深水钻井生产立式储油平台及其操作方法
【专利摘要】本发明提供一种深水钻井生产立式储油平台及其操作方法，其中立式储油系统包括一个立式储油舱通过油水置换方法来储存油，一个油沉箱连接到储油舱顶部，一个水沉箱连接到储油舱的底部，隔离垫设置在储油舱油水界面间并且能够随油水界面层自由浮动，水管道从平台中心井顶部集水槽延伸到平台底部的水沉箱，水通道顺着中心井延伸到平台底部水沉箱下端的排水口，输油管从平台上部设施延伸到油沉箱；相应的立式储油系统储油过程的油水置换和油水分离方法及流程，其中包括将油水置换出的水通过水管道从水沉箱排放到中心井上部的集水槽进行油水二次分离，然后将水通过中心井以及水通道至平台底部的出水口后排出到大海。
【专利说明】深水钻井生产立式储油平台及其操作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及领域为海上石油钻井和生产设施中的石油储存系统，尤其涉及一种深水钻井生产立式储油平台及其操作方法，其利用油水置换来储油和卸油的方法不会将储油置换出的含油污水直接排放入海水中。
【背景技术】
[0002]图1和图2A展示了传统经典深吃水立柱式平台100的前视图和透视图。图2A中深吃水立柱式平台100包括一个用来海上石油钻井和生产的上部设施202和船体204。上部设施202位于水线200以上。该船体204位于上部设施202的下方，通常是650到750英尺长，90至160英尺直径，直立漂浮在水上，船体大部分淹没在海水中。该船体204设计吃水通常在600到700英尺，具体吃水取决于深吃水立柱式平台100服务的当地海洋环境条件。
[0003]船体204包括三个主要组成部分:硬舱206位于船体的上部，其主要为船体204提供浮力和支撑上部设施202 ;中间舱208位于硬舱206的下面，其提供贮油功能或完全灌满海水；软舱210位于深吃水立柱式平台100的底部，为平台提供必要的稳性压载。硬舱206包括一个在下端的压载水舱214和位于硬舱206中心的中心井212。中心井212自下而上充满水，并且通过水密的、贯穿中间舱208到深吃水立柱式平台100底端的水通道218 (或立管导管)与平台下端的外部海水直接连接。水密甲板220可以应用在通水通道218的顶部(位于硬舱206的中心井212)和底部(位于软舱210的底部)。图2B表不的是一个置于硬舱206中的水通道218的顶部水密甲板220。水密甲板220可以包含多个水密甲板开口 222，为方便穿过水通道218。此外，设置于深吃水立柱式平台100外壁的锚缆系统216连接海底从而能够保证深吃水立柱式平台100在海水中的定位。
[0004]对于传统经典的深吃水立柱式平台，如图1和2A中显示的深吃水立柱式平台100，可以采用湿式储油系统来存贮生产出的原油。湿式储油的定义是，原油储存通过对同一储油舱内的油水置换来实现，油的比重比水轻，浮在水上面，自然形成一个油水界面层。利用湿式储油方法的优点是立式储油舱外部压力和内部水压力基本上是平衡的，这样可以使深吃水立式储油舱壳体结构的设计更经济。缺点是如果油水置换排放出的油水界面含油混合水体不经过处理直接排放入海水中，可能造成环境污染。传统观点认为没有昂贵的专业设备，是难以完全将大量的排出的含油混合水进行分离，同时大量设备的安放也将显著增加平台上部设施的重量。为了解决可能的污染问题并符合环境有关法律规定，传统深吃水立柱式平台采用的方式是将生产出的石油通过一个深水管道输运到岸上，而不是将石油用湿式储油方法存储在平台的储油舱内然后通过穿梭油轮输出。然而，深水外输管道通常是非常昂贵的，因为深水海上油田通常离海岸都非常远。
[0005]综上所述，有必要研发一种改进的储油系统并能够将其应用于海上石油钻井和生产平台。
[0006]另外一个需要是储油系统采用改进的是油水置换方法，使排放出的含油混合水体完全实现油水分离后再将水排入大海，从而避免环境污染。
