專利名稱：采用小直徑、受拉的、油井回接套管的海上固定平臺結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總地涉及固定式海上平臺結(jié)構(gòu)，尤其涉及這樣的平臺結(jié)構(gòu)的配置，即，其中僅有最小的一或二層油井套管從海底延伸回到平臺甲板，并且這些管是被支承于受拉狀態(tài)。
所有海上油井和天然氣井都是從一稱作“導(dǎo)管”的穿入海底以下數(shù)百英尺的管子開始。傳統(tǒng)的作法是，導(dǎo)管沿其長度具有恒定的直徑，通常是從24到30英寸。導(dǎo)管通常是從海度延伸回平臺甲板板面。然而，在井是從一浮式鉆井船上鉆得時，導(dǎo)管僅從海底向上延伸5到10英尺。導(dǎo)管的主要功用是在鉆井過程中提供一承受井件重量的支座。對于向上延伸回甲板板面的導(dǎo)管來說，它還具有附加功用，就是支承和保護處于鉆井機與海底之間的水和空氣區(qū)域內(nèi)的套管，油井的其余部分包括一個襯有幾層被稱作“套管”的同軸鋼管的孔，其中每一層套管都比其外一層套管直徑小且伸入海底更深，直至最內(nèi)一層直徑最小的套管從井的頂部一直伸至含有油氣的地層。一個典型的油井，除具有導(dǎo)管外，還可能有直徑為20英寸、13英寸、 英寸的套管，甚至可能還有一直徑為 英寸的套管。
油井是從鉆一個直徑比導(dǎo)管的內(nèi)徑小但比第一層套管的直徑大的孔開始。當(dāng)此第一個孔達到預(yù)定深度(通常在海底以下2000英尺的范圍內(nèi))時，將用管段裝接起來的第一層套管下入該孔內(nèi)直至其差不多達到孔底。將這根套管懸掛于導(dǎo)管的頂部并對其與導(dǎo)管之間的空間灌漿至導(dǎo)管的底部，然后泥漿升高進入導(dǎo)管內(nèi)直至至少達到與海底平面對應(yīng)的高度。每層后續(xù)的套管都以同樣的方法安裝，并向其與其外的那一層導(dǎo)管之間灌漿到至少達到與海底平面對應(yīng)的高度。為完成油井，要敷設(shè)生產(chǎn)管系，把含有油氣的生產(chǎn)區(qū)域隔離起來，以便碳?xì)浠衔飶谋淮┩傅牡貙恿魅肷a(chǎn)管系并上升至平臺。
延伸于泥漿管線與平臺甲板之間的那部分導(dǎo)管必須能承受由波浪、水流和風(fēng)等海上環(huán)境施加的水平載荷。由于從泥漿管線到甲板的距離通常遠大于導(dǎo)管作為一不受支承的并受側(cè)向載荷的柱子所允許的跨度，因此導(dǎo)管應(yīng)依靠穿過建造于結(jié)構(gòu)中的套筒而在各適當(dāng)?shù)母叨壬现С杏诠潭ㄆ脚_。各套筒將施加于導(dǎo)管上的水平載荷傳遞到平臺主要框架構(gòu)件。這些載荷在海上固定平臺的設(shè)計中是很重要的。
海上油井可用一在平臺本身上架設(shè)起來的稱作“平臺鉆井機”的鉆井設(shè)備來鉆取，也可用一不是由平臺結(jié)構(gòu)支承的鉆井機來鉆取。平臺鉆井機由多個模塊化的結(jié)構(gòu)組成，其由平臺上的起重機或大型浮式起重機吊到平臺上而后鉤接拼裝在一起。這種類型的鉆井機由于其重量和迎風(fēng)面積而對平臺施加一很大的載荷。這些載荷對平臺的建造成本有很大的影響。這種方法一般用于有足夠多的一組油井，通常為9個或更多，由一個平臺來支承的場合。
也可以不用平臺支承的鉆井機，而用一種基礎(chǔ)打在底下的稱作“頂升裝置(jack-up)”的自升式鉆井機或一種浮式鉆井機來鉆海上油井。自升式鉆井機一般是為水深不超過300英尺而設(shè)計的，而浮式鉆井機可在300英尺到10,000英尺深的水中鉆井，當(dāng)然也有少數(shù)例外。對于這兩種鉆井方式，仍然是由結(jié)構(gòu)像上面描述的和下面還將描述的那樣支承著油井，但并不是通過支承鉆井機來支承的，因此平臺結(jié)構(gòu)可以建造得比較輕，因而也比較經(jīng)濟。
