专利名称：水下开采井的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于海上开采石油或天然气的水下开采井设备，该设备包含一个井口、一个开采树安装在该井口上、至少一根升管用于连接海面上的开采船。
在近海油气田的开发中，保持低费用是很重要的。在现有的开发方式中，一个基本费用因素是由位于开采井的开采树与产品接收场所，例如一个平台或一个浮动开采船之间的水下导管和电缆造成的。通常，它们的长度可达2公里。可以注意到，因为钻出的孔洞或井可以有多个分支，所以，现代钻井技术中通过减少开采树的数量而降低费用。这样，在某些情况下，在开发近海油气田时可以只采用一个水下开采树。
1996年8月7日提交的国际专利申请PC/NO96/00201中提出了一个系统，其通过采用一个停锚开采船来开采碳氢化合物。本发明可以认为是对该技术的一个发展，本发明基于这样一个思想，即开采船可以直接位于海底上的开采树的直接上方或附近，而且井内的液流直接在开采树与开采船之间传输，不需要在海底加设导管和电缆。为此，本发明并不象上述的国际专利申请那样完全依靠停锚定位的开采船，而是还可以采用现有的动态定位的开采船。
通过下文中解释的解决方案，可以将现有的已经安装在海底上的开采树或是专用的简化了的开采树在或大或小的程度上与根据本发明的设备组装为一体，而根据本发明的设备则如下文所述。
在上文提及的设备上，根据本发明的创新和特征主要体现在在开采树的顶部装有一个旋转装置，该旋转装置与开采树连通，而且在旋转装置上装有优选横向伸展的连接部件用于连接升管或软管以及脐带式电缆。
基于这种基本解决方案，在实际应用中可以以各种形式的结构实施，因此可以获得许多优点，下面将特别指出其中的一些优点-相对于普通的开采船来说，不需对开采船作任何值得提及的修改，因而费用相对较低，-同一条开采船就可以用于安装并可能回收旋转装置，或者还能用于开采井的维修，从而可以使费用降低，-采用这种新式设备可以使很小的近海油气田受益，从而提高油气田的开采效率，-该设备可以从一个油气田移到另一个油气田，从而可以重复使用。
下面将通过参考附图而对本发明作出详细的解释，附图包括
图1中显示了一个根据本发明的最佳实施例的局部剖开的正视图，该实施例基于一个带常规开采树的普通开采井，图2中以相同的方式显示了一个根据本发明的最佳实施例，其中采用的开采树专门适用于这种设备中，该实施例基于一个采用这种设备的停锚开采船，图3中显示了对图2中所示设备的一种修改形式，其中采用了一个固定在该设备的基础上的吸铆，图4中显示了一个整体系统的简化全景视图，其中一个开采船连接着海底上的一个设备并采用图2和图3中所示的停锚方法。
在图1、2和3中，当开采船受到刮风、海面上的天气或其它自然条件，尤其是海浪的作用而绕着水下井口移动时，各设备中带剖面线的部分或部件可以作摆动或旋转动作。如图1、2和3所示，该设备优选绕着一个竖直的中心轴线20X布置，该中心轴线20X与图1中井口8的轴线、图2和图3中井口48的轴线重合，而各井口则位于开采导管的顶部。
在图1中所示的根据本发明的最佳实施例中，基于一个已有的装在井口上的开采树，可将该设备安装在水下，从而将开采井中的产品输送到海面上的开采船中。简而言之，本实施例涉及将一个旋转设备直接安装在开采树的顶部，而不需对开采树作任何改动或是只需作最小量的改动。在这种情况下，海面上的开采船可以通过现有的动态定位方法而适当地保持位置，并优选装有紧急封闭开采井的装置和快速分开装置，以防动态定位系统失效、遇到太大的风或太大的海浪时所用的升管或软管的张力过大。
图1中详细显示的结构可以在或大或小的程度上作为通用结构而安装在位于海底1上的油井或气井的顶部。一个混凝土板或底座5形成一个基础而位于海底1上，该底座5上有一个中心孔用于支撑一个自调节球关节式基架6，该基架6旋转连接着一个普通导管7。导管7可以采用现有方式而深入海底1下面几十米深。实际的开采管悬挂在导管7内部并终止于井口8的顶部。
