CN1306931A - 柔顺性海上平台 - Google Patents

Abstract

一种柔顺性海上平台,其中,平台负载的唯一基础支承不是由海水浮力提供,而是由在海底附近刚性连接于平台基部的传统裙桩提供。平台的横向柔性通过引入无拉条龙门架而得以提高,这些龙门架在整个平台构架上设置成便于在平台构架内实现横向剪切位移,使横荡型(第一结构型)的振动获得所需的柔顺特性,同时允许风、波浪和海流载荷所产生的倾覆力矩由平台腿柱和平台基础内的竖直力克服。

Description

柔顺性海上平台

本发明总的涉及打底基的海上平台，更具体地说是涉及需要对设计环境力有柔顺响应的这种平台。

油气工业已开发了各种结构、浮船和海底设备，用以帮助和支持钻井和生产作业。用于该目的的一种更普通的结构是固定式海上平台。这些平台构筑成各种各样的结构。术语“固定式海上平台”在工业范围内从更普通的意义上理解是指基础打在海底上并从海底延伸通过海面的任何结构，它可以支承钻井和/或生产设备。平台容纳钻井和生产设备的部分通常称作平台顶板或甲板。平台从海底延伸通过水面并支承顶板的部分通常是称作导管架(管状空间架)、牵索平台或张力腿平台的类型。最普通的类型是导管架或管状空间架。

位于浅水的平台是考虑风和波的静力载荷加上这些载荷的动力放大而设计的，几乎没有致力于控制这些载荷的动力放大的大小。以这种方式设计的平台在工业上通常称作“固定式”或“非柔性”平台。或者，平台的设计可以包括用以限制所受载荷的动力放大程度的措施。这些结构在工业通常称作柔性结构。平台设计包括不同的技术和措施用以引入柔顺的特性。柔顺性平台的主要目的在于提供一种自然振动周期显著不同于在设计波浪谱中含最大能量的波浪的周期。对位于墨西哥海湾的海上平台来说，需要避开的振动周期通常为13到14秒。最具柔顺性的结构构筑成其第一振型(横荡型)的周期超过25秒。第二振型(弯曲型)通常需要小于8秒。这些值可以根据平台的位置而改变。具有这些振动特性的平台可避免与共振相关的设计问题，并可使设计载荷的动力放大降低到最小程度。

基础打在海底上并且具有从海底延伸到水面以上用以支承顶板设备的支承结构的柔顺性平台通常可归入以下两组。

第一组包含几种平台设计，其中通过刚性框架支承结构的某些形式的活动连结提供足够长的第一振型的周期。这种活动连结可以设置在平台基部，也可以设置在海底与水面之间的某些中间位置。有些平台还可以在结构的顶部附近加入质量阱，以帮助获得需要的第一振型周期。

一种这样的结构是牵索平台。牵索平台通常在基部竖直和横向支承，同时可绕基部转动到竖直线以外。通过一系列连接于平台顶部并固定于离开平台基部一段距离的海底的牵索，从而提供平台的稳定性。平台在水平偏斜后通过所连接的牵索的张力而恢复到竖直位置。

该第一组的其它的柔顺性平台包括在海底或某些中间位置(通常是在支承结构的下半部)具有一最小旋转约束点的刚性结构导管架。不同的弹性构件、浮力、牵索或这些特征的组合可提供稳定性和在横向偏斜后恢复竖直位置的能力。这种类型的一种平台揭示于美国专利No.4,696,603中。这种类型的另一种类似的柔顺性平台揭示于1988年3月《海洋工业》中的名为“用于美国海湾深水的复合腿平台”的论文中。这些设计揭示了使用柔性桩作为一种方法来提供要求的弹力特性和稳定性所必需的回复力，同时提供获得柔顺的第一振型特性所需要的柔性。这些柔性桩通常在平台半高位置附近刚性连接于平台，并延伸入海底或直接连接于从海底延伸出的桩基。在海底与柔性桩上端之间的中间位置，柔性桩穿过引导器，从而提供相对轴向运动，同时横向约束柔性桩。这些引导器对于在平台与基础之间提供剪力传递以及提高柔性桩的压缩抗弯强度是必需的。这些柔性桩可设置在平台构架的内部或外部，通常总是通过引导器和一上部刚性连接部而构筑于平台腿柱。包括一种用于柔顺性混凝土结构的柔性桩的另一种类似的设计揭示于美国专利No.4,793,739中。

