具有固定在其上的上述自动连接器的阴部；

-竖直的升管的底端也最好装有自动连接器，最好设有自动连接器的阳部，这是由于它较小，所述组件可以连接于水下管道的端部，所述水下管道将塔的根部连接于一个井口，所述端部装有所述自动连接器的阴部。

以上述方式安装竖直的升管的优点在于，在所述升管的根部自动连接器同样设计成可被断开连接的，因而完全是可逆的。因此，在工作中可作用在单一的升管上，以便拆卸和更换而不干扰其余的生产，因而无需停止相邻升管和SCRs中的生产。

由于浮子安装在比总水深度的一半大的深度上，因而完全装好的升管能够以竖直的位置运输并通过浮子降下。如果浮子比水的深度的一半还高，那么，用于安装升管的船舶应该定位在浮子的竖直上方，升管的各构件应该在其底端穿过浮子和沿筋安装的各导向器下降时彼此组装起来，这种组装例如借助焊接、粘合剂或通过机械组装如螺纹连接、螺栓凸缘或卷边进行。在系统的推荐形式中，一般长度的预先组装的升管以竖直位置从远离塔的组装地点运输，所述长度短于留在表面和塔顶之间的水深度。按照这种方式，维修船舶可占据浮子竖直上方的位置，预先组装且在底端装有自动连接器的阳部的一段升管，准备向着并穿过浮子并穿过沿筋安装的各导向器降下。在其下移时，如上所述组装升管的缺少的顶端部分。

上述操作方法缩短维修船舶在塔附近停留的时间，因而减少事故的危险。因此，为了能够在以后的日期采取行动并以简单的方式拆除升管，最好采用适于快速、无破坏的拆卸的组装方法，例如螺纹连接，从而使升管可以从其支承件取出，使其可以通过旋下顶部的接续各段而被拆卸，但是，只拆卸足够的数目，以便从浮子的顶部松释升管的底部，其后，维修船舶可连同从其悬挂的升管的其余部分改变位置，在结束保养操作前驶向远离敏感的(sensitive)设备的位置。

为了减少维修船舶在塔竖直上方的存在，最好将浮子安装在大于总水深度一米的深度上，从而可使维修船舶装、卸整个升管而无需装、拆任何其构件，从而进一步减小在塔及敏感设备附近发生事故的危险。

通过阅读对照以下附图进行的描述式的、非限定性的说明可以更好地理解本发明的其它特征和优点。

图1是如前所述大西洋式构造中整个水深度的示意图，以每秒米(m／s)表示的水流值是沿横坐标给出的，各层的大致深度和相应的热时间(thermal times)是沿纵坐标给出的；

图2是在1500米深度油田开发的立体图，表示在表面的FPSO，回收油溢出物的中央塔和用于注水的两个侧塔；

图3是通过浮子的剖视图以及中央筋和两根升管的侧视图；

图4是塔的足部装置的侧视图，它包括两个升管、中央筋和用来连接于水下管道的两个套筒；

图5是具有单一升管的塔的足部装置的侧视图；

图6的示意图表示在深度为2000米的水中的、角塔锚定的、以及连接于处于1000米深度的本发明的塔的FPSO的静态计算；

图7是两条曲线的曲线图，这两条曲线表示作为深度为2000米的水中的浮子深度的函数、以及对于8％的移动来说的水平张力及锚定足部装置和FPSO浮子之间的水平距离的变化；

图8是两条曲线的曲线图，这两条曲线表示作为深度为2000米的水中的浮子深度的函数、以及对于FPSO和浮体间的距离为950米的情况来说的FPSO的移动及水平张力的变化；

图9是图3所示升管导向器之一的侧剖图；

图10是沿图9中A-A线的剖视图。

在这些附图中，除非另有说明，相同或相似的零件使用相同的标记。

图2表示一个FPSO1，其借助锚系(未画出)在水18下1500米的深度上锚定在油田上，例如，包括在左舷侧的一个支承系统2，其用于支承石油溢出物的SCR管和注水管4。石油溢出物SCRs通过浮子5的顶部连接于从表面19位于-800米处的一个塔，所述浮子5具有四个穿过位置，只占用其中的两个。所述浮子借助筋6连接于海底上的足部装置8，所述筋有多个导向器7固定在其上，升管9穿过导向器安装，所述升管在足部装置处连接于连接套筒11₁，连接套筒本身则通过中间连接块13连接于水下管道10；其它的连接套筒11₂用于安装相应的竖直升管。