[0007]本发明涉及的系统和方法满足这些需要并给出了改进的技术。
【发明内容】
[0008]本发明的主要目的在于克服现有产品存在的上述缺点，而提供一种深水钻井生产立式储油平台及其操作方法，采用立式储油系统，并利用油水置换来储油和卸油的方法，使排放出的含油混合水体完全实现油水分离后再将水排入大海，从而避免环境污染。
[0009]本发明的目的是由以下技术方案实现的。
[0010]本发明深水钻井生产立式储油平台，可以用来从事深海石油钻井、生产和大量原油存贮，其特征在于，包括一个用来海上石油钻井和生产的上部设施和一个深吃水的船体，船体部分大部分在水面以下，包括三个主要组成部分:(I)硬舱位于船体的上部，其主要为船体提供浮力和支撑上部设施；(2)中间舱位于硬舱的下面，提供贮油功能即为储油舱；
(3)软舱位于该平台的底部，为平台提供必要的稳性压载；硬舱包括一个在下端的压载水舱和位于硬舱中心的中心井；中心井自下而上充满水，并且通过水密的、贯穿中间舱即储油舱到浮式平台底端的通水通道或者立管导管与平台下端的外部海水直接连接。
[0011]前述的深水钻井生产立式储油平台，其特征在于，可进一步包括一种位于船体中间部分的立式储油系统，其包括一个储油舱，里面储有油和水，储油舱垂直方向的尺寸通常大于水平方向的尺寸，因此称为立式或垂直储油系统，可以采用湿式储油即原油储存通过对同一储油舱内的油水置换来实现存贮生产出的原油和外输，从而替代昂贵的深水原油外输管道和节省船体的建造成本。
[0012]前述的深水钻井生产立式储油平台，其特征在于，所述立式储油系统可进一步包括油沉箱连接在储油舱顶部只用于储油，水沉箱连接在油舱底部只用于储水，油水隔离垫基本位于油和水的油水界面之间起到将油和水隔离的效果，水管道向上延伸入中心井上部的集水槽向下延伸入水沉箱，水通道从硬舱中心井向下穿过水密储油舱连接到平台船体底部舱外的海水，油管道从上部设施延伸入油沉箱。
[0013]前述的深水钻井生产立式储油平台，其特征在于，所述立式储油系统可进一步包括储油舱含有一个双层的外壳结构，使储油舱更加安全；双壳空间内可以充满了水和压缩空气，以保持船体在加载或卸载油或水的吃水能够保持在一个恒定的水平。调节双壳结构内的水量可以通过水泵直接抽进或者通过空气泵将压缩空气注入，以将水排走出双壳结构，在外壳结构的底部为一个开放的水进出通道。
[0014]前述的深水钻井生产立式储油平台，其特征在于，所述立式储油系统，可进一步包括一个油水隔离垫，其直径与储油舱的内径基本相等，隔离垫可以是橡胶，合成纤维，或者任何材料的组合，总体的等效密度介于油和水密度之间，以保持油水界面处在隔离垫厚度的中间，隔离垫可以包括一个上层甲板，下层甲板，和一个或多个位于上层甲板和下层甲板之间的挡板；上层甲板和下层甲板可进一步包括一个或多个甲板开口，方便水通道和水管道穿过并确保流体在垂直方向上没有被隔离垫挡住。这样，隔离垫可以与移动的油水界面上下顺利浮动，隔离垫可以使上面的油和下面的水到充分的相互分离，从而使油和水之间的油水混合物减少到最低。
[0015]本发明权利要求1所述的深水钻井生产立式储油平台的操作方法，其特征在于，包括立式储油系统油水置换方法和油水分离方法；该立式储油系统油水置换方法包括从上部设施通过油管道为储油舱注油，将置换出的水首先通过水管道从水沉箱排放到中心井上部的集水槽，而不是在平台底部的排水口被直接排出到大海；该立式储油系统油水分离方法包括在上部集水槽中，从水沉箱进入的被排出的水中即使仍然含有少许的油，这些油会浮在水的上面，即二次油水分离。最后，经历过储油舱和集水槽两次油水分离过程后的没有油污染的水，可以通过中心井中的水通道,流经底部的排水口排出到海水中。从平台底部排水口到上部集水槽是一段非常长的距离(通常约600英尺)，由于重力效应，这一高度可以进一步提高油水分离过程，从而确保被排放到大海中的水不会含有任何油污染。