在井口8上安装着一个开采树，开采树为现有结构，其主体结构为一个阀单元10。在阀单元中以普通方式装有一组阀门，在图1中这些阀门是一个开采总阀11、一个环形总阀12、一个开采导翼阀13、一个环形导翼阀14、一个换向阀16和一个维修阀18。此外，还显示了一个控制模块19，用于控制与检测开采树的功能。
在开采树10的下部有一个连接器或连接装置10B以现有方式连接着井口8，优选可拆卸。此外，在开采树10的顶部还有一个连接装置10A以类似的方式连接着井口8的上端，并可与位于旋转装置20底部的一个连接装置20B配合，而旋转装置20将在下文中详细解释。
通过采用这种可拆卸连接器或连接装置，可以使开采树10与旋转装置20拆开，从而一起或单独收回到海面上。可以看到，开采树10以与之相连的整个设备主要由导管7负载并保持着，此外还受到混凝土基础板5的作用。
旋转装置20上有一个静态核心部件25，核心部件25中有轴向通孔，轴向通孔包括一个开采孔21和一个环形孔22。这两个孔均向下通向阀单元10中相应的流体通道，从而使阀单元10中的各个阀门实现其功能。此外，旋转装置20上还有两个或多个带密封与支撑元件的环形液体流道环绕着核心部件25，它们整体上以代号27表示。现在已有这样的流体旋转装置，例如挪威专利177.780中显示了一个可以轴向分开的旋转装置，这种装置原本用于其它用途。
旋转装置20上装有连接部件以连接升管或软管31和32，这些连接部件大致上以31A和31B表示，升管或软管31和32则在水中向上伸展到开采船上(见图4)。用于流体传输的连接部件31A和31B对中安装在旋转装置20上并沿横向伸出，用于连接脐带式电缆33的连接部件33A位于旋转装置20的上部，更精确地讲是位于一个旋转外壳24上，在出现前面所述的旋转动作时，旋转外壳24可以绕轴线20X转动。一个轴承30负载着旋转外壳24并因此负载着整个旋转装置20，这样，整个装置可以相对于安装在开采树10顶部的连接装置20B转动。
上述连接部件31A和31B上可以装有截至阀，如图1所示。在这个旋转装置的实施例中，流体通道或孔21和22一直伸展到核心部件25的顶部，而核心部件25则从旋转外壳24中向上伸出来，这样，从旋转装置20的顶部可以进入到这些孔中并能向下穿过阀单元10而到达各阀门，因此可在旋转装置20的顶部进行操作。在正常操作时，孔21和22的上方开口通过一个堵塞部件29或类似物堵住。
在连接部件31A的高度上有一个特别的旋转部件28用于在脐带式电缆33与上述开采树10的控制模块19之间进行所需的电气和液压通讯，从而实现控制或类似目的。这个穿过旋转装置20且部分位于开采树之外的通讯路径以点画线简要示出。
图1所示的最佳实施例适用于通过动态定位而保持位置的开采船，而图2和图3中所示的两个最佳实施例则适用于有一条或多条管路通往海底井口的停锚开采船。在这两个实施例中，水下设备需要带有特殊的旋转装置。由于系锚力远大于升管以及脐带式电缆施加的作用力，因此在这两个实施例中系锚力由一个结构承担，该结构不与开采树组件直接相连。因此，开采树本身、旋转装置以及实际井口不会因船的停锚而受到值得提及的作用力。
与图1中的结构相对应，在图2所示的最佳实施例中，也有一个基础板45、一个球关节式基架46和一个导管47。此外，在图2中还有一个基础结构49用于支撑其上安装着的整个设备。基础结构49通过坚固的支撑结构部件连接着导管47，而导管47则向基础结构49上传送系锚力。在基础结构49上则安装着一个坚固的圆盘形外壳60，外壳60可以绕轴线20X转动。外壳60上优选带有两个沿径向相对布置的固定部件61，固定部件61为伸出销钉的形式以固定一个叉架63，叉架63的上端64用于连接一根或多根锚绳69。叉架63上有两条腿，二腿在上端横档64处会合。叉架63可以绕着一个在固定部件61之间沿径向伸展的水平轴线摆动从而获得各种倾斜位置，叉架运动的倾斜范围向上至少可以接近竖直位置，而最低倾斜位置在实际工作中则受脐带式电缆33和/或升管31与32的限制。