该第一组柔顺性平台结构中还包括一种揭示于美国专利No.4,797,034中的柔顺性平台，其中活动连结点设置在一固定于海底的下平台部分与支承平台顶板的上平台部分之间。下平台部分通过桩基固定于海底，没有任何的柔顺特点。以类似于上述柔性桩的方式通过刚性连接部和引导器固定于上、下平台部分的管状件可提供柔顺性结构所需的柔性和稳定性。处于安装方面的考虑，通常要求在不同于活动连结点所勾划部分的部分构筑平台。

揭示于美国专利No.4,738,567中的平台也采用一长的柔性桩基，以实现适合于柔顺性平台的第一振型周期。对于该平台，柔性桩是通过大导管架腿柱的直径而安装。每个腿柱可含有几个桩，这些桩进而可含有井导管和套管。揭示于美国专利No.5,431,512中的另一种柔性海上平台提供了设置在导管架腿柱内的柔性管状件。对于这种平台，每个腿柱包括一单个的柔性管件，该管件延伸到上导管架部分的腿柱的下端以外，并安装入一通过桩基用传统海上方法固定于海底的预安装固定基部中。这些结构提供了一种可在平台基部处或其附近枢转以获得所需横荡型特性的柔顺性平台。设置在平台腿柱内的管状件可提供平台稳定性和柔性。

该第一组的柔顺性平台可通过围绕基部或在设有铰接装置的特定位置处的活动连结实现柔性特性。转动量通过加入竖直弹性构件来控制，该弹性构件通常采用细长竖直管状件或柔性桩的形式。如已揭示的某些平台所使用的，采用横跨铰接或枢轴点位置的轴向柔性管，除了平台连接部的通常基础桩之外，通常还要求平台将刚性连接部打桩于在轴向柔性管的每一端。美国专利No.4,696,603中所揭示的柔性桩和所引用的CCLP平台仅需一个设置在每个柔性桩上端的平台连接部的柔性桩。然而，由于基础桩和柔性桩的组合长度，要求在平台安装之前安装海底以下的桩部分，然后与延伸到上部柔性桩刚性连接部的一预安装柔性桩部分相接合。或者，要求在安装过程中将组合的柔性桩和基础桩接合，并且对平台连接部的刚性柔性桩进行现场安装。如果柔性桩没有预安装在导管架结构上，则用于阴极防蚀保护的阳极的位置将比最佳的要少。具有柔性管或柔性桩的平台需要均配有磨损面的中间滑动引导器。在各柔性管或柔性桩的相应位置处需要类似的磨损面。这些构件均增加了结构的复杂性，通常较为昂贵。一般，柔性桩、柔性管和滑动引导器由高于普通强度特性的材料制成。这些材料较为昂贵，并可能有不必要的焊接困难。铰接构件和柔性桩或柔性管都需要非传统的架设和安装程序。预安装柔性桩所提供的浮力集中在下水安装作业过程中可能会成问题，从而阻碍平台安装的设计优化。

第二组柔顺性平台包含设计成可沿结构的长度横向偏斜的结构，这与绕一个或多个指定点的活动连结相反。这些平台依赖于结构的球形剪切刚度特性，以提供符合柔性海上平台要求的横荡型周期。横向位移所产生的内力和浮力通常提供稳定性和回复力。

