專利名稱：帶有浮力的鉆機輔助支承件的海上平臺的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于進行海上碳氫化合物開采作業的平臺和系統。更具體地說，本發明涉及一種用于能夠在深水中使用自升式鉆機的平臺結構。
自升式鉆機提供一個在井上鉆孔、完工或作業用的井架及有關裝備。這些裝備安裝在聯合的船身/甲板上，后者能夠將這些設施漂浮到作業地點。設有多個可以收縮的立柱，它們使自升式鉆機可以方便地移動。一旦漂浮到常規作業的位置，立柱就加壓降下，直到它們釘住海底。進一步加壓將載荷從浮力船身傳遞到立柱，然后使船身/甲板升出水面到飛濺區上方，以形成一個穩定的設有底部的海上平臺，用以進行油井作業。
該設計的考慮最好地利用了自升式鉆機上提供的設施的移動性能的優點，在鉆孔完成后將鉆機移走，在生產階段期間開發時不再部署，除非是暫時鉆孔和重新開始作業。鉆孔、完工和重新開工的裝備中相當大的投資是通過當這些操作完工時盡可能快地將自升式鉆機重新部署到另一位置而得到最優化使用的。因此，生產的水面完工并不包括自升式鉆機本身。可以與自升式鉆機一起使用一種稱為“油井導管架”的小型結構來提供具有自升式鉆機方便性的水面完工的優點。但是，油井導管架和自升式鉆井的聯用限于淺水部署。其次，收縮式立柱長度的實限限制更直接地限制了可以常規地部署自升式鉆機的深度。
深水作業的要求最經常受到持續使用常規的設有底部的平臺結構的回應。頂面設施對生產作業提供方便的油井通路。但是，此種結構必須將其結構強度的很大部分專用于支承鉆井設施，而這些鉆井設施在開采油氣層的油氣時僅在平臺的全部作業壽命中要求相當短的時期。其次，當這些鉆孔設施就位時，該結構必須能夠承受最大的設計環境條件、設計的颶風標準。
當然，開采作業導致碳氫化合物油氣層的消耗，平臺遲早會在一個地點喪失其有用性。然而，形成支承平臺甲板的塔的油井導管架在結構上可能是牢固的，并可能有很長的有用壽命。但是，打撈作業很困難，而常規油井導管架的另一限制是它們的設計專用于一個給定的水深。這造成基本上限制重新部署的機會的傾向。
已經提出某些設計用于一臺自升式鉆機在水下結構上的“多次”部署，但是這些設計使每種結構的許多限制產生一種結果，就是雖然它增大了用于自升式鉆機的水深，但在其它方面保留了其組成部件的限制的總和。
最近已經提出了一種新的平臺概念，這種平臺概念結合了自升式鉆機和常規的設有底部的平臺結構的優點，而沒有引入其缺點。比如，已經提出一種“Hyjack”平臺，該平臺結合一個足以支持生產作業的小型水面塔和一個相當大的導管架底座，后者支承該水面塔并暫時地支承一個用于鉆井作業的自升式鉆機。在鉆孔之后，該自升式鉆機被移開，而該小型水面塔支持生產作業。這在由Dale M.Gallaher等人于1993年9月30日提交申請的美國專利申請書08/129,820“海上平臺結構和系統”中得到更詳細的描述。在由George E.Sgonros等人于1993年9月30日提交申請的美國專利申請書08/129,829“可以重新使用的海上平臺導管架”中更充分地描述了有利地打撈和重新部署的其它特點，特別是與上述平臺概念的結合。這些專利申請書的每一種的充分的公開內容均參考合并于此并作為本文的一部分。
上述打撈和重新部署的措施允許第二次使用樁套管而不需要干船塢或昂貴而復雜的海上作業。但是，該海上平臺結構在其可以重新部署的深度方面仍然比較受限制。這是因為周圍范圍受水下鉆機支承界面的深度和為懸臂式甲板安置井架而要求的余隙所限定的水面塔高度兩者的限制。這兩種限制中的第一種涉及主要的結構部件。但第二種限制僅限于下述方面，即現有海上作業的復雜性，以及將海上平臺結構拖入干船塢或將浮動干船塢運到海上平臺處的昂貴和不方便。