在停锚开采船工作时，会通过一根或多根锚绳69以及叉架63而带动设备中带剖面线的部分绕轴线20X转动。这样，在旋转装置上会发生相应的旋转动作，此时核心部件25与阀单元50则保持静止，而旋转装置上的其它部件，包括旋转外壳24，均加入旋转运动中。
为了使外壳60与旋转装置20保持同步且相同的旋转运动，安装了一个机械式连接装置66，该连接装置66为直立的杆状结构，其两个端部分别带有径向臂，各径向臂分别连接着外壳60和旋转装置20，如图2所示。连接装置66还可以在设备各部件的安置和装配时组装在外壳60或阀单元50上。为此，可以在旋转外壳的径向臂上装有一个连接套，连接套上有一个向下的锥体66A，在装配时，可以将杆66的上端插入该锥体66A中。
从图2以及代号20-30可以看出，旋转装置20的基本原理与图1中显示和解释的相同。但应指出，在图2中升管31和32以及脐带式电缆33沿着横向伸展时，优选从两个叉架腿63的中央通过。此外，在所有工作状态下、船位置以及系锚力变化时，优选使得升管31和32以及脐带式电缆33沿着一个比两个叉架腿63的倾斜位置更为水平的倾斜位置伸出。
如图2所示的这种更加集成型或专用型的最佳实施例中，采用了一个简化了的开采树，开采树上带有一个阀单元50，图中的阀单元50中只包含两个阀门，即一个开采总阀51和一个环形总阀52。如需要，还可以增加两个阀门。开采树上还包含一个控制模块59。
图3中所示的最佳实施例与图2中所示的非常相似，除了附加一个吸锚80外。旋转装置20图示得不太具体，但此处的升管/软管/电缆31/32/33则与前面各实施例中的相同。开采树50则与图2中所示相同。相同结构的叉架73在其上端横档74处连接着一根锚绳或缆绳79，在其腿的下端则连接着一个可旋转外壳70上的连接部件71。由于要传递吸锚80上的系锚力，因此外壳70的直径要比图2中外壳60的大一些。吸锚80上有一个顶板或基架88，外壳70安装在基架88上并可旋转。基架88的底侧连接着一个基础结构89，基础结构89则形成井口的外围结构，其形式与图2中所示的相同。这样，通过吸锚80可以使支撑基架88在海底1上有一个独立的根基，而吸锚80也可以用其它形式的锚定装置代替。采用这种方式可以使锚绳79上的系锚力通过叉架73和固定部件71而直接传递到锚定装置80上，而开采树50、旋转装置20和其它井口部件4548则不会受到高应力的作用。
图4显示了一个整体系统的全景视图，其中一个开采船3与海底1上的一个开采井一起工作，带一个井口的开采井总体上以代号4表示。在图中，前面所述的升管或软管31和32沿着其整个长度连接到开采船3上的一个处理装置，该处理装置总体上以3A表示。此外，锚绳79也整体表示出，即穿过海面2而连接着开采船3的船头部分上的系锚装置。在锚绳79的中部装有浮力元件，在升管31和32的靠下部分上也装有类似的浮体从而将升管或软管从海底1上升起来。整体系统与前面提到的国际专利申请中的非常接近。
权利要求
1．一种水下开采井设备，用于海上开采石油或天然气，该设备包含一个井口(5-8,45-48)、一个开采树(10-19,50-59)安装在该井口上、至少一根升管(31-32)用于连接海面(2)上的开采船(3)，其特征在于，在开采树(10-19,50-59)的顶部装有一个旋转装置(20)，该旋转装置与该开采树连通(21,22)，以及旋转装置上装有优选横向伸展的连接部件(31A,32A,33A)，以连接升管或软管(31,32)以及一根脐带式电缆(33)。
