立管组件及方法

立管组件及方法
【专利摘要】公开了一种立管组件及一种用于制造立管组件的方法。该立管组件（300）包括立管（302），其具有沿着立管的长度相隔预定间隔设置的用于支承立管的多个浮力元件（3046-7）；以及至少一个其它浮力元件（3041-5），其布置成以用于适应立管中的由于船舶运动而引起的拉伸力变化的构型来支承立管。
【专利说明】立管组件及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于设置立管组件的方法及设备。特别地但非排他性地，本发明涉及一种适于在石油和天然气工业中、特别是在深水应用及超深水应用中使用的立管组件，该立管组件针对与更深的水深和大幅的船舶运动相关联的问题提供了改进的性能。
【背景技术】
[0002]通常，利用柔性管将诸如石油和/或天然气和/或水之类的产品流体从一个位置输送至另一个位置。柔性管在将海底位置(其可以是水下较深的)连接至海平面位置方面中是特别有用的。柔性管通常被形成为一种由柔性管本体与一个或更多个端部配件构成的组件。管本体通常被形成为由分层材料构成的组合件，这些分层材料形成了承压导管。该管结构允许发生一定程度的偏转而不会在其使用期限内产生削弱该管的功能性的弯曲应力。管本体通常被构建成包括金属层和聚合物层的组合结构。
[0003]已将无束缚的柔性管用于深水(小于3，300英尺(1，005.84米))开发和超深水(大于3，300英尺)开发。正是对石油的不断增大的需求造成了于环境因素更为极端的越来越深的深度处进行勘探。在许多已知的柔性管设计中，管本体包括一个或更多个拉伸防护层(tensile armour layer)。这种层上的主要负荷是拉伸力。在诸如深水环境和超深水环境之类的高压应用中，拉伸防护层承受来自柔性管的内部压力端盖负荷与自身支承的重量的合成结果的高拉伸负荷。由于在持续很久的时间段期间都要经历这种状况，因此，作为水深较深的结果，较高的拉伸负荷和较高的拉伸负荷变化会造成柔性管中的疲劳损坏和不完全的疲劳破坏。
[0004]在过去用以在某种程度上缓解上述问题所尝试的一种技术是将浮力辅助件沿着竖直立管或悬链线立管的长度添加于预定位置处，该立管从浮动设施悬浮下来并且延伸至海床。W02007/125276公开了这种阶梯式的立管。该浮力辅助件提供了向上的提升力，以便在沿立管长度的多个位置处抵消立管的重量，从而有效地承担立管的一部分重量。
[0005]图2示出了已知的立管组件200，其适于将诸如石油和/或天然气和/或水之类的产品流体从海底位置201输送至浮动设施202。例如，在图2中，海底位置201是海底流动管线203。该柔性的流动管线203包括柔性管，该柔性管整体地或部分地搁置在海床204上或被埋置在该海床的下面并且在静态应用中使用。浮动设施可由平台和/或浮标提供，或者是如图2中所示的船舶。可使用任何这种浮动设施，并且如在本文中所使用的那样，术语“船舶”用于包含任何浮动设施。立管200被设置成柔性立管，即将船舶连接至海床安装装置的柔性管。这里，柔性管包括柔性管本体的五个区段20?至2054以及管本体的相邻区段之间的四个接合处。在每个接合处，浮力辅助件206。至2063以某种方式附接至柔性管，从而将上升力给予该管并且降低沿着管长度的拉伸负荷。该构型有时被称之为阶梯式立管构型。
[0006]在使用期间，由于船舶在海面上的运动以及因前述运动而在立管中累积的动量，可使立管的构型发生改变。这造成立管中的拉伸力改变。作为最大拉伸力降低和最大拉伸力变化降低的结果，阶梯式的立管通常具有较长的使用期限。
[0007]如果出于将最大拉伸力降低至所期望的低水平的目的而将浮力辅助件206。放置成过于靠近船舶，那么柔性管本体20?就会承受松弛负荷(slacking load)和峰值负荷(SP分别为过低的拉伸力或压缩力以及过高的拉伸力)。当例如浮力辅助件206。正沿向上的方向(由于来自前述运动的动量而)运动、而同时船舶的运动沿向下的方向推动该立管时，这会造成柔性管本体205。的压缩或松弛(slacking)。在随后的运动中，柔性管本体205。随后会受到峰值拉伸力，该峰值拉伸力的幅度可高于正常拉伸负荷的幅度。此外，柔性管本体205。变得松弛到偏离其大体直线形的构型并形成具有大曲率角的突起(诸如欧米伽形突起)的程度。这种曲率由于过度弯曲而对于立管的结构会是有害的。