两个相同的注水塔分别由浮子14构成，浮子14安装在从表面-1000米处，并借助一升管15连接于一足部装置16，升管15也具有筋的功能。一连接套筒17提供了升管底部和中间连接块13之间的连接。

位于从表面-800米处的石油溢出物塔的浮子例如位于从垂曲线形SCR连接的FPSO的侧面垂直向下的一个点侧向距离大约500米处，所述垂曲线水平地到达浮子，这样显著地便于水面船舶进行安装和保养操作而不致干扰FPSO的日常运营操作。另外，所述水面船舶可以占据塔的垂直上方的工位，并且可以调动而并不引起碰撞所述FPSO的永久锚线的危险。由于注水塔的浮子14处于表面下-1000米处，即，处于比上述塔较大的深度，它处于离FPSO侧面550米处。

图3是多升管塔的浮子5的剖视图及各有关构件的侧视图。例如，所述浮子5是由填有人造泡沫的浮筒构成的，并且通过一个连接装置14连接于中央筋6，所述连接装置在其底端具有一个可变的惯性件21，其用于在筋和浮子之间传递应力。浮子具有中空的竖直导向器22，其与导向器7的导向装置23对准，导向器7沿筋6以(可选择的一定)间距安装，并借助紧固装置24固定在筋上。导向器22可以在浮子内为整体的，或者也可以安装在其周边上，或者确定处于其中央部分上。导向器接受竖直的升管9，在图中左侧，升管9完全装好，并连接于SCR3，在图的右侧则刚开始升管9的自动连接器的阳端部25的插入。

所述自动连接器端部25连接于穿过导向器22，23向下至塔的足部装置8的引线缆26，在所述足部处装有返回滑轮27。足部装置8和图4中所示的滑轮27在图3中用缆的虚线返回线28表示。缆26升至表面至维修船舶，在那里由恒定张力绞盘保在张力下。因此，维修船舶位于升管9完全装好的塔的垂向上方，这是由于在本实施例中浮子5的-800米的深度大于升管9的700米的长度。一个ROV将引线缆26固定在自动连接器25的端部，在包括足部装置8、筋6和浮子5的组件就位之前，引线缆已预先安装。另一端被带至表面，以便连接于恒定张力的绞盘(未画出)。降下升管9₁的操作是通过在缆26中保持张力进行的，然后，所述张力使自动连接器的端部25接续地穿过每个导向器23₁。在缆26中进行上述操作所需要的张力随着塔的倾角的增加而增加。在塔上安装第一升管期间，塔将处于基本竖直的位置。在相应的SCR已连接于FPSO之后，SCR将在塔上施加水平力，因而使塔向着FPSO相对于竖直方向倾斜。当接续的升管安装时，上述角度增加，在缆26中的需要的张力成比例地增加。

图3中的左侧表示安装在其导向器22中的升管9₂，其端部30放置在导向器22的端部上，构成自动连接器的阴部，所述连接器的阳部31插入所述阴部，所述阳部连接于一个弯部32，该弯部本身连接于挠性接头33，该接头连接于SCR3的端部。

由于SCR的长度短于水的深度，且SCR被维修船舶装置远离现场，然后被输送向下吊至它被转送到的，其顶端所连接的FPSO。其底部装配有挠性接头33、弯部32和自动接头的阳部31，该底部连接于一根缆，缆的另一端由ROV转送至牵引装置(未画出)，该牵引装置固定于浮子，并且例如由ROV或通过ROV提供的动力驱动。当所述缆从浮子被牵引时，管呈垂曲线形状，当所述阳部31接近相应的阴部30时，借助液压和气动连接器领域的技术人员公知的装置(未画出)使两部分连接起来。当SCR3就位之后，支座34被安装在浮子上以抵靠弯部32上的环套35，从而接受SCR产生的水平力，并防止组件，特别是弯部绕升管9的轴线36转动。

图4是多升管塔的足部装置8的侧视图，它是由压载底板40构成，该底板放置在海底12上，支承着一个金属结构，该金属结构具有导向器31，以及一个中央挠性接头42，其适于接纳筋6的底端。图中有两个升管9，在图的左侧升管9₁通过自动连接器的阳部25₁连接于所述连接器的阴部44₁，其固定在引至水下管道(未画出)的连接套筒11₁上。如果承受温度变化，升管9可以膨胀，穿过沿塔分布的各导向器7滑动。在底部，底端的运动在极端变化下可这几米，因此，与其套筒11₁配合工作的升管9₁在固定于足部装置8的结构上的导向器41₁和49₁中竖直方向自由移动。