揭示于美国专利No.4,117,690中的海上平台是第二种类型的柔顺性平台的一个例子。传统的框架和导管架腿柱用大直径管状件代替，通过这些管状件安装基础桩。平台腿柱由水平框架件在选定高度处连接。所揭示的该平台在平台桩基与海底处的平台腿柱底部之间采用一刚性连接。这些特征使所揭示的该平台区别于第一组结构，该第一组结构提供一活动连结点以获得第一振型的所需的柔顺特性。平台结构内通常设置用以防止平台腿柱因受压载荷而弯曲的对角拉条被省去，以产生一种更具柔性的结构。腿柱的局部抗弯强度通过沿平台腿柱内侧连接的桩和井导管引导器而得以提高，它们起到纵向加强件的作用。所揭示的该平台还设想，平台可设计成具有足够的浮力，使得在平台腿柱的底部处至少有一些张力。所揭示的该平台还提供了不同的技术和振动影响方法，用以实现柔顺特性。一种这样的技术是在拉条和腿柱内设置可调压载舱，以此可改变平台的浮力和质量。同时也揭示了诸如通过在选定高度加入十字撑架来增加刚度的振动影响方法。

美国专利No.4,117,960中所揭示的海上平台不要求加入与第一组中揭示的柔顺性平台相关的构件来实现柔顺振动周期，但却包括非传统的、难于构筑的和在结构使用寿命内难以维护的特征。由于在平台腿柱之间极度缺乏对角拉条，需要加入一些特征，诸如要求在腿柱底部处有至少一定的张力，以及要求腿柱有较大直径以实现所需的抗弯强度。在平台腿柱底部处有张力的要求，造成了重量控制方面的约束以及将来通常与浮动结构相关的平台改制方面的限制。在所有腿柱和拉条上使用压载舱，造成了与管道系统、歧管和泵的构造有关的成本和危险，这些对于传统平台构造通常是不需要的。这些特征在结构的整个使用寿命中都必须进行维护。如美国专利No.4,117,690中所揭示的，可能需要加强件来对大直径腿柱提供足够的局部抗弯强度。所揭示的该平台采取通过设置在腿柱内的引导器来安装桩基，该引导器也可起到加强腿柱壁的作用。通过连接于腿柱壁内部的引导器来安装桩，对任何具有可变直径腿柱的平台实施例来说可能都是不现实的。所揭示的平台的所有较佳实施例还因水位以下腿柱直径的减小而造成桩和井串安装方面的困难。对于这些情况，平台桩可以预先打入，允许通过插固于预先打入的桩上来安装平台。然而，插固程序会造成与预打桩的配合相关的装配和对准方面的费用。所有这些桩安装情况在将平台腿柱刚性连接于设在内部的桩时会导致危险和不确定性，而没有现成的对付意外情况的措施。在平台腿柱内加入井串和立管会增加作业费用和导致平台腿柱内可能聚积爆炸性气体的危险。

对于1400英尺到2500英尺以上的水深来说，柔顺性平台通常认为是一个合理的备选方案。对于更深的水深，无需人为地增加横荡型周期就可获得柔性特性。在为实现安装于较浅水深中的平台的柔顺特性的技术开发方面已作了相当的努力，这代表了非柔顺性和柔顺性平台之间的过渡。本发明对于1000英尺到2000英尺的水深有显著的优点。本发明揭示了一种实现柔顺性海上平台的技术，其中横荡型周期通过平台构架内选定位置处的对角拉条的约束而得以延长。在平台的大部分高度上保持对角拉条导管架结构可为平台提供稳定性。在较佳的实施例中，所有的平台基础支承是通过多个设置在平台基部周围的裙桩而获得。这些裙桩仅仅以实现平台基部处的连接所必需方式刚性连接于平台基部并竖直延伸。裙桩可以通过连接于平台构架的套筒预安装或安装。该平台支承用于钻井和生产设备的顶板。该平台构架有利于支承平台腿柱外部的钻杆柱、立管和拉管。