當平臺被用于逐漸更深的水域時，其動力學響應可能成為更大的設計考慮因素，因為常規的設有底部的平臺對于風、波浪和水流變得相當的不牢固。但是，動力學響應成為隨動式塔的中心考慮因素，那種場合下靈活性是一個關鍵性的設計要求。隨動式塔被設計成以受控方式“給出”對動力學環境載荷的響應而不是近乎剛性地抵抗這些力。
控制這種響應的基本要求是產生一種具有諧波頻率或自然周期的結構，該結構能避免那些自然界中遇到的頻率。導管架底座頂部處的總重量是確定結構的自然周期的控制變量之一。Hyjack平臺概念對隨動塔的適應代表一種獨特的挑戰，這是因為一種平臺必須在考慮的時間適應這種以存在或不存在自升式鉆機為基礎的廣泛不同的設計狀態。
然而，在某些情況下仍然需要在經濟上適應甚至加強水面完工和深水中自升式鉆機操作的方便性與經濟性的優點。
根據本發明，提供一種海上平臺結構，用于暫時使用一臺自升式鉆機供深水用途的油井作業，它包括一個設有底部的導管架底座，一座由該導管架底座支承并伸出海面上的水面塔，一個由水面塔支承的平臺甲板，一個在導管架底座的頂部處提供的并適于支承自升式鉆機以供油井作業的水下鉆機支承界面，以及至少一個連接在鉆機支承界面上的鉆機支承浮力罐。
本發明的一個優點是，它還盡可能減小在平臺生產壽命期間專用于支持鉆井作業的有限需要的永久性結構。本發明的一些實施例的另一個優點是，如果最初設計假定的鉆機證明不能利用，那么就可以提供一個機會來配接一臺安裝好的Hyjack平臺來接受范圍更廣泛的自升式鉆機著地點。
結合附圖參照下面優選實施例的詳細敘述，將更加充分地理解上述簡要敘述以及本發明的其它目的和優點，附圖中
圖1是例示一種部署的海上平臺結構的側視圖；圖2是沿圖1中線2-2截取的鉆機沉墊的頂視圖；圖3是沿圖1中線3-3截取的圖1海上平臺結構的截面圖；圖4是如圖1中部署的一種鉆機沉墊的頂部透視圖；圖5是圖4的鉆機沉墊的底部透視圖；圖6是安裝鉆機沉墊的側視圖；圖7是在一個帶鉆機沉墊的海上平臺結構上部署的自升式鉆機的側視圖8是例示一個沿圖9中線8-8截取的沉墊鎖定連接件的實施例的部分截面圖；圖9是在海上平臺結構上部署的自升式鉆機的側視圖；圖10是本發明的部署自升式鉆機的隨動式塔的實施例的側視圖；圖11A-11D是打撈海上平臺結構并將其重新部署到不同水深中的側視圖；圖12A是一種鉆機支承浮力罐的替代實施例的頂視圖；圖12B是圖12A的鉆機支承浮力罐的側視圖。
圖1中，鉆機沉墊110A形式的鉆機支承浮力罐110用于平衡在設有底部的導管架底座12上部署的自升式鉆機34的重量。在該示圖中，自升式鉆機34以其初始方式示出。
海上平臺結構10有一個位于設有底部的導管架底座12頂部的水下鉆機支承界面26，導管架底座12具有立柱14和支柱18的框架16。導管架底座用樁22釘在海底24上，樁22用多個樁套管20緊固在導管架底座上。
水面塔28由導管架底座12支承而提供一個在海面30上方的平臺甲板32。水面塔28的位置不阻擋接觸水下鉆機支承界面26。對一臺三立柱自升式鉆機34提供這種接觸的一種方便的方式是將該水面塔安置在自升式鉆機的一角上而使四側面導管架底座的立柱14基本上與定位樁斗38之類分立的接觸點對準，定位樁斗38通常對應于自升式鉆機的著地點。
