专利名称：连接到水下管线结构的浮式系统及其使用方法
技术领域：
本发明涉及一种从位于海水表面的主机(host)延伸到海底的水 下管线结构(例如隔水管)，以及涉及一种制造和使用这种系统的方法。
背景技术：
已经提出了若干种将浮式结构与海底管线连接起来的结构。所使 用的结构通常取决于特别是与水深以及浮式结构的水平和竖直运动相 关的参数，考虑这些参数以便选择合适的结构和/或连接类型。
一种经常使用的结构被称为自由悬挂结构。在该结构中，隔水管 在其顶部自由悬挂在主机上，并且形成了向下的弧形形状，直到它触 及海底(触地点)。在触地点之后，管水平地搁在海底从而连接至海底 设备。在该结构中，无论所使用的隔水管的类型如何，主机的振荡可 引起位于隔水管下部(特别是触地区域)的管线的弯曲曲率的振荡。 这种主机振荡可导致隔水管触地点附近的显著疲劳损坏。
在自由悬挂结构中，当隔水管包括刚性管或包括两个同心的刚性 管时，它可被称为钢制悬链线式隔水管或SCR;不会导致应力超过制 成SCR的金属材料的屈服强度的弯曲部分的曲率半径较大，约为 100m或以上。
在自由悬挂结构中，可在深海中使用柔性管。其与SCR相比可具 有的优点在于例如，与海底交界的弯曲部分具有较小的曲率半径。 而且，由于改进的疲劳性质，该柔性管可允许位于水面的主机有更大 的竖直和水平运动。但是，其可能具有的缺点是非常笨重，与SCR相 比具有较差的绝热性，并且每单位长度的成本高于SCR。
混合结构可使用隔水管，其中下部包括竖直的、刚性的钢制隔水 管，上部包括短的柔性管(跨接管)。该隔水管的重量可由位于竖直的刚性部分之上的浮力装置调整，主机的运动可由长度短的柔性管来补 偿。
美国专利申请No.2005/0063788公开了一种混合隔水管，它具有 下部段和上部段，所述上部段包括柔性管，所述下部段包括与柔性管 连通的、大体上刚性的竖直管，所述隔水管还包括位于所述刚性管的 上端部区域处或位于所述刚性管的上端部区域中的浮力段。所述浮力 段还包括细长的圆柱形浮力部件，它可以是具有阀的、同轴间隔开的 管形结构，以使得它可以被可控地充满或排空。该混合隔水管直接锚 定到位于其底部的海底基础上。该混合隔水管可在陆地上建造，并被 拖航到将与其连接的设施附近。在此并入美国专利申请 No.2005/0063788的全部内容以作参考。
本领域需要一种不会由于浮式主机的运动所引起的触地点运动而 经受过早的疲劳破坏的SCR结构。本领域还需要由单一刚性材料制成 的、不包括柔性部分的隔水管。本领域还需要低成本的隔水管。
发明内容
在一个方面，本发明提供了一种定位在具有水底的水体中的浮式 系统，该系统包括漂浮在水中的主机部件；包括连接至主机的顶部 的细长的水下管线结构；延伸到海底并适合于连接到搁在海底上的流 送管线的底部；管线结构的呈上凹形的第一部分；管线结构的呈上凹 形的第二部分；以及呈下凹形的过渡段，所述过渡段位于第一部分和 第二部分之间。
在另一方面，本发明提供了一种改进浮式系统的方法，该系统包 括漂浮在具有水底的水体中的主机；细长的水下结构，该水下结构具 有第一端部、第二端部和位于第一端部和第二端部之间的主体，其中 第一端部连接至主机，主体延伸通过水体，以及第二端部位于水底附 近，该方法包括在提升点提升主体的过渡段，从而足以在第一水深 处使主体的过渡段形成下凹形状，在第二水深处使主体的一部分形成 上凹形状，其中第二水深比第一水深更深。在一些实施例中，该方法还包括将主体的过渡段锚固到水底。
本发明的优点可包括下述中的一个或多个 提供一种不会由于主机的动作所引起的触地点运动而过早疲劳损 坏的SCR结构；
提供由单一刚性材料制成的隔水管或几乎由单一刚性材料制成的 隔水管；
提供主要部分由刚性材料制成的隔水管； 提供可不包括柔性部分的隔水管；以及 提供低成本的隔水管。