[0016]本发明深水钻井生产立式储油平台及其操作方法的有益效果，本发明通过科学设计的隔离垫，水沉箱和油沉箱，水管道和油管道，以及水通道，将油水置换出水中的含油在排放到大海之前进行分离，从而防止环境污染。此外，本发明使湿式储油即油水置换方法能够应用于传统的深吃水立柱式平台或任何其它平台上，通过设置储油舱来存储生产出的油，从而节省用于建造昂贵的深水石油输出管道的成本。
【专利附图】
【附图说明】:
[0017]图1显示了一个常规的传统经典深吃水立柱式平台的正面图，无储油功能，中部舱完全充满海水。
[0018]图2A是一个内刨面图，显示的是改进的经典深吃水立柱式平台形式，平台可以用于钻井、生产、储油，平台船体的中段部分即为储油舱。
[0019]图2B是一个俯视图，显示的是位于硬舱底部的水密甲板。
[0020]图3A是一个侧立面图，显示的是本发明中的立式储油系统。
[0021]图3B显示的是储油舱的第一种工况(满水)。
[0022]图3C显示的是储油舱的第二种工况(满油)。
[0023]图4A是一个侧立面图，显示的是本发明中的油水隔离垫。
[0024]图4B是一个油水隔离垫的俯视图。
[0025]图5显示的是本发明中的油水置换和油水分离方法流程图。
【具体实施方式】
[0026]所述图纸说明仅仅适合选定的几个样式，而不是所有可能，也不是为了限制本发明公开的范围。结合附图将能够更好的理解本发明。
[0027]解释本发明的细节之前需要申明，本发明并不局限于选定的内容，它可以有其它各种方式或形式。
[0028]需要重申，立式储油系统及其方法可以应用在任何水域。术语“油”可以包括原油和其它碳氢油类。“水”可以包括海水和淡水。
[0029]本发明是一种立式储油系统，利用油水置换方法来储油和卸油，但不会将含油污水直接排放入海。
[0030]图3A显示的是本发明中的用在深吃水立柱式浮式平台上的立式储油系统300。立式储油系统300包括一个储油舱308，其垂直方向的尺寸通常大于水平方向的尺寸，因此称为立式或垂直储油系统，里面储有油322和水324，油沉箱306连接在储油舱308顶部用于储油322，水沉箱312连接在储油舱308底部用于储水324，油水隔离垫310基本位于油322和水324的油水界面之间，水管道304向上延伸入中心井212上部的集水槽314，向下延伸入水沉箱312，水可以在通水通道218中上下自由流动，油管道302从上部设施202延伸入油沉箱306。
[0031]油水隔离垫310位于上面的油322与下面的水324的油水界面之间，起到将油和水隔离的效果。另外，为进一步确保水324在油水置换时不被油322所污染，当生产的石油322被注入到立式储油系统300储油舱时，为了保持平台的稳定，相应量的水324需要被排出进入到大海，此时，被排出的水能够首先通过水管道304进入位于中心井212上部的集水槽314，而不是通过位于平台底部(通常方式)的排水口 326被直接排出到大海；在上部集水槽314中，从水沉箱312进入到集水槽314中的被排出的水324中即使仍然含有少许的油322，在集水槽314中，这些油322会浮在水324的上面。最后，经历过储油舱308和集水槽314两次油水分离过程后的没有油污染的水324，可以通过中心井212中的通水通道218，流经底部的排水口 326排出到海水中。从平台底部排水口到上部集水槽314是一段非常长的距离(通常超过600英尺)，由于重力效应，这一高度可以进一步提高油水分离过程，从而确保被排放到大海中的水不会含有任何油污染。
[0032]即使在如图3B所示的未装原油(满水)的第一种工况，即油水隔离垫310位于储油舱308的顶部的情况下，油沉箱306也可存储一定的纯原油322。即使在如图3C所示的装满原油的第二种工况，即油水隔离垫310位于油舱308的底部的情况下，水沉箱312也可存储一定的纯水324。主要有三个原因导致油沉箱306或沉箱水312箱可存储一定的纯油或纯水:1)石油的密度(约0.8至0.9)总是小于水的密度(海水的密度大约是1.025)，因此油会自然漂浮在水上面；2)油水隔离垫310的等效密度介于油和水密度之间的，因此总是浮在水324上面和油322下面，从而可以将油322和水324的主体隔离；3)油沉箱306与水沉箱312的横截面积要小于油舱308，因此隔离垫的隔层内能够在第一种工况时，保留一部分油，在第二种工况时保留一部分水。