原來的作法是，將自升式鉆井機側(cè)靠定位于前已安裝好的平臺，將其井架設(shè)在導(dǎo)管的上方，并采用與平臺鉆井機相同的技術(shù)連續(xù)鉆每一口井。后來，開發(fā)出了稱作“泥漿管線懸掛和回接套管系統(tǒng)”的鉆井技術(shù)和套管設(shè)備，它允許自升式鉆井機在安裝平臺之前鉆井，然后暫時地斷開海底到海面之間的導(dǎo)管和套管的管段而離開鉆井現(xiàn)場。該技術(shù)具有允許平臺建造和鉆井操作同步進行的特殊優(yōu)點。通過對泥漿管線懸掛和回接套管系統(tǒng)增加一海底井口，浮式鉆井機也能在安裝平臺之前預(yù)先鉆井，然后斷開連接而離開。
一旦平臺安裝好，回接套管設(shè)備便允許在海底將油井套管重新連接起來并向上延伸回到平臺甲板。這是用一種稱作“修井/回接(workover/tieback)”鉆井裝置的平臺型鉆井機進行的最經(jīng)濟的做法。這些鉆井機由于其只須支承下到泥漿管線的套管，因而比整裝鉆井機要小。在這種情況中，導(dǎo)管本身可以或者也可以不向上延伸回到甲板。但是，習(xí)慣的做法是，至少將第一套管加上直徑較小的各套管中的一個(如果不是全部)向上延伸回到甲板。這就意味著平臺結(jié)構(gòu)仍然必須支承某種中等尺度的鉆井機，同時還要承受由波浪、水流和風(fēng)施加在大直徑套管上的水平方向的環(huán)境載荷。
由于在超出了固定式平臺之經(jīng)濟性的水域的發(fā)展，發(fā)展了浮式平臺概念，尤其是繃緊索腿式平臺(TLP)和筒狀平臺(Spar)?？嚲o索腿式平臺是一只半潛式船，它靠拉緊于海底基礎(chǔ)的多條鋼索和船在海面的浮力保持其位置。筒狀平臺是一只浮式的靠懸鏈線形態(tài)的系纜系泊定位的豎直筒體。這樣結(jié)構(gòu)配置提供了有效的深水中平臺支承系統(tǒng)，但是沒有可用在浮式平臺與海底之間用于為回接的油井套管在其長度方向以一定間隔提供橫向支承的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。
為提供這種支承開發(fā)了一種兩部件解決法。首先，將每一回接的套管拉得足夠緊以省去在兩種類型的浮式系統(tǒng)中對中間橫向支承的需要。在繃緊索腿式平臺上，由于船的橫向移動量大以及垂向移動量雖小些但仍須考慮，因此用一種稱作“張緊器”的復(fù)雜機械裝置來保持每一套管承受恒定的張力。對于筒狀平臺，這種張力用附連于每一套管的專用浮箱來保持。其次，對于這兩種系統(tǒng)，僅有最小的(或許兩個最小的)套管柱被回接。通常，這是前面對固定平臺所述的最后一根(直徑 英寸的套管)而不是第一根(直徑20英寸的套管)。較小的套管重量輕而且承受波浪力的輪廓也小得多。這就使支承套管重量和其橫向載荷所需的張緊力小得多。
從繃緊索腿式平臺、筒狀平臺和其他浮式裝置的研究中，已經(jīng)為通常稱作“受拉的立式生產(chǎn)管”的回接套管柱開出了合適的設(shè)計方法。受拉立式管的設(shè)計和建造是本技術(shù)領(lǐng)域的人員所熟悉的。此外，包括張緊器以及泥漿管線懸掛和回接套管系統(tǒng)的必要設(shè)備都得到了很好的發(fā)展和商業(yè)應(yīng)用。
受拉立式管原理最近被用于依從式塔形平臺(Compliant Tow-er Platforms)，它是一種既不同于固定式平臺也不同于固定式平臺也不同于諸如TLP和Spar的浮式平臺的海上工程結(jié)構(gòu)。采用受拉立式管原理的依從式塔已由斯摩棱斯基(Smolinski)、莫里森(Mor-rison)、胡特(Hute)和馬歇爾(Marshall)設(shè)計開發(fā)，并在1994年海洋工程技術(shù)會議(OTC)的第7450號論文中描述。
