專利名稱：具有多個浮力室的自立提升機系統的制作方法
技術領域：
本發明主要涉及一種應用在石油和天然氣開采和生產操作中的自立提升機組件， 尤其涉及不限具體形式的一種自立提升機系統，其裝備有多個適用于在各種水深和海洋條 件下開采的浮力室。
背景技術：
自立提升機(self-standing risers，下文簡稱SSR)用在石油和天然氣工業中， 用來懸浮自海底生產單元引出的產品和注射線(injection line)，并支撐著與漂浮的近海 結構相連的支承鋼筋束。已知的SSR可用來輔助標準的淺水(例如，在0英尺至600英尺 的水域)鉆井單元，并通過在浮力室頂部設置井噴防護器(blow-out preventer)和采油樹 (production tree)來使生產設備更具有成本效益。傳統方式的SSR設計是采用一個大的浮力室來支撐提升機或者鋼筋束負重。然 而，這種方式會引起浮力室在結構和安裝上的成本增加。這些因素已導致SSR系統一直沒 有顯著的發展，因為開采者關注一個廣泛的關聯利益。不過，整體的行業需要降低石油天 然氣產品的成本、減少鉆井開采作業的時間延誤，以及增大現有已發現地區的開發。因此， 存在一個長期需要的卻未被滿足的需求，這個需求就是需要一個更小型、更靈活的提升機 系統能夠更迅速地制造和開采，以便在現有的已開采的石油天然氣地區上獲得可盈利的發 展。
發明內容
本發明提供一種適合于深水石油和天然氣開采和生產的自立提升機系統，所述系 統包括與主井鉆夾具相連的低位提升機組件、一個或多個與所述低位提升機組件連接的中 間浮力室，并且一個或者多個所述中間浮力室與中間提升機組件的一個或者多個局部連 接，其中，一個或者多個所述浮力室進一步包括底部開口底表面部分、與一個或多個高位浮 力室連接的高位提升機組件，其中，一個或多個所述高位浮力室進一步包括完全封閉部分。本發明還提供用在室內的壓艙物、用于提升機組件的應力接頭、系統開采和維護 的方法和工具、井噴防護器的方式、井口(wellhead)和采油樹以及各種系統互連。
參考下列附圖，本領域技術人員可對本文所公開的實施例有更好的理解，同時各個部件、特征、優勢將更明晰地顯現。圖IA是根據現有技術的示意性實施例的示意圖，其顯示的是在平靜的水中具有 底部開口浮力室的自立提升機系統；圖IB是具有底部開口浮力室的自立提升機系統的示意圖，此時浮力室靠近泄漏點。圖IC是具有底部開口浮力室的自立提升機系統的示意圖，此時浮力室已傾斜到泄漏點之外；圖2是描述底部封閉浮力室上的壓力、溫度和深度對其的影響的示意圖；圖3是根據本發明的示意性實施例的示意圖，顯示的是具有多個浮力室的自立提 升機系統；圖4是根據本發明的示意性實施例的示意圖，其描述具有多個浮力室的自立提升 機系統的安裝過程。
具體實施例方式現有的適用于石油和天然氣開采和生產的潛水浮力室有兩種類型，一種是封閉式 容器設計，另一種是底部開口式設計。兩種類型的浮力室，如果被提升機加壓和固定，會對 提升機施加一個向上的提升力。有些具體實施例也包括能為系統提供可調節性的技術特 征，這樣的特征對本領域技術人員來說已知是有多種實現形式的。封閉式容器設計與潛水艇在某些方面類似，在容器中具有一個或多個典型的用來 盛放流體的載物室(ballast chamber)，所述流體例如輕型燃氣、海水等。一旦達到所需的 一定比例的流體，通過閥門或者其它本領域公知的工具可將所述載物室封閉。底部開口浮力室包括設計有多種功能，這些功能與那些封閉式容器設計有很多是 相似的。不過，一旦達到所需的浮力特征，置于室內的流體被室的側面和頂部限制在內。圖IA所示的是與SSR相連的一個已知的底部開口浮力室，所述浮力室內填滿流 體，如加壓氣體。