[0033]在与本发明相关的设计中，甲板阀316可以安装于上部集水槽314的底部，用来隔离上部集水槽314与中心井212。当有必要清洁上部集水槽314时，甲板阀316可封闭隔离上部集水槽314。此外，由于上部集水槽314接近于水线面200，容易人员进出，因此该集水槽314比较容易清洁，而不需要涉及整个中心井212。
[0034]在与本发明相关的设计中，需要考虑储油舱308的外壳结构320的结构安全问题。外壳结构320首选设计应是一个双壳结构。双壳空间内可以充满了水和压缩空气318，以保持船体204在加载或卸载油或水的吃水能够保持在一个恒定的水平。调节双壳结构320内的水量可以通过水泵(未显示)直接抽进或者通过空气泵(未显示)将压缩空气318注入，以将水排走出双壳结构320。在外壳结构320的底部设计为一个开放的水进出通道。
[0035]图4A和图4B显示了油水隔离垫310在油舱308中的侧立面图及俯视图。隔离垫310的直径与储油舱308的内径相等，隔离垫的厚度大概为6-20英尺，具体厚度取决于船体204的直径。隔离垫310可以是橡胶，合成纤维，或者任何材料的组合，总体的等效密度介于322油和水324密度之间。隔离垫最适合的密度大约是322油和水324的平均密度，以保持油水界面400处在隔离垫厚度的中间。
[0036]隔离垫310可以包括一个上层甲板404,下层甲板406,和一个或多个位于上层甲板404和下层甲板406之间的挡板402。上层甲板404和下层甲板406可进一步包括一个或多个甲板开口 408，方便水通道218和水管道304穿过并确保流体在垂直方向上没有被隔离垫310挡住。这样，隔离垫310可以与移动的油水界面400上下顺利浮动。基于隔离垫310的密度介于油322和水324之间的这一特点，油水界面400可以很好地被控制在隔离垫310的厚度范围内。因此，隔离垫310以上的油322和隔离垫310以下的水324可以得到充分的相互分离。挡板402可以进一步降低油水界面400的自由表面效应，从而使油322和水324之间的油水混合物减少到最低。
[0037]在一些设计中，挡板402也可以有一个或多个孔(未显示在图4A中)允许流体在水平方向流动。
[0038]图5说明在立式储油系统300中油水置换的相关方法和流程。该方法包括:500从上部设施通过内油管道为储油舱注油；502将置换出的水通过舱内水管道从水沉箱排放到中心井上部的集水槽；504然后将水通过中心井以及水通道至平台底部的出水口排出。
[0039]在一些设计中，500通过油管往储油舱注油可以利用上部设施中设置的油泵进行泵油。
[0040]在一些设计中，502通过水管从水沉箱到中心井上部的集水槽往外排水可以利用水泵进行操作。
[0041]本发明绝不限于被应用于任何特定平台形式或水域。
[0042]本发明绝不限于被应用于任何特定数量的油沉箱和水沉箱，水槽，水管道，油管道，水通道，或隔离垫等。
[0043]总之，本发明的以上所有描述可以总结为如下几点优势特征:本发明通过科学设计的隔离垫，水沉箱和油沉箱，水管道和油管道，以及水通道，将油水置换出水中的含油在排放到大海之前进行分离，从而防止环境污染。此外，本发明使湿式储油方法能够应用于传统的深吃水立柱式平台或任何其它平台上，通过设置储油舱来存储生产出的油，从而节省用于建造昂贵的深水石油输出管道的成本。
[0044]以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