海上固定平臺工業(yè)的高度專業(yè)化的性質(zhì)在改進現(xiàn)有技術(shù)方面提出了一些問題。海上平臺的設(shè)計者都知道，海底以上的油井導(dǎo)管對平臺施加了總環(huán)境載荷中的很大一部分(通常為百分之二十到三十)。然而，由于平臺設(shè)計師向來是利用石油公司的鉆井和生產(chǎn)專家所提供的具體依據(jù)來進行他們的設(shè)計，因此為了進行一種能勝任的和安全的設(shè)計，他們無需了解許多鉆井技術(shù)。石油公司在那些負(fù)責(zé)采購平臺的和負(fù)責(zé)指導(dǎo)鉆井與油層開發(fā)的技術(shù)人員之間進一步專業(yè)化了。由工業(yè)上的專業(yè)化所造成的自然信息溝通間隔已阻礙了更有效的裝置的設(shè)計開發(fā)。
本發(fā)明旨在通過將現(xiàn)有油井回接技術(shù)對稱作“固定式平臺”的這一類海洋工程結(jié)構(gòu)做一種新穎的應(yīng)用來解決上述問題，這里的固定式平臺是包括底下有基礎(chǔ)的、非依從式的、有樁腳的或重力式海上工程結(jié)構(gòu)的所有變化形式，例如，傳統(tǒng)的鋼底座平臺、小型平臺、沉箱、有撐條的沉箱、有撐條的擊入式管子；還有牽索張緊的非依從式塔、沉箱和擊入式管子。這一回接技術(shù)最初開發(fā)應(yīng)用于繃緊索腿式平臺(TLPS)，其后又應(yīng)用于依從式塔形平臺，而本發(fā)明現(xiàn)將其應(yīng)用于固定式平臺。
采用這一回接技術(shù)的、由固定式平臺支承的油井將采用泥漿管線懸掛和回接套管系統(tǒng)設(shè)備來鉆成。油井既可預(yù)先鉆取然后再安裝平臺，也可從平臺上鉆取。在任一情況下，僅有最小的一或兩根套管柱被回接到固定平臺的甲板。有幾種不同的套管回接組合可供選擇，但每一種都是同一設(shè)計思想的變化形式；就是說，要利用如下的方法來盡量減小每口井對作用于固定式平臺的總載荷的貢獻1)盡量減小暴露于環(huán)境載荷的最大套管柱的直徑，2)盡量減少套管的橫向支承所需結(jié)構(gòu)的數(shù)量，3)盡量減小完成回接操作所需的設(shè)備(鉆井裝置)的尺度。
盡量減小最大回接套管柱的直徑可有三個主要優(yōu)點。第一，作用于平臺結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的水平總載荷顯著降低，因而可減少承受這部分載荷所需的結(jié)構(gòu)的數(shù)量和成本。第二，在現(xiàn)有技術(shù)中要回接的額外套管柱的成本被省去。第三，僅回接直徑小的套管，與固定式平臺的現(xiàn)有技術(shù)中使用的直徑較大的套管相比，可允許一小得多和輕得多的修井/回接裝置進行回接操作。較小的鉆井裝置不僅使平臺更輕便、更經(jīng)濟，而且，租用、轉(zhuǎn)移和操作較小的修井裝置的費用也低于一較大的修井裝置。
以拉力支承套管而不是用傳統(tǒng)的橫向支承的主要優(yōu)點在于，它省去了單單為與此目的而需設(shè)置的構(gòu)架，諸如水平框架構(gòu)件、套管引鞋和套管引鞋支座。取消這種結(jié)構(gòu)不僅可省去其制造費用，而且也消除了這些構(gòu)架帶給整個結(jié)構(gòu)的波流載荷。
為便于更好地理解本發(fā)明的性質(zhì)和目的，下面結(jié)合各附圖進行描述，各圖中同樣的部分用同一標(biāo)號表示

圖1是海上固定式平臺的一種傳統(tǒng)回接套管配置的側(cè)視剖面圖。
圖2是本發(fā)明的回接套管配置的側(cè)視剖面圖。
圖3是本發(fā)明的另一實施例的側(cè)視剖面圖。