由配重48₁和经过固定在足部装置8的结构上的滑轮45₁的缆46₁构成的配重系统通过连接点47₁连接于套筒11₁上的加固部50₁。配重的尺寸使得在没有升管9₁时套筒保持在高位，加固部50₁通过导向器49₁抵接足部装置8的结构。在图的右侧详示了上述高位，在该高位上，升管9₂在自动连接器阳部25₂穿过最后的导向器41₂之后处于降下的过程中。从表面保持张力、用于牵引穿过各导向器的升管的端部的缆26已通过ROV脱开连接。然后，升管9₂被向下移动，直至阳部25₂接纳在阴部44₂中。在这种接合过程中，由于配重48₂的尺寸可支承至少套筒自重加上接合阶段所需的垂向力，因而套筒11₂仍处于其高位。在发生接合以后，升管9可以向下移动，直至其顶部抵靠在浮子上，套筒11则处于其低位上，配重被相应提起。

因此，在未来折卸升管9₂所需的工作中，ROV将使自动连接器解锁，在拔取升管的过程中，由于配重48₂的作用，套筒将返回其高位。升管9₂在修复后将按照初始安装的相同方式再次安装，这是由于本发明的系统的装置完全是可逆的。

图9表示升管9的导向装置7的细节，所述导向装置通过紧固件24固定在筋6(未画出)上。导向装置7由圆锥形漏斗7b下面的圆筒形管7a构成，当使升管就位时引导自动连接器(未画出)的阳部。由于所述连接器的直径大于升管9的直径，因而导向器的直径必须显著大于升管9的直径。为了限制和阻尼工作中升管的侧向移动，导向装置有利地设有一个可调直径装置，使圆筒形管7a的内径可被调节。在升管的装、卸过程中，上述装置完全缩回，使圆筒形管7a具有最大直径，而当升管处于工作结构时，上述装置扩张。

上述可调装置是由通过上、下卷边环61固定在圆筒形导向装置7上的挠性膜60构成的，因而形成能够通过设有隔离阀64的孔63接收流体的密封袋。多个蹄块65a-65b，例如6个或8个蹄块固定在膜60上，当上述袋完全充满时抵靠升管9。在图9和图10中，图左侧表示处于缩回位置的与蹄块65b配合工作的膜60，而图右侧表示在有效位置上，即，与升管接触时的与蹄块65a配合工作的膜。袋62与膜66形成外腔连通，膜66本身由两个箍67密封，一个孔68使两个腔彼此连通。因此，当通过阀64抽出流体泄空袋62的内容物时，两个腔60和66压靠圆筒形导向器7a，多个蹄块65完全缩回，因而留出一个最大尺寸的通道。当升管就位时，注入的流体通过阀64注入，直至外部膜被压力膨胀。然后，所述阀被封闭，形成定心作用，只通过注入附加量的流体可以调节力，以便进一步使外部膜膨胀，所述膜用作一个压力容器，即，形成压力源。通过采用具有很高粘度的流体如一种可选择地注入的粘油脂，组件可以用作吸收能量的阻尼器，从而在承受水流作用时可避免出现振动现象。膨胀、放泄或调节压力的阶段是使用操纵臂和在维修用的ROVs上的泵来进行的。输出膜66用作一种可看到的指示器，因而无需附加的装置只通过ROVs上设有的摄象机检查就可以观察到上述阻尼器的引导状态。

图5是单升管塔的底部的侧视图，该塔的底部由一个足部装置16构成，该足部装置放置在海底上，支承一个弯曲的连接套筒17，该套筒在其端部装有一个挠性接头37，该接头则连接于一个自动连接器的阴部38。升管15的底部装配于同一自动连接器的阳部39。在本发明的系统的这个实施例中，升管15也用作筋，自动连接器38-39连同挠性接头37的尺寸使得能够接受压力下流体产生的张力加上浮子14及围绕包括SCR4和塔的组件的条件所产生的张力。

图6的示意图表示对于深度为2000米的设有位于1000米深度的本发明的塔的浮子的油田来说，角塔锚定的FPSO的两个位置，是采用静态计算的结果而获得的，即忽略了动态作用。SCR3的，以及用作筋的单一竖直的升管9的表观线性重量，两者都假定注满石油，取值为97．96Kg／m，在浮子5上的净浮力取为180公吨(浮子的浮力减去浮子5、筋和竖直升管9在水中的表观重量)。SCR3和竖直升管9是用相同材料制成的；具有相同的结构，例如，直径为10．25英寸(”)，厚度为1”，纵向刚度假定为无限大，并且具有一定的隔绝。海水的密度认为是1033Kg／m³。

