用于自升式平台操作的增强性能的具有最佳外围裙座的修改后的桩脚箱的制作方法

本发明涉及一种用于自升式平台操作的增强性能的具有最佳外围裙座的修改后的桩脚箱。

背景技术：

自升式钻井平台在用于钻井和天然气/石油制造的海上勘测中广泛使用。随着对能源的需求增加，海上勘测越来越多地靠近存在各种危险的地方。因此，自升式钻井平台的操作范围对其性能来说极其关键。

自升式钻井平台通常包括具有甲板或工作平台的可漂浮船体，以及三个或四个桩腿，其中桩腿的底部与基脚耦接，以在抬升情况中为船体提供支撑。在自升式钻井平台到达位置之后，桩腿降低直到基脚接触下面的海床并搁置在海床土壤上。随后，进行预负载，以在设计风暴期间模拟预期垂直基脚负载，以及对地基土壤进行保证试验。在预负载期间，将自升式平台抬升到水上方的最小间隙处，并且将压载水添加到船体中以将更多的重力负载施加到基脚上。基脚将保持穿入海床，直到土壤承载能力可等同于基脚所施加的预负载。在实现稳定穿入之后，去除压载水，接着可使用升降系统将船体抬高，从而将工作平台升高到水上方，这使得自升式钻井平台能够在自升式平台上施加有额外的负载的环境条件中进行安全操作。

自升式钻井平台的桩腿通常为管柱或桁架，每一桁架桩腿包括与一般在对角线上安置的交叉撑连接的垂直桁材。桩腿一般在搁置在海床上的自升式平台基脚中终止。基脚提供放大的承载面积，以便提供足够的承载能力且减少施加在海床土壤上的压强。因而，它降低了基座支撑自升式钻井平台所需要的桩腿的穿入深度，这允许自升式钻井平台在更多种位置和土壤类型中操作，其具有可供使用的桩腿长度。

现代的自升式钻井平台通常装备有单个基脚，所述基脚经常被称作“桩脚箱”，其连接到自升式钻井平台的每一桩腿。这允许在不均匀的海床或斜坡上或在其中需要相对于另一桩腿分别调整每一桩腿的高程的情况中支撑自升式钻井平台。如图1所示，传统的桩脚箱10通常具有连接到桩腿A的大体圆锥形的上半部11和用于接触海床的大体圆锥形的下半部或底座12，其中圆锥形的上半部和下半部通常在它们的外围处或通过桩脚箱侧壁13直接耦接。圆锥形底座有助于确保到海床中的一定穿入，即使是在硬土壤中，以便提供桩腿到海床中的一定锚定。作为圆锥形状的替代方案，上半部和下半部还可由三个或大于三个倾斜板构成。桩脚箱10进一步包括位于下半部12的底部处的中心尖端或塞子14。中心尖端或塞子14经设计以提供用于在软岩或硬土壤中穿入的剪力键。圆锥形或倾斜的底部，而不是平坦的底座，有助于在预期不完全平坦的海床中确保部分埋置情况下的支撑点尽可能同心。

在桩脚箱降落期间，当桩脚箱穿入海床时，中心尖端和圆锥形底部在垂直和横向方向上都将遭遇逐渐增加的阻力。因为阻力的逐渐增加允许更大程度地穿入到土壤中，所以这有利于增加土壤吸收能量的能力，且不会生成较大的反作用力。另外，随着桩脚箱进一步穿入，调动了额外的船体浮力，这提供了供能量耗散的额外来源，并且进一步减少了所经历的峰值冲击力。尽管其可以进行稳固的安装，但是传统的桩脚箱在紧砂或硬土中可能不能够提供最大固定性(由桩脚箱提供的旋转约束的量)，因为圆锥形底部的性质和自升式平台可施加的预负载的有限量。在此情况下，无法完全利用桩脚箱的完整直径，并且部分接触致使固定性低了很多。

裙座型桩脚箱一般用于增加承载能力，并因此相比于传统的桩脚箱(没有裙座)，增加了在紧砂中的固定性。裙座有效地提供“埋置”效果，所述“埋置”效果可能已经通过迫使基于平面的桩脚箱(没有裙座)进入与裙座深度相同的穿入程度来实现。如图2中所示，具有典型裙座20的桩脚箱类似于这样的传统的桩脚箱：圆锥形上半部21连接到桩腿A、下半部具有单倾斜底部或双倾斜底部22、桩脚箱侧壁23同时连接两个半部21、22，以及中心尖端或塞子24添加有外围裙座25和内部裙座26。对于圆形桩脚箱来说，如果在下半部由多个倾斜板形成时，桩脚箱底部具有圆锥形状，或其高度是变化的，那么裙座高度在整个周边周围可为均匀的。但是，正常裙座的最低尖端点通常低于中心尖端的最低点或至少与中心尖端的最低点齐平。