由圖可知，平靜的水流、極小的外力以及足夠的浮力共同作用在SSR上，產 生很小的側向位移力。因此，圖IA所示的浮力室相對于其垂直軸只有一點甚至沒有傾斜， 室內的流體仍然被封閉在其中。不過，如果有足夠大的力作用在室上，比如受到如圖IB所示的強水流作用，SSR將 會開始傾斜而偏離其垂直軸。圖IB還顯示出隨著系統傾斜并偏離其垂直軸，室內的流體如 何改變。但是，室可以承受一定的傾斜角(傾斜角很大程度上取決于設計的尺寸)，直到傾 斜角達到泄漏點的角度，流體開始從室內流出。圖IC進一步顯示了隨著傾斜角達到臨界值并超過臨界值，底部開口浮力室內的 氣體的泄漏比例會逐漸增大。尤其是，泄漏會導致浮力的更大程度的損失，因而傾斜角會同 比增大，從而引起越來越多的氣體從室內漏出。最終，足夠的氣體流出后浮力減小到浮力室 不再能夠支撐所述提升機，進而引起系統不能工作。盡管有這樣的缺陷，底部開口浮力室能夠在很深的水下工作，其比封閉式系統可 以相對少的考慮到結構破裂的問題，因為開口式設計在即使很大的深度下仍使得室內的液 壓與周圍的壓力相同。另外，底部開口式設計的總體系統重量小，因為沒有底部，殼體為了 承受深水的水壓所需要的厚度小，故而整體需要的結構材料少。相反，封閉式容器浮力室較少地受到因水流和表面作用而引起傾斜的問題影響， 因而較為適合于那些水流和表面作用足夠引起較大的偏離垂直軸的側向位移的水域。不 過，如果上述浮力室二者中任何一種存在裂縫(例如，由容器破裂、閥門失效等引起)，氣體 或者其他流體流走，則SSR就會失效，如圖IC所示。封閉式容器浮力室必須同樣堅固，以足夠抵消外力如深水液壓。如圖2所示，此室 必須，達到一個臨界值，具有足夠的結構完整性和壁厚來抵抗預知的壓力，防止這些壓力弓丨起室體外殼的破裂。另外，當布置填充有氣體的封閉浮力室時，內部氣壓和溫度足夠同比于 外部水壓和溫度，以便相關壓力或溫度梯度不會引起室內氣體體積的有效變化，因為這種 提及變化可能引起室的外殼裂縫或者坍塌。通常來說，SSR系統都僅限于使用單一的浮力室，浮力室具有較大的尺寸。然而， 較大的浮力室設計增加了建造和安排所述作業系統的時間和成本。另外，事實證明在深水 (例如，> 500英尺或者類似)設置大的加壓室是一件非常困難的事情。同時，隨著浮力室 的直徑的增大，在建造和實施過程中處理結構失效和翹曲的可能性也同樣增大。下文的具體描述包括示意性的系統、方法和技術來使本發明主體更具體化。不過， 需要本領域技術人員理解的是，所描述的具體實施例可能沒有描述到一個或多個所公開的 具體細節，又或者熟知的制造設備、標準、結構和技術并沒有在具體描述中提到，以免引起 描述上的模糊不清。參考圖3所示的實施例，所描述的SSR系統14包括多個下級浮力室，用來安裝在 比任何現有已知的SSR系統更深的水域內。根據替換的實施例，SSR14可堆設有多個浮力 室，如圖4A、4B、4C和4D所示。盡管圖3所示只具有低位SSR組件10和高位SSR組件12， 整個SSR系統14可具有任何數目的獨立的SSR組件。在圖3所示的實施例中，低位SSR組件10最先布置。在一示例中，為了布置浮力 室，配備有特別設計的容器，并利用SSR組件。經過布置，低位SSR組件10與建在泥線附近 的匣形井口(casing wellhead)機械地連接。在一典型實施例中，所述匣形井口預設在鉆 入相關的海底表面內的井孔中。再進一步的實施例中，一個或多個中間浮力室16裝到低位SSR組件10上，從而在 深水或者動蕩水域加強穩固。受操作條件影響，中間浮力室16可包括封閉式容器設計，但 由于上面描述的原因，在大多數情況下會包括底部開口式設計，中間室16必須在任何情況 下都可以為控制低位SSR組件10和高位SSR組件14提供所需的支撐力，這一點是絕對需 要的。