本发明不依赖于铰接、活动连结点、枢转装置、诸如柔性桩或柔性管之类的竖直弹性构件、或诸如牵索或辅助浮筒之类的提供扶正力的构件来提供获得柔顺特性所需的横荡型周期。通常的要求是，横荡型周期大于约25秒，但可以根据预定的平台位置的环境而变化。本发明的较佳实施例将用无拉条龙门架代替传统对角拉条导管架的区域限制于那些实际需要实现柔性特性的区域。另外，本发明并没有牺牲全拉条空间导管架的所有内在优点。这一特点在桩、井串、立管和拉管的安装方面是较为有益的。本发明不需要使用牵索，也不要求平台提供能使平台腿柱受张力载荷的浮力。由于使用了刚性连接于平台基部附近的裙桩，而不是使用延伸到平台半高附近的柔性桩，因而平台基部与海底之间的相对运动得以减小，需要进行防蚀保护的暴露的钢表面积也得以减小。

为了进一步理解本发明的实质和目的，应结合附图参看以下描述，其中相同的部分由相同的标号表示，附图中：

图1是本发明的柔顺性平台的立视图。

图2是说明本发明优点的平台横向位移的示意图。

图3是沿图1中3-3线的视图。

图3A是沿图3中3A-3A线的视图。

图3B是沿图3中3B-3B线的视图。

图4A和4B是一种可能的安装情况的立视图。

图5A和5B是平台基部附近的立视图，其中基础桩是利用一用作模板的浅水平台基部而安装。

图6表示提供导管架部分的临时支承和调平的装置。

图1从立视角度示出了本发明的柔顺性平台的一个实施例。该平台导管架13表示为将一甲板12支承于水位10以上一定距离。平台导管架13延伸到海底11附近的一个位置，在该位置它由多个刚性连接于导管架的裙桩20支承。这些裙桩通过裙桩套筒21而安装，并通过在工业上众所周知的灌浆或机械方法与裙桩套筒刚性相连。井导管22通常从平台甲板12向下延伸入海底11。导管引导器25(图3中清楚表示)通常设置在各水平构架高度用于横向支承导管。导管架腿柱14延伸结构的长度，并通常延伸到水位10以上而支承甲板12。假腿柱15可为甲板提供额外的支承。水平拉条16、对角拉条17和水平对角拉条19(图3中清楚表示)将导管架腿柱互相连接。在不同的位置处可使用另外的竖直拉条18来加强水平拉条16。这些构件通常由管状件构成，并构筑于一起而形成工业上众所周知的一刚性管状空间架。一般，平台导管架构筑成这种形式。

按照本发明，在导管架选定的区域特意没有设任何对角拉条17，这种拉条传统上可防止水平拉条16高度之间的剪切或横荡位移。这种对角拉条的省略在图1中表示为发生在三个位置。本发明的这一特征可提供额外的柔性，这是获得对环境载荷有柔顺响应必需的横荡型周期所需要的。这种额外的柔性可以通过比较图2的两条曲线而看出。曲线A表示一传统的全拉条结构的横向位移。曲线B表示本发明的一平台的横向位移。剪切位移发生在无拉条导管架高度的位置。这些增加的位移提供额外的柔性，并增加平台横荡型周期。因额外的腿柱弯曲而需要的额外的平台腿柱钢材通常将使任何有关平台弯曲型振动周期的影响减小到最低限度。无拉条方格的数量和位置由设计决定，并且是现场水深、甲板重量和质量以及与平台位置相关的环境力的一个函数。

与所有海上结构的情况一样，必须考虑各管状件上的海水压力。同样，必须考虑导管架的浮力和浮动特性，以便进行平台安装。这些考虑通常将要求大多数管状件保持空的和具有浮力。然而，各种安装作业必然也会使某些构件在某些安装程序中进水。一旦完全安装好后，本发明并不要求特定的浮性结构。