图1是现有技术的系统的示意图，该系统包括位于水面121的浮 式主机103，其中管形部件105从该浮式主才几延伸，该管形部件105 具有从浮式主机103向下延伸穿过水体125至触地点124的隔水管部 分105A,管形部件105具有沿海床120延伸的管线部分105D。
图2是本发明的一个实施例的示意图，其中显示了位于水面121 的浮式主机103，其中管形部件105从该浮式主机延伸，其通过连接 器131由浮力部件108提升，并通过连接器132锚定至基础111。
图3是本发明的另一实施例的图示，显示了浮力部件108直接附 接至水下浮力结构105,而不使用连接器部件。
图4是本发明的另一实施例的图示，显示了浮力部件108沿着提 升区105F在多个点处连接至水下结构，还示出了多个锚定部件lll。 两个悬链线式结构之间的过渡可变得平滑。
图5是本发明的另一实施例的图示，显示了多个浮力部件108沿 着提升区105F连接至多个点。
图6是在实例中进行模拟设计的图示。
图7示出了图1所示的现有技术系统的模拟疲劳结果，其结果是 分别对应于26.5年和2.7年的"DOE-B"和"API-X"。
图8示出了图6所示的系统的模拟疲劳结果，其结果分别对应于3470年和214年的"DOE-B"和"API-X"。
具体实施例方式
在一个实施例中，公开了 一种定位在具有水底的水体中的浮式系 统，该系统包括漂浮在水中的主机部件；包括连接至主机的顶部的 细长的水下管线结构；延伸到海底并适合于连接至搁在海底上的流送 管线的底部；管线结构的呈上凹形的第一部分；管线结构的呈上凹形 的第二部分；以及呈下凹形的过渡段，所述过渡段位于第一部分和第 二部分之间。在一些实施例中，细长水下结构包括钢制悬链线式隔水 管。在一些实施例中，该系统还包括连接至过渡段的浮力部件。在一 些实施例中，该系统还包括连接至过渡段的锚定部件。在一些实施例 中，该系统还包括通过多个连接件连接到过渡段、第一部分和第二部 分中的至少一个的浮力部件。在一些实施例中，该系统还包括通过多 个连接件连接到过渡段、第一部分和第二部分中的至少一个的多个浮 力部件。在一些实施例中，该系统还包括通过多个连接件连接到过渡 段、第一部分和第二部分中的至少一个的锚定部件。在一些实施例中， 该系统还包括通过多个连接件连接到过渡段、第一部分和第二部分中 的至少一个的多个锚定部件。在一些实施例中，该系统还包括围绕过 渡段安装的浮力部件。在一些实施例中，第一部分的最低点比过渡段 的最高点低5至50米。在一些实施例中，过渡段包括预弯曲支撑管 (shorepipe)、钟形口管、弯曲限制件、锥形应力接头、钛应力接头、 柔性软管以及深水柔性接头中的至少 一个。
在一个实施例中，公开了一种改进浮式系统的方法，该系统包括 漂浮在具有水底的水体中的主机；细长的水下结构，该水下结构具有 第一端部、第二端部和位于第一端部和第二端部之间的主体，其中第 一端部连接至主机，主体延伸通过水体，以及第二端部位于水底附近， 该方法包括在提升点处提升主体的过渡段，从而足以在第一水深处 使主体的过渡段形成为下凹形状，在第二水深处使主体的一部分形成 为上凹形状，其中第二水深比第一水深更深。在一些实施例中，该方法还包括将主体的过渡段锚定到水底。在一些实施例中，提升过渡段
包括将过渡段从水底提升约10至200米，例如提升约25至约100米， 或约50米。在一些实施例中，细长的水下结构包括钢制悬链线式隔水 管。在一些实施例中，第二水深比第一水深深5至50米。
在论述本发明之前，先参考现有技术。首先参照图1，其是显示 现有技术系统的示意图，其中浮式主机103位于水面121,管形部件 105从该浮式主机延伸。管形部件105具有隔水管部分105A，该隔水 管部分105A从浮式主机103向下延伸穿过水体125并在触地点124 处与海底120相交。管形部件105还具有沿海底120延伸的管线部分 105D。