在進一步的實施例中，中間浮力室16與現有已知的或者為慣用的的鉆井、生產或 者開采設備機械連接。因而，舉例來說，中間浮力室的頂部和底部可能包含一個或多個井噴 防護器、采油樹，或者井口，所述井口的作用與設置在海底泥線附近的匣形井口類似。在不 偏離本發明范圍的前提下，利用已知的或慣用的連接和緊固件例如液壓耦合器、各種螺母 和螺栓組件、焊接接頭、壓力配件(用或者不用墊圈)、鍛壓等，可將鉆井、生產和開采設備 連接。在進一步的實施例中，高位SSR組件12設置得與井口、井噴防護器或者采油樹 (或者，與一個或多個此類設備連接的常規設計的設備)機械連接，并安裝在中間室16或者 與其相關的連接元件的上表面上。根據其他示意性實施例，安裝過程持續到所需數目的這 類多個組件相互連續地連接，以便形成穩定而有效的SSR系統14，如圖4A至4D所示。為了進一步穩固SSR系統14，實施例采用應力接頭22，如圖3所示。應力接頭22 可包括任何已知的材料，例如，塑料、橡膠或者金屬材料，但在任何情況下都能維持SSR14 系統的結構完整性和整體穩定性。與圖3所示的SSR系統14 一致，多個高位浮力室18、20包括底部開口室18和底 部封閉室20。在一示意性實施例中，至少一個所述高位室——通常位于最上方——包括封閉式設計，而系統中的其他室，包括中間室16，都會包括底部開口式設計。在另一示意性實 施例中，系統中的所有室都是開口式或者封閉式的，在進一步的實施例中，開口式和封閉式 室在系統中同時存在。在一些實施例中，在周圍液壓最大的深水區域，采用多個底部開口式設計浮力室 來促進深水區域的布置和安裝。其他實施例采用多個設置在SSR系統14頂部附近的底部 封閉時室，可提高系統的整體穩固性和平衡。這種配置還可以幫助避免系統受到例如強勁 的橫向水流等外部側向力的作用而傾斜偏離其垂直軸的傾向。在更進一步的實施例中，設置得與高位SSR組件12機械連接的多個浮力室允許整 個SSR系統14在各種水深和條件下維持正常功能和穩定性，進而改善效率和可操作性。進一步的實施例包括多個高位浮力室，其與公知的鉆井、生產和開采設備機械連 接。因此，例如，高位浮力室的頂部和底部可包括一個或多個井噴防護器、采油樹或者井口， 所述井口的作用與設置在海底泥線附近的匣形井口的作用類似。在進一步的實施例中，系統所采用的浮力室進一步包括輔助的浮力材料，例如復 合泡沫塑料或者填充有空氣的玻璃微球，以為系統增加浮力。向底部開口式室內注射入一 種或者多種這些材料，在發生傾斜時或者如果管道、閥門或者其他與浮力室連接的設備破 裂或失效，能夠幫助防止浮力流體(如氣體、液體等)的損失。在圖4A所示的實施例中，在配置容器時在海底設置一個低位SSR組件40，此低位 SSR組件40與靠近泥線的匣形井口相連。圖4A進一步描述了安裝在SSR組件40頂部的 中間浮力室41。中間浮力室41的其他實施例進一步包括一個或多個已知或慣用的附屬機 構，例如結合的井噴防護器和采油樹，以便在操作過程中除了與高位SSR組件42連接的目 的，中間室41還在其他方面有用。在不同的其他實施例中，設置有多個中間浮力室41且與 已經安裝好的SSR組件或者其他中間浮力室(例如，見圖4B至4D)機械連接。在圖4C中，中間SSR組件42和44設置得與固定在中間浮力室42頂部的井口機 械連接。在一些示意性實施例中，另外的中間浮力室41、43、45作為中間SSR組件的附加支 撐和連接構件。這些實施例具有附加的多個中間SSR組件，從而可以達到迄今為止尚未知 的超過15，000英尺的SSR系統深度。如圖4D所示的示意性實施例，最終的SSR組件46配置成完整的SSR系統50。圖 4D進一步描述了一個采用多個位于SSR組件46頂部的浮力室47以便完成整個SSR系統 50的實施例。如前面所述，多個浮力室47的實施例可同時包含底部開口式和底部封閉式設 計，或者操作條件所需的任何其他配置，包括只安裝一個這種浮力室的配置。前面的具體描述只用來舉例說明，并不意圖描述出本發明所有可能的方面。另外， 盡管本發明已經通過多個示意性實施例得到顯示和描述，本領域的普通技術人員應該知 道，在不偏離本發明范圍或精神的條件下，可以對本發明進行關于描述的微小改動、其他各 種修飾、省略和添加。