图3表示通常的构架，它可能存在于各水平拉条架高度处的一水平面内。提供水平对角拉条19用以防止导管架横截面的变形。这些拉条也为导管架引导器25、立管支承件26和拉管支承件27提供支承。它们是支承该必要设备的传统装置，在工业上是众所周知的。本发明可适应这些设备因异常情况在平台腿柱内部的通常不太合适的设置。

图4A和4B中示出了本发明的一可能的实施例和一相关的实例安装情况。图4A中表示一装配好的平台，它包括裙桩基础、导管架和平台甲板。由于柔顺性平台通常用于安装在超过一千英尺的深水地点，因而一般需要进行分步安装。图4B中所示的实施例用来尽量减少安装设备要求，并还设法尽量减小在平台安装进程中源于意外风暴的危险。将初始的导管架部分下放到海底，在那里对其进行调平，并将其设置在临时支承件上，诸如泥浆垫或工业上众所周知的其它临时支承件。

图6中示出一种提供临时支承和调平的装置。使导管架部分搁置于临时支承桩31上。每个临时支承桩与一支承架组件32接合。该支承架组件32刚性连接于导管架腿柱14，并且所有的构架都能提供一可供临时支承桩31支撑的支承接触面，从而在安装过程中支承导管架13的重量。支承架组件由一调平装置34和一支承架33构成。支承架33由一刚性连接于导管架腿柱14的支架构成，该支架进而支承调平装置34。调平装置34在支承架33与临时支承桩31之间提供一接触面，并提供一调节起落高度的装置，从而调节结构的竖直度和水平度。对于附图中所示的实例，调平装置34表示为一大液压缸。

在将初始导管架部分放置在海底上时，可以用未示出的对准装置来将导管架设置和插固于预打入的井上。然后，放下裙桩并用传统方法打入。一旦打入后，通过工业上众所周知的灌浆或机械方法将这些裙桩刚性连接于导管架。随后，将第二个导管架部分下放到紧靠前面安装的部分内。导管架腿柱的下端的延伸部分用作灌浆销28，它们与前面安装的初始导管架部分的导管架腿柱的上端对准。初始导管架部分上的腿柱用作灌浆套筒29。一旦对准后，将第二导管架部分插固于第一部分中并降低到一预定高度，在该高度它可支承于不同的永久或临时支承装置上。而后，将导管架部分竖直对准，并通过灌浆或机械方法将它们刚性连接。之后，对其它的导管架部分重复该程序，直到安装成完整的平台。此时，在导管架支承结构上安装平台甲板12。无拉条导管架方格的数量、导管架部分的数量以及各导管架部分的长度将随一给定平台的具体要求而变化。没有对角拉条的导管架区域并不需要相邻于导管架部分之间的刚性连接部而设置。导管架部分之间的各连接部构制成灌浆连接部，其中灌浆销28向下延伸并由设置在一下导管架部分中的灌浆套筒29接纳。销的位置可以倒过来，使灌浆销从一下导管架部分向上延伸出来并由相邻的上导管架部分的腿柱的下端处设置的灌浆套筒接纳。而且，可以理解，灌浆连接部可以延伸一段小于水平拉条高度之间距离的长度，也可以延伸跨越多个水平拉条高度，除了在平台部分之间提供刚性连接之外，还可有效形成一复合件。

图5示出本发明一另外的实施例，其中安装有导管架的一截头锥形部分，它用作一安装模板30。使用模板30的有利点可以有许多与导管安装、井的预钻或裙桩的预打入相关的原因。将模板部分30下放到海底，在该处对其进行调平，并将其设置在临时支承件上，诸如泥浆垫或工业上众所周知的其它临时支承件。在将模板放置在海底上时，可以用未示出的对准装置来将模板设置和插固于预打入的井上。然后，放下裙桩并用传统方法打入。一旦打入后，通过工业上众所周知的灌浆或机械方法将这些裙桩刚性连接于导管架。此时，可以预安装导管，并可使用浮式钻井船开始初始钻井。而后，可以在以后如上述的和图4所示的那样安装平台的其余部分。这种程序可以有这样的优点，即可以在平台其余部分和平台甲板的设计和制造尚在进行中时先安装平台基础、导管以及预钻井。基础桩的能力将受益于实际打桩与平台完成之间附加的架设期。