圖2、4、5、8更詳細地例示鉆機沉墊110A。圖2和4例示鉆機沉墊的頂部，該沉墊在罐部件112頂上提供第二級水下支承界面138。第二級水下支承界面138的定位樁斗位于承受自升式鉆機34的腳36處。罐部件112的底部提供套管架底座界面114(見圖5)，后者對應于在套管架底座的頂上提供的水下鉆機支承界面的定位樁斗38。參見圖3。
鉆機沉墊110A有一個選擇性地漂浮和可以壓沉的罐部件112，在下表面上有導管架底部界面114(見圖5)而在上表面上有第二級水下鉆機支承界面39(見圖4)。內部結構件以載荷支承關系連接界面114和39。最好是，載荷在分立的對準的接觸點之間垂直傳遞。但是，如果需要，可以制造一種帶有這樣的結構框架的鉆機沉墊，這種結構框架適合于以非直接垂直對準的方式在套管架底座和自升式鉆機之間分配載荷。因此，可以采用鉆機沉墊110A作為配接器，以便當套管架底座12已制成時能夠使用一臺其著地點不同于最初設計假定的自升式鉆機。
套管架底座界面114和第二級水下鉆機支承界面39中的不同著地點是圖12A和圖12B中例示的鉆機沉墊的替代實施例110C中說明的特點之一。這里單個的罐部件112由外部結構件或框架111相互連接。罐部件的內部最好分隔成艙室。這些艙室可以連接一些閥，這些閥比起只提供空氣管線來能提供更大的控制，一個閥設在底部，用于當空氣進入時讓水流走，另一個閥設在頂部，用于當允許壓艙物通過底部進入時釋放空氣。通過閥和艙室提供額外的控制可以隨著使用壓縮性和非壓縮性流體以通過一定范圍的壓力條件來控制浮力而提供靈活性。這可以限制流入氣體能夠膨脹到的有效容積，例如當圖11A-11D的下面討論的平臺升高操作期間。否則，當罐部件升高而壓力降低時，罐部件中氣體的體積將增大。氣體的膨脹體積排開更多的水，增大平臺的浮力，使平臺升高得更快，等等。
圖6-9例示鉆機沉墊110A的安裝和自升式鉆機34的部署。在圖6中，鉆機沉墊110A部分壓艙，填充足夠的水以使其小于中性浮力。然后由起重船116下降到套管架底座12的鄰近海面塔28的頂部，嚙合具有粗糙支承界面的套管架底座界面，將套管架底座界面114的腳36A帶入定位樁斗38，后者設有多個沉墊鎖定連接件140。因為這些連接件將低于波浪區，但位于自升式鉆機的深度范圍內，所以可以使用任何數目的正控制鎖定裝置，包括液壓控制、ROV(遙控潛水器)操縱或甚至是潛水員驅動的。
圖8例示一個將鉆機沉墊110A固定在套管架底座12上的此種沉墊鎖定連接件。此處套管架底座界面114提供一個從有邊緣的腳36A伸出的定中銷37。定位樁斗采取鋼網格結構件38D的形式，它可以涂以橡膠或其它彈性墊38D。一個裝有彈簧的著地容器38E從網格結構件的中心向上伸出。此處示出彈簧144，其陰極保護為清楚起見被省略了。也可以替代使用其它彈簧系統如使用彈性體部件或阻尼器系統。在安裝時，套管架底座界面114的定中銷37被導入著地容器38E的凹槽146中，當彈簧壓縮和有邊緣的腳36A安置在自升式鉆機34的網格結構件立柱34上時，該凹口146逐漸地加載和定中。液壓驅動的夾緊臂41被展開而嚙合腳36A的邊緣，從而將鉆機沉墊緊固在套管架底座上，以便當鉆機沉墊浮起和自升式鉆機就位時增強穩定性。
在圖7中，自升式鉆機34已經浮在船身52上進入鄰近水面塔28的位置而立柱50向著罐部件112的上表面上存在的第二級鉆機支承界面39下降。井架56退回到懸臂式甲板58上以便進行這種靠近的操作。在自升式鉆機34上方便地提供一臺空氣壓縮機或其它高壓氣體源，后者通過導管或空氣線路118連接到鉆機沉墊110A上。罐部件112的內部有壓艙室和閥系統116，壓艙室內可泵入空氣或另一種氣體以用于浮起，通過閥系統116可以泵入氣體并排除放出的海水。在對套管架底座12的暫時加載、對鉆機沉墊鎖定連接件140的暫時加載、設計標準和失效情況之間的權衡將決定在安裝自升式鉆機34之前、期間和之后是否使鉆機沉墊110A浮起。