尽管其具有在沙质海床条件下增加固定性的优点，但是当自升式平台遇到软海床或硬海床时，相对较长的裙座可产生问题。例如，在软海床中，相对较长的裙座可形成桩腿抽提问题，因为存在增加的裙座表面的摩擦阻力和吸力作用。此外，具有相对较长的裙座的桩脚箱不适用于硬海床或岩石海床。当裙座遇到硬层，而桩脚箱底座没有与海床进行足够的接触时，裙座尖端实际上变成了支撑点。这将施加极高的应力，并潜在地损坏裙座。此外，除非硬海床完全平坦，否则外围裙座尖端仅可部分地接触硬层，这在桩脚箱上产生偏心负载。这种情形不是所希望的，因为由在桩脚箱水平的偏心支撑产生的弯曲力矩可在桩腿上施加相当大的初始应力，即使是在承受设计风暴之前的静态条件中。

具有相对较长的裙座的桩脚箱的另一潜在缺点可出现在在极坚硬的或硬粘土处降低自升式平台的桩腿期间。自升式平台的滚动或俯仰动作将同时导致桩脚箱的垂直和水平动作，因为它会冲击到海床。相比于传统的具有圆锥形底部和中心尖端的桩脚箱，裙座会吸引大得多的水平阻力。由于裙座型桩脚箱在冲击和穿入海床时，其横向突出宽度是恒定的，所以所得的水平阻力变得较大。水平阻力接着可变成用于利用桩腿固持系统能力的控制方面。当在岩石海床上冲击时，裙座还可能损坏。

为了增加在特定土壤条件下桩脚箱的稳定性，吉宝(Keppel)已揭示包括在裙座的上半部处具有开口的延长的裙座的桩脚箱(PCT申请，PCT/SG2012/000075)。延长的裙座的尖端比底部中心突起的尖端更低(即，更长)。此类桩脚箱具有特别是在上覆于硬层的软粘土中安装的优点，因为它允许滞留的土壤穿过裙座上的侧开口流动出去，且确保足够的裙座到硬层中的埋置。然而，对于其它土壤条件来说，这个概念不是理想的解决方案，且相对较长的裙座可限制自升式平台的性能。

技术实现要素：

本发明的一个方面是提供一种用于自升式平台操作的增强性能的具有最佳外围裙座的修改后的桩脚箱。

在一个实施例中，具有最佳外围裙座的桩脚箱包括桩脚箱顶部部分、桩脚箱底部部分，其中桩脚箱底部具有从桩脚箱底部的中心部分突出的中心尖端；其中顶部部分和底部部分在它们的外围处耦接以形成船体结构，以及外围裙座，其具有耦接到桩脚箱底部部分的上部末端和朝下延伸的下部末端，其中外围裙座的下部末端的尖端高于中心尖端的远侧末端。

在另一实施例中，桩脚箱进一步包括安置在桩脚箱顶部部分和桩脚箱底部部分之间的桩脚箱侧壁，以便连接桩脚箱顶部部分和桩脚箱底部部分，从而形成船体结构。

在另一实施例中，顶部部分具有平坦表面、圆锥形或多个倾斜平面配置。在又一实施例中，底部部分具有平坦底座、圆锥形或多个倾斜平面配置。

在另一实施例中，外围裙座的高度与桩脚箱的直径和桩脚箱底部部分的垂直高度两者相关，并且其中从中心尖端的远侧末端到外围裙座的下部末端的尖端的斜坡和从中心尖端的远侧末端径向延伸的水平线之间的角度在2度到25度范围内。

本发明的另一方面是提供一种自升式平台。在一个实施例中，自升式平台包括其上安置有配件的平台；用于支撑平台的多个桩腿；以及具有最佳裙座的多个桩脚箱，其中一个桩脚箱附接到一个桩腿的底部末端；其中具有最佳裙座的桩脚箱包括耦接到多个桩腿中的一个桩腿的桩脚箱顶部；桩脚箱底部部分，其中桩脚箱底部具有从桩脚箱底部的中心部分突出的中心尖端；其中顶部部分和底部部分在它们的外围处耦接以形成船体结构；以及外围裙座，其具有耦接到桩脚箱底部部分的上部末端和朝下延伸的下部末端，其中外围裙座的下部末端的尖端高于中心尖端的远侧末端。