[0008]在所谓的“酸性”服务环境中，即，当产品流体包含呈溶液形式或呈气态形式的浓度相对高的硫化氢气体(H2S)时，H2S和诸如CO2之类的其它气体种类可穿过管的流体保持层而渗透到限定在柔性管本体的各个层之间的环形区域中。因此，柔性管的各个层受到相对呈酸性的状况的影响。在这种状况中，已知的技术将“酸性服务材料”用于柔性管的潜在地易受到伤害的部件。这通常涉及使用在制造期间已经经历过热加工/冷加工的线材和/或已经添加有防腐添加剂的线材。该酸性线材与(用于非酸性环境中的)所谓无酸线材(sweet wire)相比也不耐用。同样，当使用酸性服务线材时，需要较大的线材以确保获得强度能力(strength capacity)足够大的管结构。在管结构中使用的较大的线材将增加管的重量，而管重量增加将造成更高的拉伸负荷(等等，从而形成恶性循环)。

【发明内容】

[0009]本发明的目的是至少部分地缓解上述问题。 [0010]本发明的实施方式的目的是提供一种更能够承受海面上的大幅的船舶运动的装置。
[0011]本发明的实施方式的目的是提供一种装置，该装置更能够将立管中的拉伸力及拉伸力变化降低到所期望的低程度或低于所期望的低程度，而不引入可能的松弛负荷或峰值负荷。
[0012]本发明的实施方式的目的是提供一种立管组件，在该立管组件中可前瞻性地控制该拉伸负荷。
[0013]本发明的实施方式的目的是提供一种是相对节省成本的以在安装成本低且安装风险低的情况下进行生产的立管组件。
[0014]根据本发明的第一方面，提供一种用于从水下深处的位置输送流体的立管组件，包括:
[0015]立管，其具有沿着立管的长度相隔预定间隔设置的用于支承立管的多个浮力元件；以及至少一个其它浮力元件，其布置成以用于适应立管中的由于船舶运动而引起的拉伸力变化的构型来支承立管。
[0016]根据本发明的第二方面，提供一种设置用于从水下深处的位置输送流体的立管组件的方法，包括:
[0017]设置立管和至少一个其它浮力元件，该立管具有沿着立管的长度相隔预定间隔设置的用于支承立管的多个浮力元件，该至少一个其它浮力元件布置成以用于适应立管中的由于船舶运动而引起的拉伸力变化的构型来支承立管。
[0018]本发明的某些实施方式提供了下列优点:从至少较大部分的立管组件构型中降低或消除了立管上由于大幅的船舶运动所带来的可能的振动负荷。该振动负荷可具有高于立管所经历的正常拉伸负荷的幅度。本发明的特定实施方式降低或消除了来自整个立管组件构型的可能的振动负荷。
[0019]本发明的某些实施方式提供了下列优点:可降低立管上的由立管的重量所引起的拉伸负荷。
[0020]本发明的某些实施方式提供了下列优点:提供了一种用于深水应用和超深水应用的立管组件，与已知构型相比，该立管组件可被相对快速地且以相对低的成本进行安装。
【专利附图】

【附图说明】
[0021]在下文中参照附图进一步描述本发明的实施方式，附图中:
[0022]图1示出了柔性管本体；
[0023]图2示出了已知的立管组件；
[0024]图3示出了本发明的立管组件；
[0025]图4示出了根据本发明的一种实施方式的方法的流程图。
[0026]在附图中，相似的附图标记指的是相似的部件。
【具体实施方式】
[0027]在整个本说明书中，将参照柔性管进行说明。将会理解的是，柔性管是由管本体的一部分与一个或更多个端部配件构成的组件，管本体的相应端部终止于这些端部配件中的每一个端部配件中。图1示出了根据本发明的实施方式是如何利用由形成承压导管的分层材料构成的组合件来形成管本体100的。尽管在图1中示出了多个特定层，但是将会理解的是，本发明可被广泛地应用于包括由多种可能的材料制成的两个层或更多个层的同轴的管本体结构。还将会注意到，层的厚度仅仅是出于说明性的目的而示出的。