權利要求
一種適用于深水石油和天然氣開采和生產的自立提升機系統，所述系統包括低位提升機組件，其與主井鉆夾具連接；一個或多個中間浮力室，其與所述低位提升機組件以及中間提升機組件的一個或多個部分連接，其中，一個或多個所述浮力室進一步包括底部開口部分；高位提升機組件，其與一個或多個高位浮力室連接，其中，一個或多個所述高位浮力室進一步包括底部開口部分。
2.根據權利要求1所述的自立提升機系統，其中，每個所述底部開口中間浮力室進一 步包括流體壓艙物。
3.根據權利要求2所述的自立提升機系統，其中，所述流體壓艙物進一步包括氣體壓 艙物。
4.根據權利要求2所述的自立提升機系統，其中，所述流體壓艙物進一步包括液體壓 艙物。
5.根據權利要求2所述的自立提升機系統，其中，所述流體壓艙物進一步包括同時含 有液體和氣體的壓艙物。
6.根據權利要求2所述的自立提升機系統，其中，所述流體壓艙物進一步包括輔助壓 艙物，所述輔助壓艙物為所述流體提供附加的壓力和密度。
7.根據權利要求6所述的自立提升機系統，其中，當所述底部開口中間浮力室相對于 其自身垂直軸傾斜而偏離到臨界角之外，所述輔助壓艙物延緩流體從所述室內流出。
8.根據權利要求1所述的自立提升機系統，其中，一個或多個所述中間浮力室進一步 包括底部封閉部分。
9.根據權利要求1所述的自立提升機系統，其中，一個或多個所述高位浮力室進一步 包括底部封閉部分。
10.根據權利要求1所述的自立提升機系統，其中，每個所述底部開口高位浮力室進一 步包括流體壓艙物。
11.根據權利要求10所述的自立提升機系統，其中，所述流體壓艙物進一步包括氣體 壓艙物。
12.根據權利要求10所述的自立提升機系統，其中，所述流體壓艙物進一步包括液體 壓艙物。
13.根據權利要求10所述的自立提升機系統，其中，所述流體壓艙物進一步包括同時 含有液體和氣體的壓艙物。
14.根據權利要求10所述的自立提升機系統，其中，所述流體壓艙物進一步包括輔助 壓艙物，所述輔助壓艙物為所述流體提供附加的壓力和密度。
15.根據權利要求14所述的自立提升機系統，其中，當所述底部開口中間浮力室相對 自身垂直軸傾斜偏離臨界角之外，所述輔助壓艙物延緩流體從所述室內流出。
16.根據權利要求1所述的自立提升機系統，其中，一個或者多個長度的所述低位提升 機組件和所述高位提升機組件進一步包括一個或多個應力接頭，永不吸收所述組件的長度 上所累積的應力。
全文摘要
多層式自立提升機系統包括一個或多個用來對相關的提升機組件的繩索提供上舉力的中間浮力室。所述中間浮力室具有底部開口式或者底部封閉式容器設計。所述室可進一步包括輔助浮力材料，其混有或者包含射入所述室內的加壓流體。所述自立提升機系統進一步包括低位提升機組件，其固定到主井鉆夾具上。所述系統也包括高位提升機組件和一個或多個附加的浮力室，此一個或多個浮力室直接或間接地相互連接，并與相關操作所需要的鉆井、生產和開采裝置連接。
文檔編號E02D25/00GK101939491SQ200880117681
公開日2011年1月5日 申請日期2008年11月19日 優先權日2007年11月19日
發明者基思·K·米爾姆 申請人:基思·K·米爾姆