如在以上背景技术部分所论述的，作用在浮式主机103上的波动 作用通过管形部件105转移能量，这可能导致管形部件105例如在触 地点附近发生疲劳损坏，该触地点随着主机的运动而沿隔水管滑动。
本发明的一个实施例包括对传统钢制悬链线式隔水管的一种或多 种改型。在悬挂于主机上的隔水管顶部和位于海底的触地点之间，沿 隔水管的一个(或多个)位置可通过浮力部件(例如空气罐或浮力泡 沫件)被提升，并且还被锚定至海底上的基础。在连接至主机的顶部 和被提升与锚定的位置之间的隔水管形成了第一悬链结构，通常，但 不是绝对的，悬链结构的顶点低于浮升与锚定点。与海底接触的第二 悬链结构位于浮升与锚定点之下。铺设在海底上的管线位于触地点之 外。在浮升与锚定点附近，管段可被弯曲以在两个悬链结构之间形成 过渡。为了避免过小的弯曲曲率以及因此产生的较大弯曲应力，过渡 管段可通过例如锥形应力接头或弯曲限制件来限制其弯曲，或可由容 许小弯曲曲率的柔性部件制成以限制其弯曲。
在一些实施例中，隔水管的弯矩是可控的。对于传统的SCR来说， 主机运动主要引起触地点附近的弯矩变化。由于触地点在主机偏移和 水流的作用下沿着隔水管运动一定长度，因此很难在沿可动的触地点 范围的长度加固隔水管。在一些实施例中，触地点可通过浮升和锚定 而与主机的运动隔离，主弯曲曲率及其变化可集中在浮升和锚定位置。于是，可以比较容易地在沿隔水管固定的点处控制弯矩水平。浮升与 锚定点(过渡段)附近的局部弯矩的减小可通过两种机理来实现。一 种是通过将局部化弯曲分散到较长的长度上来限制弯曲曲率，另 一种 是使用柔性部件以允许大的局部弯曲曲率。
在一些实施例中，提供了一种隔水管系统，该隔水管系统用于通 过搁在海底上的流送管线从其它设备向水面浮式生产主机输送液体和 /或气体，或通过海底流送管线从主机向其它设备输出液体和/或气体。 隔水管顶部可连接至主机，在沿着隔水管的某一点处，隔水管可通过 浮力部件被浮升并且被锚定至海底基础。浮升与锚定点将隔水管分成 两部分，每一部分具有不同的悬链结构。在一些实施例中，隔水管沿 着一短的隔水管段通过一定长度的浮力模块被浮升并且在浮升段内的 一点处被锚定。在一些实施例中，浮力部件通过多个连接件来提升隔 水管并通过多个锚定部件被锚定。多个浮力连接件和锚定连接件有助 于形成这两个悬链结构的平滑过渡。锚定连接件的数量和用于浮力部 件的连接件的数量可不必相等，它们的数量取决于隔水管的参数。在 一些实施例中，该系统包括多个浮力部件和多个锚定连接件，其可允 许悬链结构的过渡变得更平滑。
在一些实施例中，本发明提供了一种减小浮升与锚定点处的弯矩 水平及其变化的方法。对于两个不同悬链结构的过渡，该过渡段可经 受显著的弯曲。尽管与触地点隔开，但是主机的振荡可传到浮升与锚 定点。除了多个浮力和锚定部件之外，浮升和锚定点附近的管线还可
被设计成通过下述方式中的 一种或其组合来限制弯曲或容许弯曲 (l)浮升与锚定点附近的锥形应力接头，用于降低弯曲应力水平； (2 )钟形口管或其它弯曲限制器，用于将浮升与锚定点附近的弯
曲曲率限制在期望的上限内；
(3) 浮升与锚定点附近的钛应力接头，其比钢管更具适于弯曲曲 率的柔性；
(4) 浮升与锚定点附近的一小段跨接管，用于接受大的弯曲曲率；
(5) 位于浮升与锚定点处的深水柔性接头，以允许弯曲；和/或(6 )在浮升与锚定点附近， 一小段隔水管可被预弯曲以形成具有 很小弯曲应力的平均弯曲曲率。
弯矩减小方法的细节取决于隔水管参数和环境条件。
下面参照附图对本发明作进一步描述。现在参照图2，其显示了 位于水面121的浮式主机103，其中水下结构105从该浮式主机延伸。