2．根据权利要求1的设备，其特征在于，在低于旋转装置(20)的位置上装有固定部件(61,71)，以固定一个叉架(63,64,73,74)并使该叉架能绕着一个水平轴线在一定角度内转动，而叉架的外端(64,74)则连接着开采船的至少一根锚绳(69,79)，以及上述固定部件(61,71)安装在一个外壳(60,70)上，该外壳可以绕一个竖直的中心轴线(20X)旋转，该中心轴线与上述旋转装置的轴线重合。
3．根据权利要求2的设备，其井口包含一个导管(47)，其特征在于，上述外壳(60)安装在一个基础结构(49)上并可旋转，该基础结构(49)则连接着导管(47)，以使系锚力直接从固定部件(61)传递到导管上，而不会有较大的应力施加到开采树(50)或旋转装置(20)上。
4．根据权利要求2的设备，其特征在于，上述外壳(70)安装在一个基础结构(89)上并可旋转，通过一个锚定装置(80)，例如一个吸锚，可使该基础结构(89)在海底(1)上有一个独立的根基，从而使系锚力直接从固定部件(71)传递到锚定装置(80)上，而不会有任何较大的应力施加到开采树(50)、旋转装置(20)或井口(45-48)上。
5．根据权利要求2、3或4的设备，其特征在于，为了使上述旋转装置(20)与上述外壳(60)共同旋转，在旋转装置与外壳之间安装了一个机械式连接装置(66)。
6．根据权利要求1至5中任意一款的设备，其特征在于，其中央流体通道(21,22)沿轴向穿过旋转装置(20)中的一个核心部件(25)，并经过该核心部件的整个长度而向上到达旋转装置的顶部，在该顶部装有一个可拆卸的堵塞部件(29)用于堵塞流体通道(21,22)。
7．根据权利要求2至6中任意一款的设备，其特征在于，所述升管(31,32)的下端对中连接在旋转装置(20)上并从旋转装置向外伸出，优选从叉架腿(63,73)的中央通过。
8．根据权利要求7的设备，其特征在于，所述升管(31,32)在几乎所有工作状态下均能沿着一个比叉架腿(63,73)的倾斜位置更为水平的倾斜位置从旋转装置(20)上伸出。
9．根据权利要求7或8的设备，其特征在于，用于连接一根脐带式电缆(33)的连接部件(33A)位于上述旋转装置(20)的上部，而且与一个用于连接电缆的旋转部件(28)，例如一个电气/液压滑环的高度相等。
10．根据权利要求1至9中任意一款的设备，其特征在于，所述开采树(10,50)在其下部并优选也在其顶部装有可拆卸的连接装置(10A,10B,50B)，用于与井口(8,48)、如有可能还与位于旋转装置(20)底部的连接装置(20B)相配合，从而可以将上述开采树(10,50)与上述旋转装置(20)一起或单独回收。
11．根据权利要求1至10中任意一款的设备，其特征在于，同传统的结构相比，所述开采树(50)是一个简化了的开采树，并且基本上只包含一个开采总阀(51)和一个环形阀(52)。
12．根据权利要求11的设备，其特征在于，上述连接部件(31A,32A)包含阀门，这些阀门适宜用作导翼阀。
全文摘要
一种用于海上开采石油或天然气的水下开采井设备,包含一个井口(5—8)、一个开采树(10—19)安装在该井口上、至少一根升管(31—32)用于连接海面上的开采船。在开采树(10—19)的顶部装有一个旋转装置(20),该旋转装置与该开采树连通(21,22),而且在旋转装置上装有优选横向伸展的连接部件(31A,32A,33A),以连接升管或软管(31,32)以及一根脐带式电缆(33)。
文档编号E21B33/038GK1226948SQ97196987
公开日1999年8月25日 申请日期1997年8月21日 优先权日1996年8月27日
发明者阿特勒·B·英厄布里斯腾, 约尔延·艾德 申请人:挪威国家石油公司