FPSO1的平均位置为P₀，计算的结果得出远位P₁和近位P₂的特征，其对应于2000米的水深的8％的最大移动，浮子5位于的深度等于水的总深度的大约一半，浮子借助长度为1014米的升管9连接于底部12。

在远位P₁上，SCR3的最小曲率半径为506米，对于157吨的张力来说，顶角α₁为19°，对于51吨的水平张力来说，底角β₁为15°；对于浸在1019米的浮子5来说，SCR3的展开长度为1322米；在张力下的升管9的顶角r₁为15°；FPSO1至升管的足部装置8的水平距离为1027米。

对于近位P₂来说，SCR3的最小曲率半径为300米，对于133吨的张力来说，顶角α₂为13°；对于30吨的水平张力来说，底角β₂为-10°，SCR 3的展开长度当然与上述位置相同，即，1322米，浮子5浸在1000米深度；在张力下的升管9的顶角r₂为9．6°，当至平均位置P₀的距离为L=947米时，从FPSO1至足部装置8的水平距离为868米。

在对照图6详述的假定的基础上，图7表示水平张力和足焙装置8和FPSO1之间的距离L作为浮子5的深度的函数变化的情况。因此可以看出，对于浮子5的深度增加来说，水平张力减小，在-1400米处最小。另外，对于-1000米至-1800米的深度范围来说，张力处于52吨至53吨的范围，因而基本上是恒定的。同样，至FPSO1的距离L在-1400米处具有最大值，对于-1000米至-1800米范围的深度来说，基本保持在950米至960米的基本恒定不变。因此，如果两个塔基本与FPSO相同距离地安装，而浮子位于显著不同的深度上，那么，它们的性形将是类似的，但是，显著不同的SCRs将不会有相互干扰的任何危险。

在对照图6所述的假定的基础上，图8表示作为浮子5的深度的函数，以及对于FPSO1和足部装置8之间的距离为950米(位置P₀)的情况来说，FPSO的偏移及水平张力的变化。计算是以相应于1000米的浮子深度的8％的偏移为基础的。当设计油田时，常见的作法是考虑，最大偏移并不确实相应于水深度的8％，对于深度为2000米的水来说，其相应于160米。因此可以看出，对于浮子5的深度减小来说，最大偏移和水平张力倾向于增加，而对于上述深度增加来说，偏移仍稳定在8％左右，张力仍稳定在50吨左右。因此，似乎对于超过1000米的深度来说，最大偏移和张力保持稳定和静态。因此，这构成系统的不变量，该不变量对于承受动态作用的系统来说具有稳定作用。

因此，在本发明中，将浮子5设置在大于水的深度一半的深度上，这具有稳定系统的显著优点，因而具有在油田的寿命中关于系统的疲劳性能的显著优点。

因此，为了开发需要大量塔的油田，似乎通过将在底部中的浮子设置在水深一半处的方式可以获得关于浮子定位的大幅度，从而引起水平力和塔与FPSO距离的小的变化。这样就可以在三维上定位大量的塔和SCR的组件，同时避免浮子间的干涉和SCRs间的干涉，从而在油田寿命期间增加安全度及提高安装性能。

在对本发明的系统的全部描述中，自动连接器的阳部和阴部一直描述为处于一个既定的位置，但是，它们也可以颠倒设置而并不改变本发明的性质。同样，自动连接器的位置和邻近的挠性接头可以互换而并不改变本发明的性质。

一般来说，塔增加FPSO绕其平均位置偏移的能力，同时一个大尺寸的SCR则改善系的阻尼性能、直线型的、恒定弯曲刚度的管所呈现的垂曲线所代表的数学曲线，其从FPSO开始至浮子的曲率是恒定变化的，该曲率在FPSO处具有最小值(最大曲率半径)，然后向着浮子处的最大值(最小曲率半径)增加。承受环境条件的FPSO将其运动传递至由SCR(s)和塔组成的组件。SCR的激发将导致所述SCR的整体运动，引起曲率半径的局部变化，这将产生横向移动，具有吸收部分能量的效果。因此，大尺寸的SCRs在其全长上吸收最大量的能量，传至浮子的激发能量减至最小。因此，从塔看去，SCR用作一个过滤器，其用于滤出FPSO产生的激发运动。