再升起立柱50使腳36接觸第二級水下鉆機界面39，可以期望通過鉆機鎖定連接件120(見圖9)將自升式鉆機的腳36可以脫開地鎖定在該界面上，鉆機鎖定連接件120的結構和操作與圖8中例示的沉墊鎖定連接件相同。再升起立柱50使船身52升出水面并升到所要的平臺高度。在這個高度上，懸臂式甲板58將越過水面塔28的平臺甲板32，而井架56可以就位而通過導管40開始鉆井操作。
在鉆井操作完成后，可以通過基本上與安裝步驟相反的步驟拆卸自升式鉆機34。通過選擇性地允許海水進入罐部件112和空氣離開罐部件112，可以將鉆機沉墊110A壓沉到基本上中性的浮力。除非用于控制下面討論的動力學響應，否則此時可以用起重船移去鉆機沉墊。
圖10和11A-11D例示一種鉆機支承浮力罐110的另一實施例，此處為多個垂直取向的細長的圓筒形罐部件110B。這些細長的罐部件安裝在導管架底座12的框架16的多個高度上，與水下鉆機界面38中的分立接觸點垂直對準。
圖10同時例示一種隨動式塔實施例。雖然對于具有對深水固定或剛性的塔結構的普通的設有底部的平臺來說動力學響應是一種，考慮但對于隨動式塔來說動力學響應成為更加中性的考慮。隨動式塔被設計成以受控方式“給出”對動力學環境載荷的響應而不是幾乎剛性地抵抗這些力。控制這種響應的基本要求是產生一種具有諧波頻率或自然周期的結構，這種結構避免了在自然界中遇到的頻率。此處，導管架底座12具有平行的立柱14，以增強其靈活性。為清楚起見，圖10中省去了該長的導管架底座的中間部分。
頂部處對導管架底座的總重量是確定該結構的自然周期的控制變量之一。因此，帶有就位的自升式鉆機34的海上平臺結構10是必須適應的條件之一。但是，設計一種海上平臺使其具有適當寬廣的范圍來適應存在和不存在自升式鉆機的重量這兩種情況可能是相當困難的。同時也很難找到兩個避免結構的自然諧波的分開的范圍來適應自升式鉆機就位時的鉆探操作和自升式鉆機移去后的生產操作這兩種情況。
當自升式鉆機移去時使用可以壓沉的罐部件110來壓沉，可以使必須適應的重量范圍顯著地變窄。這可以由減輕了自升式鉆機重量載荷的同一個可以壓沉的鉆機支承浮力罐110來方便地提供。雖然可以部署一個鉆機沉墊110A，但在存在或不存在自升式鉆機時對罐部件的持續需要，此處通過細長的圓筒形的垂直取向的罐部件110B來適應。如果在鉆井或其它油井作業期間慣于提供浮力支承來平衡自升式鉆機34的重量，那么在移去自升式鉆機時可以用海水來替代這種浮力儲備，從而基本上替代自升式鉆機的重量。其次，因為這些罐是沉沒的，所以該重量被加上而沒有引入它在系統中的相應重量。這使得可以對一個避免自然諧波響應的更實際的(狹窄)窗口進行設計。
圖11A-11D例示一種從一個第一地點到一個水深不同的第二地點重新部署海上平臺結構用的方法。對此目的，套管架底座12的頂部處的選擇性浮起和可以壓沉的罐部件110是非常有用的。
上面討論的專利申請書S.N.08/129，829公開了分級樁套管20的使用，這種分級樁套管20有一個在第二級62上方伸出的第一級60。在最初的部署中，這些樁被鎖定在第一級中的樁套管上。然后，在收回和重新使用時，該第一級套管可以(例如)通過遙控潛水器操作進行切割。參見圖11A中的遙控潛水器122。切斷在內部使樁與套管連接的第一級套管60和其中的樁的頂部，使平臺從其在海底24處的釘住的連接中脫開。為了脫開套管架底座，毀壞的樁可能也需要在樁的套管下方切斷。