[0028]如图1中所示，管本体包括可选择的最内部的构架层101。该构架提供了互锁结构，该互锁结构可被用作最内层以完全地或部分地防止内部压力护套102由于管减压、夕卜部压力、拉伸防护压力、和机械压毁载荷而塌缩。将会了解到，本发明的某些实施方式可应用于“光滑孔”操作(即没有构架)和这种“粗糙孔”应用(具有构架)。
[0029]内部压力护套102充当流体保持层并且包括确保内部流体完整性的聚合物层。将会理解的是，该层本身可以包括多个子层。将会了解到，当使用可选择的构架层时，内部压力护套通常被本领域技术人员称之为屏障层。在不利用这种构架的操作(所谓的光滑孔操作)中，内部压力护套可以被称之为衬套。
[0030]可选择的压力防护层103是铺设角接近90°的结构层，该结构层提高了柔性管对内部压力和外部压力及机械压毁载荷的抵抗力。该层还在结构上支承内部压力护套，并且通常包括互锁的构造。
[0031]柔性管本体还包括第一拉伸防护层105和可选择的第二拉伸防护层106。每个拉伸防护层都是铺设角通常在10°与55°之间的结构层。每个层都被用于承受拉伸载荷和内部压力。拉伸防护层通常是成对地反向卷绕的。[0032]所示柔性管本体还包括可选择的由条带构成的层104，这些层有助于容纳基础层并且在某种程度上防止相邻层之间的磨损。
[0033]柔性管本体通常还包括可选择的绝缘层107和外部护套108，该外部护套108包括用于保护管不受海水的渗透和其它外部环境、腐蚀、磨损、和机械损坏影响的聚合物层。
[0034]每个柔性管都包括至少一个部分，该至少一个部分有时与位于柔性管的至少一端处的端部配件一起被称之为管本体100的区段或部段。端部配件提供了在柔性管本体与连接器之间形成过渡的机械装置。如例如在图1中所示的不同的管层以在柔性管与连接器之间传递载荷的方式终止在该端部配件中。
[0035]将要理解的是，如本领域技术人员所周知的那样，存在不同类型的立管。本发明的实施方式可以与诸如竖直立管和悬链线立管之类的任何适用类型的立管一起使用。
[0036]图3示出了根据本发明的实施方式的立管组件300。该立管组件300包括由柔性管形成的立管302、及于多个位置处附接至该立管的多个浮力模块304"。
[0037]该立管组件构型部分地遵循阶梯式立管构型的形状，其中，浮力模块3046_7沿着立管302分阶段性地间隔开以承担立管的重量。当然，浮力模块的数量及它们之间的距离将根据立管的长度和重量而有所不同，并且可由本领域技术人员加以确定。该立管组件的该部段可以是大体竖直的以使重量和材料成本最小化。
[0038]在立管组件的通常靠近于立管302的顶端处的区域中，设置有附接至立管的多个浮力模块304^，使得该立管在水面下方形成波状构型。波状构型是本领域中已知的术语并且包括凹陷弯曲(U形弯曲)和拱起弯曲(反向U形弯曲)。
[0039]波状部段在这里被选定用于在不引入任何振动拉伸负荷的情况下承受大幅的船舶法向移动。
[0040]波状构型通常仅用在浅水应用中，用于使得船舶能够与立管接触海床的位置偏离更大的距离。波状构型对于深水应用和超深水应用而言被认为是不经济的，这是因为它们需要的管长更长，从而需要的材料更多，并且需要的浮力模块要大得多或者需要的浮力模块更多以支承柔性管的更长的长度和更大的重量。此外，对于深水而言，由于存在形成大圆弧半径的长管长，因此通常竖直的阶梯状构型使船舶能够相对于海床上的触地位置偏转合理的角度，并且由此波状构型被认为是不必要的。
[0041]适宜地，如图3中所示，立管的用于附接至船舶的部段是相对短的，使得从立管组件的顶端开始的第一浮力模块形成波形部段的一部分。立管在拱起弯曲处的部段可处于与船舶的底部相距约5米与500米之间，适当地约5米与300米之间，并且更为适当地约5米与150米之间。当然，拱起弯曲与水面之间的距离将取决于立管的重量和尺寸、船舶深度等并且由此立管的用于附接至船舶的部段的长度将取决于立管的重量和尺寸、船舶深度等，该距离和长度可由本领域技术人员加以确定。通常优选地是，将波形部段设置成足够靠近水面以使最大拉伸负荷最小化，但又与水面相距得足够远，以使浮力模块并不意外地突然出现至水面或者与船舶相接触。