应该理解的是，浮式结构103可以是具有向水底延伸的管线部件 的任何类型浮式结构，该管线部件将通过浮式结构103对波动作用的 响应而经受波动作用。例如，在海上烃类勘探、钻井、生产、加工或 运输领域中，浮式结构103的非限定性实例包括轮船、小船、驳船、 钻井装置、平台、FPSO(浮式生产、储存和卸载系统)，半潜式平台， FSRU (浮式存储和再气化单元)等等。
尽管所示的是漂浮在水面121上，但应该理解的是，浮式主机103 也可漂浮在水面121以下，并且仍可经受波动作用，它通常在水面121 之下延伸最初的数百英尺。尽管所示的是离开陆地的漂浮，但也应该 理解的是，浮式主机103可被锚定到陆地上，或者栓系到陆地上，或 被陆地(如船塢、码头等)部分地支承。
细长的水下管线结构105可以是如在离岸技术中所已知的、从浮 式主机103延伸的任何类型的结构。最通常的是，水下管线结构105 可以是一些类型的管形部件，本领域中通称为"隔水管"，它的非限定 性实例包括脐带、管子、导管，管、管道，但也可以是非管形的部件， 例如缆绳、管线、绳索等。
水下管线结构105从浮式主机103向下延伸穿过水体125，在新 触地点处到达海底120，该新触地点通常比原触地点124 (参见图1) 更远离主才几103，并沿海底120继续延伸。更具体而言，水下结构105 从浮式主机103向下延伸穿过水体125到位于结构105上的局部低点/ 区域105E而作为传统的隔水管部分105A，水下结构105从该局部低 点/区域105E向上回转而作为隔水管部分105B。
浮力部件108在提升点/区域105F处提供对水下结构105的提升， 在提升点/区域105F处提升点105F的升高受到连接至基础111的锚定线132的长度的限制。该浮力使点/区域105E降低并且使点/区域105F 提升，水下结构105在点/区域105F处的斜率为零(0)，而隔水管部 分105A的斜率和隔水管部分105B的斜率具有相反的符号或极性，同 时，隔水管部分105B和105C的斜率具有相反的符号或极性。位于浮 升与锚定点105F之上的隔水管部分和浮升与位于锚定点105F之下的 隔水管部分是两种不同的悬链结构，而浮升与锚定点105F附近的隔 水管是该两个悬链结构的过渡。
现在参照图3，在一些实施例中，浮力部件108在水深为Dl的提 升点/区域105F处提供对水下结构105的提升，并将其充分提升以便 在水深D2 (在该处D2可能比Dl深)处在结构105上形成局部低点/ 区域105E。该低点/区域105E定位于提升点/区域105F与浮式主机103 之间的结构105上，并且该低点/区域105E的水深可比提升点/区域 105F的水深4氐。
从图2应该意识到，水下结构105包括隔水管部分105A和105B， 其在局部低点/区域105E处上凹(远离海底120)并且具有低点。同 样的，水下结构105包括隔水管部分105C和105D,它们在触地点105D 处也是上凹的悬链结构。于是，在105B和105C的附近形成下凹部分 (朝向海底120)，用作这两个悬链结构的过渡。
可使用船舶领域中公知的多种浮力材料中的任何一种，例如泡沫 或浮力罐。浮力部件108可包括其密度适合于提供浮力的材料，或可 包括用于提供浮力的具有孔隙或中空部的材料。
浮力部件108可提供足够的浮力，以便不仅用于将水下结构105 提升到海底120之上的预期位置，而且还支承穿过水下结构105的任 何材料的重量。
如图2所示，浮力部件108可通过使用一个或多个连接部件131 附接至水下结构105，连接部件131根据需要可以是刚性或柔性的。 此类连接部件131可以是缆绳、链、绳、杆等。
应该理解的是，浮力部件108连接至水下结构105的方式并不是 关键的，而只是一种优选设计方式。再次参照图3，其示出了浮力部件108直接附接至水下结构105 而不使用连接部件131 (见图2)的一些实施例。浮力部件108可套在 结构105周围，或可与结构105—体形成。