轉到圖11B，然后用泵入選擇性浮起和可以壓沉的罐部件110B的空氣取代水。在起重船116上可以供應一個適當的空氣泵。同樣，也可以將空氣泵入導管架底座12的一個或多個立柱14中，這些立柱14通常用空心管件形成。通過對支承水面塔28的角部提供此種浮力可以有助于具有四側面截面的導管架底座。從通常在導管架立柱中的附加浮力或通過輔助提供浮力可以對其它導管架有利。但是，大部分浮力是在導管架底座的頂部處提供的，而導管架底座被升高離開海底并向著水面30，在那里垂直浮起的導管架底座具有足夠的穩定性來進行由起重船116支持的海上制造操作。拆去水面塔28的全部或一部分(參見圖11C)，安裝一個重定尺寸的水面塔28A。參見圖11D。因此，在只涉及水面塔的海上操作中可以適應水深的顯著差別。此種操作給導管架底座提供方便的靈活性，這種靈活性通過便于重定水面塔尺寸來正確地適應水深并與在自升式鉆機上利用懸臂式甲板安裝的井架相配合而顯著地增加其重新使用性能。
然后將重新工作的導管架底座牽引到一個新地點并重新部署，對罐部件110和立柱14進行壓沉。然后將底座通過樁22釘在海底24上，樁22牢固地鎖定在第二級鎖定型材62處的樁套管20內。對于較長的牽引距離，最好提供輔助浮力以放倒平臺供水平方向重新定位。在新的地點，將其轉到垂直位置并安置好。
上述公開內容中也預定包括其它修改、變化和替換。其次，在某些情況下，將利用本發明的某些特點而并不相應地利用這些圖示實施例中描述的其它特點。因此，以與本發明的精神和范圍一致的方式廣泛地解釋附屬的權利要求書是合適的。
權利要求
1.一種海上平臺結構，用于暫時使用一臺自升式鉆機供深水用途的油井作業，它包括一個設有底部的導管架底座、一座由該導管架底座支承并伸出海面上的水面塔、一個由水面塔支承的平臺甲板、一個在導管架底座的頂部處提供并適于支承自升式鉆機以供油井作業的水下鉆機支承界面，以及至少一個連接在鉆機支承界面上的鉆機支承浮力罐。
2.一種根據權利要求1所述的海上平臺結構，其特征在于，該鉆機支承浮力罐是一個鉆機沉墊，包括一個選擇性浮起和可以壓沉的罐部件、一個在連接于導管架底座頂上的鉆機支承界面上的罐部件底部上提供的導管架底座界面，以及一個在罐部件頂部上提供的第二級水下鉆機支承界面，后者與導管架底座界面以載荷支承關系相互連接，并適合于承受自升式鉆機。
3.一種根據權利要求1或2所述的海上平臺結構，還包括一個在水下鉆機支承件和導管架底座界面之間的沉墊鎖定連接件，以便將鉆機沉墊可以脫開地固定在導管架底座上，還包括一個在自升式鉆機和第二級水下鉆機支承件之間的鉆機鎖定連接件，以便將自升式鉆機可以脫開地固定在鉆機沉墊上并通過它固定在導管架底座上。
4.一種根據權利要求3所述的海上平臺結構，其特征在于，在水下鉆機支承件和導管架底座界面之間的連接件包括多個形成導管架底座界面的向下安置的向外伸出的有邊緣的腳、一個從該有邊緣的腳向下伸出的導向銷、多個形成水下鉆機支承件而設置來以載荷支承關系容納該有邊緣的腳的鋼網格結構、多個在鋼網格結構中的設置來容納從有邊緣的腳伸出的導向銷的中心槽，以及多個液壓驅動的夾緊臂，這些夾緊臂安裝在水下鉆機界面上并設置成可以脫開地固定套管架底座界面的有邊緣的腳。
5.一種根據權利要求4所述的海上平臺結構，其特征在于，該鉆機沉墊是可以移去的。