本发明有几个优点，它们包括、但不局限于柔顺性平台总的与非柔顺性平台相比的所有优点。最重要的是，用建造在打底基的平台上的水上载人设备能在干燥的地方在超过非柔顺性平台经济使用范围的水深处生产油气。本发明不依赖于铰接或枢转装置。安装的平台并不一定要有正浮力。本发明不要求平台基础桩、井串或立管安装于平台腿柱的内部。避免将井串和立管通过平台腿柱的内部安装可消除与燃气聚积于平台腿柱内的危险。

所有的平台基础桩可以是利用现有桩安装技术的传统裙桩。该现有的技术包括使用诸如夹桩器和灌浆密封件之类的灌浆设备。本发明各实施例中所描述的裙桩，仅要求一个桩连接于各桩的平台连接部。使用如本发明所揭示的刚性连接于平台的裙桩，不需要中间柔性桩引导器、将柔性桩引导器结合进入平台所需的额外构架，不需要位于桩上或引导器上的滑动引导器和磨损面。与在平台导管架内使用铰接相关的安装和制造上的复杂性得以消除。本发明消除了有时与在平台下水过程中预安装柔性桩或轴向柔性管初始进入水中时浮力突然增加相关的问题。从结构中省去柔性桩或轴向管可显著减少必须进行防蚀保护的暴露表面积。本发明所揭示的获得柔顺特性所必需的振动特性的实现方法与传统导管架一样，有利于包含井串、j-管和立管的结构支承。与采用固定于平台中间附近的柔性桩的现有技术平台设计相比，将平台桩刚性连接于平台基部附近可减小平台与海底之间的相对位移。相对位移的减小有利于井串、立管和拉管的设计。另外，由于平台基部刚性连接于基础桩，并且本发明不依赖于绕基部的大位移和转动来实现柔顺特性，因而不需要在平台安装之后使导管架与临时安装支承件分离。

由于在本说明书所揭示的本发明原理的范围内可以作出许多变化和不同的实施例，并且在按照专利法对描述的要求在此详细说明的实施例中可以进行许多改型，因而应予理解，这里的细节应解释为示例性的，而没有限制的意思。

Claims (6)

1．一种柔顺性海上平台，包括：

a．一平台顶板；

b．一支承所述顶板的结构框架，所述结构框架具有至少三个从所述顶板向下延伸到靠近海底上方的一位置的支承腿柱；

c．所述结构框架含有用于生产油气的附属设备；

d．支承腿柱内部没有任何附加的支承件；

e．所述平台支承结构可具有固定的浮力和质量，并可具有负浮力；

f．支承腿柱由在海底附近刚性连接于支承腿柱的裙桩支承；

g．支承腿柱有水平和对角拉条，结构框架的局部沿结构框架的长度在一或多个位置无拉条。

2．如权利要求1所述的平台，其特征在于，该平台没有任何提供铰接、活动连结点、竖直弹性构件、或诸如牵索或辅助浮筒之类的提供扶正力的构件。

3．如权利要求1所述的平台，其特征在于，所述结构框架以至少两部分安装。

4．如权利要求3所述的平台，其特征在于，下结构框架部分竖直延伸仅一段足以用作桩安装引导器或模板的高度，并含有连接于平台刚性连接部的桩。

5．如权利要求1所述的平台，其特征在于，平台裙桩是预打入的。

6．如权利要求3所述的平台，其特征在于，所述结构框架部分包括用以实现基本竖直的平台安装的装置。

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