根据水下结构105的物理特性和其它设计参数，可能的是，在如 图2所示的提升点105F处提供提升可能导致一些类型的结构和/或构 造产生过大的应力。替代地，可沿着某一区域提供提升以便分散提升 结构105的应力。例如，在一些实施例中，如图3所示，可通过使用 多个浮力部件108 (或者一个大的细长浮力部件108)而沿提升区域 105F提供提升。
在一些实施例中，为了形成提升区105F，现在参照图4，其显示 了浮力部件108在沿提升区105F的多个点处通过多个连接件131连 接至水下结构。
在一些实施例中，为了形成提升区105F，现在参照图5，其显示 了多个浮力部件108沿提升区105F连接至多个点。
锚定部件111可通过使用连接器132连接至水下结构105，该锚 定部件111还被提供用以克服浮力部件108的浮力提升而稳定水下结 构105的位置，以及将其保持在预期位置。
锚定部件111在离岸钻井领域是公知的，并且任何合适的锚定部 件都可用作锚定部件111。锚定部件111可搁在海底120,在该情况下， 其具有适当的重量以抵抗浮力部件108的提升。替代地，锚定部件111 可附接至水底120。
如图2-5所示，锚定部件111可通过使用连接部件132附接至水 下结构105，这些连接件根据需要可以是刚性或柔性的。此类连接件 132可以是缆绳、链、绳、杆等。
在一些实施例中，可通过使用 一个以上的连接部件132将结构105 重复连接至锚定部件111。
在一些实施例中，新隔水管部件可通过使其从主机103延伸至水 底120而被安装，并且随后提升水下结构105的一部分使其离开水底 120,从而形成下凹区域105F和上凹区域105E (如图2所示)。在一些实施例中，新隔水管部件可通过下述方式进行安装首先 为其提供浮力部件108;随后使其从主机103延伸至水底120;以及允 许它形成具有下凹区域105F和上凹区域105E的水下结构105 (如图 2所示)。
在一些实施例中，浮升与锚定点105F附近的隔水管段可以是一 段预弯曲的管接头。通过该预弯曲的管接头，两个不同悬链结构之间 的过渡可能不会产生大的弯矩。
在一些实施例中，在点/区域105F处被浮升与锚定的管段是多个 锥形钢接头，其根据使引起疲劳的最大应力和应力振荡而将105下附 近的弯曲应力降低至可接受的水平。
在一些实施例中，外部的钟形口管或其它形式的弯曲限制件可被 连接至在点/区域105F处被浮升和锚定的管段。在该位置处管的弯曲 可由钟形口管或其它形式的弯曲限制件的几何构造来限制。
在一些实施例中，在点/区域105F处被浮升和锚定的管段可由钛 直管或钛锥形管制成。钛材料的低弯曲刚度允许在该区域处具有较大 的弯曲曲率。
在一些实施例中，在浮升和锚定点105F的区域中可使用短的柔 性软管。通过该柔性软管，可允许较大的弯曲曲率。
在一些实施例中，在浮升与锚定点/区域105F处可使用深水柔性 接头。在点105F之上和之下的两个悬链线结构的交叉可变成与深水 柔性接头成一定角度。
虽然本发明可用于安装新的隔水管部件，但对于改进现有水下结 构105的方法也是有用的。例如，对于具有延伸到水底120的水下结 构105的现有浮式主机103来说(如图l所示)，改进方法包括提升水 下结构105的一部分以使其离开水底120，从而形成下凹区域105F和 上凹区域105E (见图2)。
实例
进行了如图6所示的本发明的 一 个实施例的计算机模拟。
图7示出了图1所示的现有技术系统的疲劳结果，其结果是分别对应于26.5年和2.7年的"DOE-B"和"API-X"。
图8示出了图6所示的本发明一个实施例的系统的疲劳结果，其 结果分别对应于3470年和214年的"DOE-B"和"API-X"。与图1 所示的现有技术系统相比，其疲劳寿命分别增加了 130倍和79倍。