[0042] 在上述构型的情况下，波形部段的凹陷弯曲将适应于靠近船舶的立管部分的拉伸力的变化，这是因为凹陷弯曲会按照船舶的相应移动而被升高、降低、或横向移动，同时，在拱起弯曲处的浮力模块会将立管大体保持在相对于水面稳定的位置中。
[0043]因此，波形部段有效地形成了立管的两个分离开的部段，一个部段用于附接至船舶，而可被以阶梯状的构型支承的另一部段与船舶的移动无关。
[0044]因此，例如在风大浪急的海面上，如果船舶经历了通常会转变为立管顶部部段的振动负荷的大幅运动，那么该运动就被波状部段吸收而并不被传递至立管的整个长度。
[0045]通常，立管的顶端、即立管附接至船舶的位置可为立管的接收最高的拉伸负荷的部分，这是因为该位置承担了立管的最多的重量。该最高的拉伸负荷有时被称之为最大拉伸力。本发明的立管组件有助于确保将最大拉伸力保持成低于会损坏该立管的预定值。
[0046]此外，可由本领域技术人员前瞻性地控制立管组件中的拉伸力，以便通过将合适的浮力模块沿着立管放置于合适的位置处而使该立管组件的拉伸力适合于特定的用途。本领域技术人员还可确定用以优化立管的部段上的拉伸负荷所需的浮力的大小。
[0047]利用上述组件，提供了一种适于深水用途及超深水用途的立管组件，这是一种节省成本的对拉伸负荷进行管理的方式。该组件在陆上制造成本(利用最小的管长度和与其它装置相比是相对节省成本的浮力模块)及离岸安装成本方面都是节省成本的。该组件也可用于应对高度酸性的服务状况，该服务状况需要重型管设计(具有更高的最大拉伸负荷)。
[0048]图4示出了根据一种实施方式的方法，该方法包括设置立管和至少一个其它浮力元件，该立管具有沿着立管的长度相隔预定间隔设置的用于支承立管的多个浮力元件，该至少一个其它浮力元件布置成以用于适应立管中的由于船舶运动而引起的拉伸力变化的构型来支承立管。该方法可以可选择地包括将流体(例如，石油、天然气、和/或水)从水下深处的位置经由立管输送至水面上的船舶。
[0049]对于如上所述的具体设计做出多种改型是可能的。例如，将会明白的是，可改变所使用的浮力模块的数量以适应特定的使用状况。此外，浮力模块的相对位置可不同于图3中所示出的那样，只要实现适应立管中的由于船舶运动而引起的拉伸力变化这一基本原理即可。例如，可根据立管的尺寸、重量、将要在其中使用立管组件的水体的类型等，将波状构型设置成相对更为靠近船舶、或更为靠近海床。
[0050]可通过任何已知的方式将浮力模块附接至立管，例如附接至柔性管的部段之间的刚性浮力支承件。浮力模块可为用于将浮力提供至立管的任何适用的结构，诸如充满空气的金属罐或其它这种结构。
[0051]此外，可采用单个大型浮力模块，而不是使用多个浮力模块以在船舶的附近形成凹陷弯曲。然而，一般而言，使用较小的浮力模块是更为节省成本的。
[0052]在本详细说明的整个说明书和权利要求书中，用词“包括”和“包含”以及它们的变形指的是“包括但不限于”，并且它们并非意在(也并不)排除其它部分、添加物、部件、整数或步骤。在本详细说明的整个说明书和权利要求书中，除非上下文另有要求，否则单数形式涵盖了复数形式。具体地说，在使用了不定冠词的地方，本详细说明应当被理解为既设想到了复数形式也设想到了单数形式，除非上下文另有要求。
[0053]除非存在矛盾之处，否则结合本发明的具体方面、实施方式或示例进行描述的特征、整数、特性、化合物、化学部分或组合应被理解为能够被应用于在此描述的任何其它方面、实施方式或示例。在本详细说明(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤均可以被结合在除了这种特征和/或步骤中的至少某些是相互排斥的组合之外的任何组合中。本发明并不局限于任何前述实施方式的细节。本发明延伸至在本详细说明(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中所公开的特征的任何新颖的一个特征或者任何新颖的结合，或者延伸至如此公开的任何方法或过程的步骤的任何新颖的一个步骤或者任何新颖的结合。