參照各附圖。圖1示出了一海上固定式平臺的一種傳統(tǒng)的油井回接套管配置。固定式平臺結(jié)構(gòu)10從一支承在海底14上的導(dǎo)管架或稱支承結(jié)構(gòu)12開始構(gòu)成。甲板16連接于支承結(jié)構(gòu)12并由其支承于水面17以上。導(dǎo)管18穿入海底14一預(yù)定的深度以豎直地支撐油井。多個同軸套管22穿入海底井內(nèi)至不同的深度。對各套管22之間和與導(dǎo)管18之間以現(xiàn)有技術(shù)中的方法注入水泥或灌漿至海底平面以上一定高度。所有套管22都在灌漿高度以上和水面以上延伸至甲板16。海底與甲板之間的橫向支承以套管扶正器24和裝于支承結(jié)構(gòu)12和甲板16的水平支承框架構(gòu)件26的形式提供。
圖2所示的本發(fā)明，既減少了來自套管本身的波浪載荷，同時又省去了圖1所示的傳統(tǒng)的油井套管橫向支承。在井的從海底稍上至油層的部分對套管22和導(dǎo)管18一起灌漿。然而，只有用數(shù)字28表示的最小的那根套管延伸至超過靠海底的導(dǎo)管內(nèi)的灌漿高度以上并達到海上固定平臺甲板16。套管28由圖中所示一支承裝置30支承在甲板16上或其以下。將套管28以足夠的拉力支承以省去對由圖1中所示的套管扶正器24和框架構(gòu)件26提供的橫向支承的需要。省去這些框架構(gòu)件既消除了這部分構(gòu)件本身的重量，又消除了會由這些構(gòu)件引起而加到作用于結(jié)構(gòu)的總波浪載荷中去的那部分載荷。由于使用中的固定式平臺只有非常小的橫向偏移和可忽略的豎直移動，因此，既不需用所述用于繃緊索腿式平臺的拉緊器也不需要所述用于筒狀平臺的專用浮箱來支承回接套管。這樣，昂貴的維護費用高的設(shè)備就由相對便宜的、用于在甲板16處為套管28提供一持續(xù)拉力的設(shè)備30所取代了。
充分利用本發(fā)明之優(yōu)點的海上固定式平臺的一實施例的一個例子就是導(dǎo)管架型結(jié)構(gòu)的一種三腿支撐結(jié)構(gòu)。與四腿或多腿結(jié)構(gòu)不同，具有三條支撐腿和垂向桁排形式的相連構(gòu)架的三腳架式平臺是能自然地形成三角形而穩(wěn)定的，無需任何在水平平面內(nèi)的附加構(gòu)架。在現(xiàn)有技術(shù)中，需要有附加的水平構(gòu)架來專用地支承油井導(dǎo)管和套管。本發(fā)明無需對這些三腳架式結(jié)構(gòu)增加那種水平構(gòu)架，因而能最大程度地提高結(jié)構(gòu)框架的效能。
在通過三腿支撐實際應(yīng)用的結(jié)構(gòu)比較分析來開發(fā)本發(fā)明中，對采用這一思路的設(shè)計的分析結(jié)果出乎意料地好。由于不需要海底與平臺甲板之間的套管支承構(gòu)架，發(fā)現(xiàn)這不僅省去了支承導(dǎo)向件及其支承結(jié)構(gòu)，而且還有可能省去結(jié)構(gòu)中幾乎每一高度上的任一類型的全部水平構(gòu)架。由被取消的構(gòu)件所直接產(chǎn)生的鋼材重量的節(jié)省，以及由于載荷減小所允許的保留構(gòu)件的鋼材重量的減少，在節(jié)省的性質(zhì)和數(shù)量上都顯著地超出了預(yù)期指標(biāo)。例如，沒有采用本發(fā)明的、用于有6個井的、1,000英尺水面的三腿支撐平臺設(shè)計，與充分利用本發(fā)明之優(yōu)點的設(shè)計的預(yù)期重量和實際分析重量比較如下
在采用本發(fā)明改進三腿支承設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)，由于在通常情況下會增加平臺載荷的其他構(gòu)件也隨著基本構(gòu)架的減少而減少，因而每次重復(fù)設(shè)計的結(jié)果都是鋼材重量的進一步減小。這些減少包括用于犧牲的陽極材料的重量節(jié)省和其所引起的波流載荷的減小以及海洋附生物所引起的波浪載荷的減小。由于隨著進一步分析重復(fù)設(shè)計的重量越來越小，使得導(dǎo)管架可用現(xiàn)有的普通浮式海上設(shè)備以一整體形式吊裝于海上。這既省去了下水桁架結(jié)構(gòu)(占導(dǎo)管架總重量的百分之十五到二十)，又省去了分兩件次吊裝平臺導(dǎo)管架的額外費用。