然而利于改善小角度变化的偏移性能的塔是一种不佳的阻尼器，另外，它承受紊流现象(漩涡)，这就是本发明的系统将塔及其浮子安装在水流稳定且漩涡作用小的区域中的大深度上的原因。

因此，对于下述油田系统例如设置在1500米水中且设有矮的塔，例如位于底部上方100米的塔，一个具有大约1400米长度的SCR相对于FPSO的表现就象一个传统的SCR，尽管如此，还可避免现有技术中存在的缺陷，以及与接触点形成污物有关的和与在该区域中损坏SCR的危险有关的缺陷。

在FPSO上及在塔的浮子上设置铰链接头有利于垂曲线的激发，从而引起能量吸收，因而导致全面阻尼，同时减小在端部，即，在FPSO和在塔的浮子上力的传递，这是由于这两端无一是嵌入式的。

当需要具有高性能隔绝系统如管中管系统(pipe-in-pipe system)时，推荐采用高塔。管中管构思是由两根同心管构成的，其间设有隔绝系统。隔绝系统可以是聚氨酯泡沫、合成泡沫或是处于底部压力例如至绝对真空范围中的绝对压力上的气体，其中绝对真空可提供最好的隔绝性能。在这个问题上，合成泡沫是由微球构成的，一般由玻璃构成，嵌在环氧树脂或聚氨酯类的耐用材料的基质中。这种管中管系统成本高、实施复杂，这是由于它一般是由12米或24米长的构件构成，并借助焊接或螺纹连接组装在一起。虽然它特别适于塔的升管，但是，它较难应用在SCRs中，在中等深度上，最好采用较为牢固的、但较低性能和成本的隔绝系统，例如，合成泡沫的壳体。因此，对于高塔来说，采用高成本，但性能高的管中管技术，但是只是在塔中采用，因而可以取得最大的关于寿命的保证，这是由于塔位于水的深度的最为平静的区域中。在顶部中采用SCRs，与在热学方面性能较低但更适于在设备寿命期间承受环境条件的隔绝系统配合工作，这样可显著降低成本。因此，流体例如以55℃的温度到达塔的根部，在沿塔上行时只降低几度，例如，4℃至5℃，这主要是由于溢出物当其运行水深度的例如45％时，损失了压力，当在其余的水深度，即，55％上在SCR中运行时，将降低更多的度数，例如，7℃至9℃，这部分是由于绝热性能较低，部分是由于溢出物损失了压力的缘故。在所述实例中，当采用两种具有不同性能水平的绝热系统时，流体将总共降低11℃至14℃，这是由于所寻求的目标是在关于寿命和成本的标准的基础上使总体绝热最佳化。

当在升管柱中存在形成气塞的倾向时也推荐采用高塔。跟随气塞的是可能以很高速度移动的液体前锋，从而以无常的方式引起水锤式内部现象。这种现象冲击SCR，并影响到FPSO，在流体内引起内部压力前锋。这种在竖直升管中的水锤可能引起在端部的数吨的力。这些力将在浮子处变明显，但是由于其总量可达100吨至200吨，因而在升管系统中这种现象的后果并不显著。因此认为这种水锤的作用，当其在竖直塔中出现时作用是次一级的，而当其在相同高度的SCR中出现时作用则是第一级的。

因此，一般来说，在溢出物生产结构中，特别是在需要绝热的生产结构中，使用高塔是有利的。

当注水时，这是用很稳定的流体流进行的，结果并不引起水锤现象，因而最好安装矮塔，以便更靠近设置在海底上的简单的SCR的结构，同时仍可避免现有技术的上述缺陷。

在这些情形下，中央筋最好由管替代，注水通过管运行。注水升管一般以很小的数目设置，它们在海底通过多个分支连接，从这些分支水下管道延伸至注水井。这样的筋-管发挥两种功能，虽然在生产石油溢出物时这种选择确实可能，但是，由于随后的保养操作需要拆卸整个的浮子-管-筋组件，因而并不合乎需要。

油田往往是随着钻井及井口的安装在若干年内顺序开发的。本发明的系统可以有利地围绕FPSO安装多个相互独立的位于不同深度的塔，其优点在于，每个塔的根部在离开FPSO不同的水平距离处，FPSO可以较大，增加浮子的深度。这样的设置可以在每个塔根部会聚大量的水下管道，而不会与相邻塔的根部发生干涉，也不会与相邻塔相关的水下管道发生干涉。