根据本发明的优选实施例的以下详细描述并结合附图，本发明的目标和优点将变得显而易见。

附图说明

现将参看附图描述根据本发明的优选实施例，其中相同的附图标记表示相同的元件。

图1示出现有技术中的传统桩脚箱的横截面图。

图2示出现有技术中具有典型裙座的桩脚箱的横截面图。

图3示出根据本发明的实施例的具有最佳裙座的桩脚箱的横截面图。

图4展示其中使用本发明的具有最佳裙座的桩脚箱的例示性情形。

图5示出采用最佳裙座桩脚箱的自升式平台的侧视图(a)，以及根据本发明的一个实施例的自升式钻井平台的桩腿和最佳裙座桩脚箱之间的耦接的等角视图(b)。

具体实施方式

参看本发明的某些实施例的以下详细描述可更容易理解本发明。

在本申请案中参考了公开案，这些公开案的揭示内容在此以全文引用的方式并入到本申请案中，以便更完整地描述本发明所涉及的技术发展水平。

本发明的一个方面提供用于自升式平台操作的增强性能的具有最佳外围裙座的修改后的桩脚箱。简单来说，裙座的底部末端高于中心突起/尖端的底部末端。最佳裙座桩脚箱在自升式平台操作的各个阶段是通用的。裙座的高度取决于特定应用的设计需求；设计中可考虑的因素包含：i)桩脚箱直径，ii)桩脚箱底部(还包含中心尖端)的总高度，iii)从最大承载面积的裙座尖端高度，iv)中心尖端和裙座尖端之间的斜率，以及v)在裙座尖端水平的对应的桩脚箱底部承载面积。

现参看图3，提供根据本发明的一个实施例的具有最佳裙座的桩脚箱的横截面图。具有最佳裙座100的桩脚箱包括桩脚箱顶部部分110、桩脚箱底部部分120、桩脚箱侧壁130和外围裙座140。桩脚箱顶部部分110可为圆锥形或多个倾斜平面配置；当应用在自升式平台中时，桩脚箱顶部部分110与自升式平台的桩腿A耦接，以支撑自升式钻井平台的一个桩腿。桩脚箱底部部分120可为平坦底座，或圆锥形或具有向下斜坡的多个倾斜平面配置。在一个实施例中，它具有双倾斜配置。桩脚箱底部部分120具有从桩脚箱底部的中心点突出的中心尖端150。桩脚箱侧壁130连接顶部110和底部120以形成船体结构。在某些实施例中，省略桩脚箱侧壁130，以使得桩脚箱顶部110和桩脚箱底部120在它们的外围处耦接以形成外部边缘。

外围裙座140具有一体地耦接到桩脚箱底部的上部末端。裙座和侧壁通常是齐平的(图3a)，但是裙座和桩脚箱底部之间的耦接点可变化；例如如图3b中所示，略微径向朝内地放置裙座。外围裙座140还具有朝下突出的下部末端，以使得外围裙座140包围桩脚箱底部部分120，其中桩脚箱底部中的中心尖端150的远侧末端低于外围裙座140的下部末端的尖端。外围裙座140的高度(H_s)141与桩脚箱140的直径122和桩脚箱底部120的垂直高度(H_t)121两者相关。从中心尖端150的远侧末端到外围裙座140的尖端的斜坡和从中心尖端150的远侧末端径向延伸的水平线之间的角度(α)124在2度到25度范围内，优选地在5度到25度范围内，并且更优选地在10度到20度范围内。最小裙座高度确保用于空隙填充目的的足够的限制和最小冲刷防护。在裙座尖端水平123的有效桩脚箱直径相对于外围裙座122的直径可在1％和75％之间变化，优选地在5％和50％之间变化，并且更优选地在10％和30％之间变化。超出这个范围的过小或过大范围可损害上述性能中的一些性能。

最佳裙座桩脚箱100可由任何合适的材料组成，并以任何合适方式进行组合。材料和组合件在本领域中是公知的；因此为了不混淆本发明的原理，本文将不再提供进一步的细节。

裙座高度可经配置以促进完全的底部接触或在就地情况期间提供“埋置效果”。换句话说，可保留正常裙座型桩脚箱在紧砂海床中固定性增加的主要好处。类似地，对于在极坚硬的粘土中安装，其中已预期使用传统桩脚箱的部分的底部接触，裙座实现空隙填充以实现完全接触。反过来，这将最大化(特别是在粘土质中)水平滑动能力以及桩脚箱的固定性。