6.一種根據權利要求2所述的海上平臺結構，其特征在于，水下鉆機支承件和第二級水下鉆機支承界面每個包括多個分立的接觸點，而這些分別各組的分立的接觸點在垂直準直方面并不完全互相有關。
7.一種根據權利要求1-6中任何一項所述的海上平臺結構，其特征在于，提供多個鉆機支承浮力罐，其中該水下鉆機界面包括多個對應于自升式鉆機著地點的分立的接觸點，每個罐在水下鉆機界面的一個分立接觸點下面以載荷支承關系直接形成一個垂直取向的細長的罐部件。
8.一種根據權利要求1所述的海上平臺結構，其特征在于，所述水下鉆機支承界面包括多個對應于自升式鉆機著地點的分立接觸點，其中該鉆機支承浮力罐包括多個垂直取向的細長的圓筒形罐部件，每個以載荷支承關系基本上位于水下鉆機界面的一個分立的接觸點下面，并在多個框架高度處連接到導管架底座上。
9.一種根據權利要求1-8中任何一項所述的海上平臺結構，其特征在于，該設有底部的導管架底座形成一個隨動的導管架底座，設計用于與所嚙合的自升式鉆機的重量產生動力學響應，由此，當自升式鉆機設置在導管架底座上時該自升式鉆機的重量基本上被鉆機支承浮力罐所供給的浮力抵消，而當自升式鉆機移去時通過加入水作為鉆機支承浮力罐中的壓艙物而基本上取代了海上平臺結構中自升式鉆機的重量，從而在不需要存在自升式鉆機的生產操作期間對避免隨動塔的諧波周期作出貢獻。
10.一種用于從第一地點到第二地點重新部署一個如權利要求8中所述的海上平臺結構的方法，包括脫開導管架底座和多個錨在第一地點海底中的樁之間的連接，所述脫開操作包括切割多個樁套管和其中鎖定的樁以斷開延伸的第一級樁套管中的樁對樁的套管連接，通過將空氣泵入罐部件來垂直升高海上平臺結構，將海上平臺結構拖到第二地點，通過對罐部件的壓艙來垂直下降該海上平臺結構，將平臺安裝在第二地點，使水面塔在海面上方并使水下鉆機支承界面呈現于自升式鉆機的深度可能范圍內。
11.一種根據權利要求10所述的用于重新部署海上平臺結構的方法，其特征在于，該水下導管架底座有一個具有四根立柱的四側面橫截面，所述四根立柱中的三根每根對一個分立的接觸點提供直接支承，第四根立柱對水面塔提供主要支承，該方法還包括在水面塔下面提供輔助浮力。
12.一種根據權利要求10或11所述的用于重新部署海上平臺結構的方法，其特征在于，垂直升高海上平臺結構還包括升高水下導管架底座，直到水面塔的底座位于海面上方。
13.一種根據權利要求10-12中任何一項所述的用于重新部署海上平臺結構的方法，還包括重定水面塔的大小，辦法是從水下導管架底座移去老的水面塔并將一個新的水面塔安裝在水下導管架底座上。
14.一種根據權利要求13所述的用于重新部署海上平臺結構的方法，其特征在于，重定水面塔的大小包括從水面塔移去甲板，縮短水面塔并將另一個甲板安裝在該縮短的水面塔的頂部上。
全文摘要
公開了一種海上平臺結構(10),用于暫時使用一臺自升式鉆機(34)供深水用途的油井作業,有一個設有底部的導管架底座(12),后者支承一座伸出海面(30)的水面塔(28),還有一個適合于支承自升式鉆機(34)供油井作業的水下鉆機支承界面(110)。在鉆機支承界面上連接至少一個選擇性浮起的鉆機支承浮力罐(112),由此在支承自升式鉆機供鉆井作業的過程中可以減輕導管架底座上的一部分暫時載荷。
文檔編號E02B17/00GK1174584SQ95197507
公開日1998年2月25日 申請日期1995年12月22日 優先權日1994年12月23日
發明者馬克·安德魯·史密斯, 戴爾·馬里恩·加拉格爾, 喬治·伊曼紐爾·斯古洛斯 申請人:國際殼牌研究有限公司