Claims

1．一种用于安装在大深度上的水下管道的底部至表面连接系统，该系统首先包括一个竖直的塔，该塔由至少一个浮子(5，14)构成，所述浮子与一锚系(6，8，16)配合工作，且承载至少一个竖直升管(9，15)，所述升管将所述浮子连接于海底(18)，并能够被连接于放置在海底上的所述水下管道之一，该系统还包括至少一个从所述浮子(5，14)至一个表面支承体(1)的连接管(4，3)，所述系统的特征在于：所述连接管(4，3)是升管，升管的壁是牢固的刚性管。

2．如权利要求1所述的连接系统，其特征在于：所述浮子(5，14)安装在位于最后温跃层下面的深度上，推荐安装在大于300米的深度上，最好安装在大于500米的深度上。

3．如权利要求2所述的连接系统，其特征在于：所述浮子安装在大于锚定所述塔的水的深度的一半的深度上。

4．如权利要求1至3中任一项所述的连接系统，其特征在于：所述锚系包括至少一个竖直的筋(6)、一个固定所述筋的底端的底部的足部装置(8)和至少一个导向器(41)，所述升管(9)的底端(25)穿过所述导向器。

5．如权利要求4所述的连接系统，其特征在于：所述竖直的升管(9)的底端(25)适于被连接在一连接套筒弯曲部的端部(41)上，所述连接套筒弯曲部可在一个高位和一个低位之间相对于所述足部装置移动，所述套筒悬置于所述足部装置，并与在没有升管(9)时将其迫向高位的回位装置配合工作。

6．如权利要求4或5所述的系统，其特征在于：所述筋(6)具有沿其全长分布的导向装置(7)，至少所述竖直的升管(9)穿过所述导向装置。

7．如权利要求1至6中任一项所述的系统，其特征在于：所述竖直的升管(9，15)的顶端(30)通过至少一个固定在所述浮子(5，14)上的导向器(22)悬置，并通过其顶部连接于所述连接管(4，3)的弯曲端部(32)上。

8．如权利要求6或7所述的系统，其特征在于：所述导向装置(7)包括一个圆筒形腔(7a)，其最好在一个圆锥形漏斗(7b)下面，所述圆筒形腔(7a)的内径大于竖直的升管(9)的直径，所述导向装置包括一个固定在所述圆筒形腔(7a)的内壁上的挠性膜(60)，从而形成一个在所述膜(60)之间的防漏袋(62)，所述袋可以注入流体，最好是很高粘度的流体，以便压靠在所述升管上。

9．如权利要求8所述的系统，其特征在于：摩擦蹄块(65)与所述膜(60)配合工作，当所述袋(62)注入流体时抵靠所述升管(9)。

10．一种用于安装在大深度上的水下管道的底部至表面连接方法，所述方法首先利用一个竖直的塔，所述塔由至少一个浮子(5，14)构成，所述浮子与一个锚系(6，8，16)配合工作，并承载至少一根竖直的适于伸向海底(18)的升管(9)，所述方法其次利用从所述浮子(5，14)延伸至少一个表面支承体(1)的至少一根连接管(4，3)，所述方法的特征在于：所述浮子(5，14)安装在最后温跃层(29)下面的深度上。

11．如权利要求10所述的连接方法，其特征在于：所述浮子(5，14)通过至少一个构成所述连接管(4，3)的牢固的刚性升管连接于所述表面支承体(1)。

12．如权利要求10或11所述的连接方法，其特征在于：

-将一个足部装置(8)安装在海底(12)上，并固定在海底(12)上，一个筋(6)的底端固定在其上，所述筋的顶部另一端固定在所述浮子(5)上，上述组件构成所述竖直的塔的所述锚系；以及

-从表面(19)并通过所述浮子(5)的一个导向组件(22)逐渐降下所述升管(9)，直至其顶端(30)抵靠所述浮子(5)，其底端与预先装在所述足部装置(8)上的连接套筒(11)的顶部连接起来。

13．如权利要求10至12中任一项所述的连接方法，其特征在于：将所述浮子(5，14)安装在大于锚定所述塔的水的深度的一半的深度上。

14．如权利要求12和13所述的连接方法，其特征在于：整个竖直的外管(9)是预先组装的，所述升管以竖直的位置运至浮子(5)的相应的导向器(22)的竖直上方。