【权利要求】
1.一种深水钻井生产立式储油平台，可以用来从事深海石油钻井、生产和大量原油存贮，其特征在于，包括一个用来海上石油钻井和生产的上部设施和一个深吃水的船体，船体部分大部分在水面以下，包括三个主要组成部分:(I)硬舱位于船体的上部，其主要为船体提供浮力和支撑上部设施；(2)中间舱位于硬舱的下面，提供贮油功能即为储油舱；(3)软舱位于该平台的底部，为平台提供必要的稳性压载；硬舱包括一个在下端的压载水舱和位于硬舱中心的中心井，该中心井自下而上充满水，并且通过水密的、贯穿中间舱即储油舱到浮式平台底端的通水通道或立管导管与平台下端的外部海水直接连接。
2.根据权利要求1所述的深水钻井生产立式储油平台，其特征在于，可进一步包括一种位于船体中间部分的立式储油系统，其包括一个储油舱，里面储有油和水，储油舱垂直方向的尺寸通常大于水平方向的尺寸，因此称为立式或垂直储油系统，可以采用湿式储油即原油储存通过对同一储油舱内的油水置换来实现存贮生产出的原油和外输，从而替代昂贵的深水原油外输管道和节省船体的建造成本。
3.根据权利要求2所述的深水钻井生产立式储油平台，其特征在于，所述立式储油系统可进一步包括油沉箱连接在储油舱顶部只用于储油，水沉箱连接在油舱底部只用于储水，油水隔离垫基本位于油和水的油水界面之间起到将油和水隔离的效果，水管道向上延伸入中心井上部的集水槽向下延伸入水沉箱，水通道从硬舱中心井向下穿过水密储油舱连接到平台船体底部舱外的海水，油管道从上部设施延伸入油沉箱。
4.根据权利要求3所述的深水钻井生产立式储油平台，其特征在于，所述立式储油系统可进一步包括储油舱含有一个双层的外壳结构，使储油舱更加安全；双壳空间内可以充满了水和压缩空气，以保持船体在加载或卸载油或水的吃水能够保持在一个恒定的水平。调节双壳结构内的水量可以通过水泵直接抽进或者通过空气泵将压缩空气注入，以将水排走出双壳结构，在外壳结构的底部为一个开放的水进出通道。
5.根据权利要求3所述的深水钻井生产立式储油平台，其特征在于，所述立式储油系统，可进一步包括一个油水隔离垫，其直径与储油舱的内径基本相等，隔离垫可以是橡胶，合成纤维，或者任何材料的组合，总体的等效密度介于油和水密度之间，以保持油水界面处在隔离垫厚度的中间，隔离垫可以包括一个上层甲板，下层甲板，和一个或多个位于上层甲板和下层甲板之间的挡板；上层甲板和下层甲板可进一步包括一个或多个甲板开口，方便水通道和水管道穿过并确保流体在垂直方向上没有被隔离垫挡住。这样，隔离垫可以与移动的油水界面上下顺利浮动，隔离垫可以使上面的油和下面的水到充分的相互分离，从而使油和水之间的油水混合物减少到最低。
6.—种如权利要求1所述的深水钻井生产立式储油平台的操作方法，其特征在于，包括立式储油系统油水置换方法和油水分离方法；该立式储油系统油水置换方法包括从上部设施通过油管道为储油舱注油，将置换出的水首先通过水管道从水沉箱排放到中心井上部的集水槽，而不是在平台底部的排水口被直接排出到大海；该立式储油系统油水分离方法包括在上部集水槽中，从水沉箱进入的被排出的水中即使仍然含有少许的油，这些油会浮在水的上面，即二次油水分离。最后，经历过储油舱和集水槽两次油水分离过程后的没有油污染的水，可以通过中心井中的水通道，流经底部的排水口排出到海水中。从平台底部排水口到上部集水槽是一段非常长的距离(通常约600英尺)，由于重力效应，这一高度可以进一步提高油水分离过程，从而确保被排放到大海中的水不会含有任何油污染。
【文档编号】E21B43/01GK103912245SQ201310321292
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2013年7月29日 优先权日:2012年8月7日
【发明者】王晋, 李志刚, 罗勇, 张艳芳 申请人:中国海洋石油总公司, 海洋石油工程股份有限公司, 北京高泰深海技术有限公司, 上海交通大学