圖3示出了本發(fā)明的另一實施例，其中，由標(biāo)號28和32所指的最小和次小的兩套管22用支承裝置30來保持于受拉狀態(tài)。這種配置可用于完井和油層設(shè)計中在甲板16與靠近泥漿管線的井口之間最好設(shè)置附加的管道的情況。
還有另一實施例，其提供了用以支承最小的一或二根套管柱的傳統(tǒng)的橫向支承與拉緊方法的一種組合。
還有再一實施例，它是用一脊柱或其他構(gòu)件為最小的一根套管或作為一組的二根套管提供橫向支承，其中套管支承以如此緊密的間隔布置，以致不需要施加拉力。
因為在本文所述的發(fā)明原理的范圍內(nèi)可有多種變化不同的實施例，并且，本文中按照專利法對描述的要求所述的實施例可有許多變化方案，因此，應(yīng)予理解，本文的詳細(xì)敘述應(yīng)被看作是說明性的，而無限制的意思。
權(quán)利要求
1.在具有一固定于海底上的支承結(jié)構(gòu)、一由所述支承結(jié)構(gòu)支承于水面以上的甲板、一穿入海底的導(dǎo)管、以及延伸于所述導(dǎo)管內(nèi)的鉆井中和海底平面以上的多個同軸油井套管的固定式、非依從式、非浮式海上平臺結(jié)構(gòu)中，一種改進的采用一種油井套管回接配置的平臺結(jié)構(gòu)，包括a.各油井套管灌漿至海底平面，即各套管之間以及與導(dǎo)管之間灌漿至一稍高于海底平面的高度；b.只有各油井套管中的最小那根套管延伸到灌漿高度以上并一直延伸到水面以上的平臺結(jié)構(gòu)；c.所述最小的那根油井套管由海上平臺結(jié)構(gòu)支承于受拉狀態(tài)，因而，在水面以上的甲板與海底之間不需要由海上平臺結(jié)構(gòu)為所述最小的那根套管提供橫向支承。
2.在具有一固定于海底上的支承結(jié)構(gòu)、一由所述支承結(jié)構(gòu)支承于水面以上的甲板、一穿入海底的導(dǎo)管、以及延伸于所述導(dǎo)管內(nèi)的鉆井中和海底平面以上的多個同軸油井套管的固定式、非依從式、非浮式海上平臺結(jié)構(gòu)中，一種改進的采用一種油井套管回接配置的平臺結(jié)構(gòu)，包括a.所述各油井套管灌漿至海底平面，即各套管之間以及與導(dǎo)管之間灌漿至一稍高于海底平面的高度；b.只有各油井套管中的最小那兩根套管延伸到灌漿高度以上并一直延伸到水面以上的平臺結(jié)構(gòu)；c.所述最小的那兩根油井套管由海上平臺結(jié)構(gòu)支承于受拉狀態(tài)，因而，在水面以上的甲板與海底之間不需要由海上平臺結(jié)構(gòu)為所述最小的那兩根套管提供橫向支承。
全文摘要
一種固定式、非依從式、非浮式海上平臺，由于其用拉力而不是用中間橫向支承來支承自海底平面附近向上延伸到水面以上的甲板平面的那部分油井套管，因此其承受的波浪、風(fēng)、水流和鉆井設(shè)備載荷都減小了。構(gòu)成油井套管系統(tǒng)的全部套管中僅有最小的一或二根油井套管從海底延伸回到甲板，這進一步減小了結(jié)構(gòu)所受的橫向載荷。
文檔編號E02B17/00GK1144290SQ95115860
公開日1997年3月5日 申請日期1995年8月30日 優(yōu)先權(quán)日1995年8月30日
發(fā)明者丹尼斯·厄爾·卡爾金斯, 查爾斯·愛德華·金德爾, 羅賓·麥克科伊·康弗斯, 羅杰·斯圖爾德·奧斯本, 詹姆斯·阿倫·漢內(nèi), 雷蒙德·約瑟夫·塞爾帕斯 申請人:麥克德莫股份有限公司