[0054]读者的注意力被引导至与同本申请相关的该详细说明同时提交的或者在先提交的且与本申请一起对公众查阅开放的所有论文和文献，并且所有的这种论文和文献的内容均以参引的方式被结合到本文中。
【权利要求】
1.一种用于从水下深处的位置输送流体的立管组件，包括: 立管，所述立管具有沿着所述立管的长度相隔预定间隔设置的用于支承所述立管的多个浮力元件；以及 至少一个其它浮力元件，所述至少一个其它浮力元件布置成以用于适应所述立管中的由于船舶运动而引起的拉伸力改变的构型来支承所述立管。
2.根据权利要求1所述的立管组件，其中，所述至少一个其它浮力元件被设置成用于在使用中形成凹陷弯曲。
3.根据权利要求1或2所述的立管组件，其中，所述至少一个其它浮力元件被设置成用于在使用中形成波状构型。
4.根据任一前述权利要求所述的立管组件，其中，所述立管包括串联设置的第一部段、第二部段和第三部段，并且其中，所述第一部段用于附接至海面上的船舶，所述第二部段包括所述至少一个其它浮力元件，并且所述第三部段包括所述多个浮力元件。
5.根据权利要求4所述的立管组件，其中，所述第一部段与所述第三部段相比是相对短的。
6.根据权利要求3所述的立管组件，其中，所述波状构型包括凹陷弯曲和拱起弯曲，并且在使用中，所述立管在所述拱起弯曲处的部分与所述船舶的底部相距约5米与500米之间。
7.根据权利要求6所述的立管组件，其中，在使用中，所述立管的在所述拱起弯曲处的部分与所述船舶的底部 相距约5米与300米之间。
8.根据权利要求7所述的立管组件，其中，在使用中，所述立管的在所述拱起弯曲处的部分与所述船舶的底部相距约5米与150米之间。
9.一种设置用于从水下深处的位置输送流体的立管组件的方法，包括: 设置立管和至少一个其它浮力元件，所述立管具有沿着所述立管的长度相隔预定间隔设置的用于支承所述立管的多个浮力元件，所述至少一个其它浮力元件布置成以用于适应所述立管的由于船舶运动而引起的拉伸力改变的构型来支承所述立管。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括将所述至少一个其它浮力元件设置成在使用中形成凹陷弯曲。
11.根据权利要求9或10所述的方法，还包括将所述至少一个其它浮力元件设置成在使用中形成波状构型。
12.根据权利要求9至11中的任一项所述的方法，其中，所述立管包括串联设置的第一部段、第二部段和第三部段，并且其中，所述第一部段用于附接至海面上的船舶，所述第二部段包括所述至少一个其它浮力元件，并且所述第三部段包括所述多个浮力元件。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一部段与所述第三部段相比是相对短的。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述波状构型包括凹陷弯曲和拱起弯曲，并且在使用中，所述立管的在所述拱起弯曲处的部分与所述船舶的底部相距约5米与500米之间。
15.根据权利要求14所述的立管组件，其中，在使用中，所述立管的在所述拱起弯曲处的部分与所述船舶的底部相距约5米与300米之间。
16.根据权利要求15所述的立管组件，其中，在使用中，所述立管的在所述拱起弯曲处的部分与所述船舶的底部相距约5米与150米之间。
17.—种立管 组件，所述立管组件大致如在本文中参照附图所述。
18.一种方法，所述方法大致如在本文中参照附图所述。
【文档编号】E21B17/01GK103781987SQ201280029258
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2012年5月8日 优先权日:2011年6月16日
【发明者】谭志民, 张艳秋, 董倩, 侯玉成 申请人:韦尔斯特里姆国际有限公司