同时，在桩脚箱降落在海床上期间，形成中心尖端和圆锥形底部以显著控制与海床的相互作用。这采用了如描述于前面部分中的传统桩脚箱的优点。通过在冲击的初始阶段期间，最小化与裙座的接触和吸引更少的桩脚箱水平阻力，在(特别是在硬海床上)安装期间，自升式平台性能不会因为裙座的存在而损害。

当桩脚箱坐落于硬土壤或岩石海床上，且穿入极浅时，裙座尖端高于中心尖端的底部将确保即使不是全部也会是大部分桩脚箱反作用力由中心尖端获得。最佳裙座将阻止裙座接触支撑点，其可在桩脚箱上形成偏心负载。当裙座尖端高于中心尖端的底部时，中心尖端将变成支撑，并且可最小化裙座尖端对海床起反作用的势能。这个还应用在自升式平台搁置在波形或倾斜海床上时。

在粘土层海床中抽提期间，裙座用于提高在桩脚箱底部处的水喷射系统的效力(相比于传统的桩脚箱)，并且最小化来自裙座的额外的摩擦阻力(相比于长的裙座型桩脚箱)。限制喷射压力将有助于确保跨越桩脚箱底部的更均匀的压力分布，并因此可更有效地补偿吸气压力或在桩脚箱底部处提供上升推力。

最佳配置将有助于确保在各种情况中桩脚箱的有利性能，所述情况例如，i)在安装期间的降落，ii)坐落在波形/倾斜海床上，iii)在安装之后的空隙填充，iv)在就地期间的冲刷防护，v)在就地期间的固定，以及vi)在桩腿抽提期间的上升阻力和水喷射限制。

现参看图4，提供示出在各种情形中的最佳裙座桩脚箱的操作的应用的说明性视图。在图4A中，在桩脚箱降落在硬海床上期间，中心尖端将对海床起反作用。在经常是最关键的冲击的初始阶段期间，可阻止海床与裙座的相互作用，并因此吸引更少的冲击力。在图4B中，当自升式平台坐落在倾斜到某一程度的极硬的或岩石海床时，可确保中心尖端变成支撑点，并且可最小化由裙座尖端对海床起反作用而导致的潜在的偏心负载。图4C中还展示其中自升式平台安装在沙石海床上的情形。除了提供最小的冲刷防护之外，裙座还保持由完全接触面积和“埋置”效果产生的固定性增加的主要好处。如果需要。通过经由喷射线注射重晶石或其它物质，裙座有助于空隙填充以实现完全接触。图4D示出安装在上覆于极坚硬的海床的软粘土中的桩脚箱。通过提供到极坚硬的层中的埋置和增加的横向突出面积，裙座提高了水平滑动能力。如果在桩脚箱底部和硬海床之间滞留的粘土被考虑为足够坚硬且由裙座限制，那么这将能够增加固定性。图4E展示在桩腿抽提期间在桩脚箱底部区域处的水喷射可如何通过最佳裙座进行限制。从喷射喷嘴辐射的压力的限制将有助于确保跨越桩脚箱底部的更均匀的压力分布，并因此它可更有效地补偿吸气压力或在桩脚箱底部处提供上升推力。

现参看图5，提供采用最佳裙座桩脚箱的自升式平台的侧视图(a)，以及根据本发明的一个实施例的自升式钻井平台的桩腿和最佳裙座桩脚箱之间的耦接的等角视图(b)。图5a示出自升式平台200，其包括多个桩腿210(示出4个桩腿)，其中的每一个桩腿与图5b中详述的桩脚箱100耦接，平台220由多个桩腿210支撑，以及配件230。自升式平台的三桁材式桁架桩腿连接到具有最佳裙座的圆形桩脚箱。桩脚箱顶部和桩脚箱底部由在桩脚箱底部具有中心尖端突起的三个倾斜板组成。外围裙座耦接到紧靠着桩脚箱壁之下的桩脚箱底部。外围裙座的下部末端的尖端高于中心尖端的远侧末端。

虽然已经参考特定实施例描述了本发明，但是应理解所述实施例是说明性的，并且本发明的范畴不限于此。本发明的替代性实施例对本发明所涉及的本领域的普通技术人员来说将变得显而易见。此类替代性实施例被视为涵盖在本发明的范畴内。因此，本发明的范畴由所附权利要求书定义，并由上述描述支持。