虽然已经对本发明的示例性实施例进行了特定描述，但是应该理 解的是，在不偏离本发明的精神和范围的前提下可对其进行各种其它 改进，这对于本领域技术人员来说是显而易见的并且可容易做出的。 因此，所附权利要求的范围不应局限于在这里给出的实例和说明，而 是权利要求应被解释为包含存在于本发明中的具有可专利的新颖性的 所有特征，包括本发明所属领域技术人员认为等同的所有特征。
权利要求
1、一种定位在具有水底的水体中的浮式系统，该系统包括漂浮在水中的主机部件；细长的水下管线结构，包括连接至主机的顶部；延伸到海底并适合于连接到搁在海底上的流送管线的底部；管线结构的呈上凹形状的第一部分；管线结构的呈上凹形状的第二部分；以及呈下凹形状的过渡段，所述过渡段位于第一部分和第二部分之间。
2、 如权利要求1所述的浮式系统，其中所述细长的水下结构包括 钢制悬链线式隔水管。
3、 如权利要求1-2中的一项或多项所述的浮式系统，还包括连接 至过渡段的浮力部件。
4、 如权利要求1-3中的一项或多项所述的浮式系统，还包括连接 至过渡段的锚定部件。
5、 如权利要求1-4中的一项或多项所述的浮式系统，还包括通过 多个连接件连接到过渡段、第一部分和第二部分中的至少一个上的浮 力部件。
6、 如权利要求1-5中的一项或多项所述的浮式系统，还包括通过 多个连接件连接到过渡段、第一部分和第二部分中的至少一个上的多 个浮力部件。
7、 如权利要求1-6中的一项或多项所述的浮式系统，还包括通过 多个连接件连接到过渡段、第一部分和第二部分中的至少一个上的锚 定部件。
8、 如权利要求1-7中的一项或多项所述的浮式系统，还包括通过 多个连接件连接到过渡段、第一部分和第二部分中的至少一个上的多 个锚定部件。
9、 如权利要求1-8中的一项或多项所述的浮式系统，还包括围绕 过渡段安装的浮力部件。
10、 如权利要求1-9中的一项或多项所述的浮式系统，其中所述 第一部分的最低点比过渡段的最高点低5至50米。
11、 如权利要求1-10中的一项或多项所述的浮式系统，其中所述 过渡段包括预弯曲支撑管、钟形口管、弯曲限制件、锥形应力接头、 钛应力接头、柔性软管和深水柔性接头中的至少一个。
12、 一种改进浮式系统的方法，该系统包括漂浮在具有水底的 水体中的主机；细长的水下结构，该水下结构具有第一端部、第二端 部，和定位在该第一端部与第二端部之间的主体，其中第一端部连接 至主机，主体延伸通过水体，以及第二端部位于水底附近，该方法包 括在提升点提升主体的过渡段，以便足以在第一水深处使主体的过渡段形成为下凹形状，在第二水深处使主体的一部分形成为上凹形状， 其中第二水深比第一水深更深。
13、 如权利要求12所述的方法，还包括将主体的过渡段锚定到水底。
14、 如权利要求12-13中的一项或多项所述的方法，其中提升过 渡段包括将过渡段从水底提升10至100米。
15、 如权利要求12-14中的一项或多项所述的方法，其中所述细 长的水下结构包括钢制悬链线式隔水管。
16、 如权利要求12-15中的一项或多项所述的方法，其中所述第 二水深比第一水深深5至50米。
全文摘要
本发明公开了一种定位在具有水底的水体中的浮式系统，该系统包括漂浮在水中的主机部件；细长的水下管线结构，该水下管线结构包括连接至主机的顶部；延伸到海底并适合于连接到搁在海底上的流送管线的底部；管线结构的呈上凹形状的第一部分；管线结构的呈上凹形状的第二部分；以及呈下凹形状的过渡段，所述过渡段位于第一部分和第二部分之间。
文档编号E02D5/00GK101517165SQ200780035066
公开日2009年8月26日 申请日期2007年9月19日 优先权日2006年9月21日
发明者G·罗登布施, H·张, J·Q·张, Y·S·李 申请人:国际壳牌研究有限公司