專利名稱：撓性/剛性上升管系統的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總地是關于上升管系統，更具體地說，是關于用來把水下的鉆井或儲存部位連接于浮在水面的船舶的上升管系統。
水下石油和天然氣開采作業(yè)的出現提出了大量的技術難題，這些難題已經不同程度地解決了。一個尚待改進的問題是在水下的井頭或稱井口盤和海面的工作或稱生產平臺之間提供連接管線。這種管線是作為把設備送到和移出水下部位的通路，也用于在鉆井作業(yè)以及隨后的生產或維護期間向水下部位輸送或從其輸出各種流體。由于要在水下部位和水面平臺之間輸送大量的材料，所以這些連接管線或本技術領域所說的“上升管”往往非常大、非常重、而且相當長。由于上升管實際上是水下作業(yè)的生命線，所以其完整性和可靠性是海上鉆采裝置的成功和獲利與否的關鍵。
上升管系統的主要難題是它的彎曲，其部分地是由上升管的重量引起的，但主要還是由水面的平臺或船舶相對于海底的運動引起的。通過上升管與水下部位連接的水面結構物一般至少有某種程度的相對于水下部位運動的自由度。這種運動往往是由潮汐、海流、水位升高、波浪、風、以及熱效應等因素引起的。而且，現代的深水海洋工程裝置都是采用浮在水面的結構物，它們通過在水下井口盤某一距離處的多個錨和系泊纜索系泊于海底。也可以用多個推力器來保持水面平臺或船舶相對于海底的位置。但是，就是在采用錨泊和動力定位技術的情況下，浮在水面的結構物仍表現出其運動幅度比固定式鉆井和生產平臺的大。在水深超過約300米的情況下，需要順從性的浮動平臺，而這樣，平臺或船舶會在海面上運動并使上升管彎曲，從而需要海底和平臺之間的上升管管道連接有一定的撓性。此外，即使是在海水相對較淺的情況下，重型的上升管也可能承受相當大的彎曲應力，這種應力可能對上升管系統的完好性造成危險。
上升管的典型敷設方式是或者從水面平臺以直的各管段直接向下敷設至海底，或者以一種彎曲的懸鏈線的形狀敷設至海底，在后一種形狀下，上升管形成一個由其尺寸、剛性、以及長度確定的自然彎曲半徑。直的上升管一般在各管段的上端和/或下端采用撓性接頭。這種上升管的缺點是需要有上升管張力器系統來支承管柱的重量，以防止塌彎。在懸鏈線形狀下，上升管本身的重量為從水面平臺或船舶向下的各垂直的或近乎垂直的各管段提供張力。隨著上升管接近海底，它因在自身重量和施加在其上的載荷的作用下的自然下垂趨勢而呈現一種連續(xù)的彎曲狀態(tài)。在水比較深、水面平臺或船舶定位于至海底系結點一定距離處的情況下，懸鏈線形狀的上升管尤其有用。但是，由于尺寸較大的管子有較大的彎曲半徑，在其用作上升管時，由懸鏈線形狀產生的彎曲應力將增大。這樣，能以懸鏈線形狀敷設的上升管的尺寸就受到彎曲半徑和彎曲應力的限制。
為了減輕上升管系統上的應力作用，可以在上升管的至少一部分浸在水中的長度上附加一些浮力或壓載器件。這類器件通常包括合成泡沫零件或單體的浮力柜或壓載柜。這些柜可以制成在或者配置在上升管管段的外表面上，而且與泡沫零件不一樣，這些柜可以有選擇地用水來充入壓載或用浮在水面的船上的壓縮空氣設備充氣而產生浮力。這些浮力器具對上升管產生直指向上的力，從而能對由上升管的重量產生的應力起一定的補償作用。但是，經驗表明，這種浮力器具的補償作用一般不能阻止上升管的損壞。
現已提出幾種限制上升管系統中的彎曲應力的辦法。一種辦法包括采用撓性軟管或導管。在上升管的上端即其接入平臺的地方，或在其下端即其連接于井頭或井口盤的地方，或在其上下兩端，可以將這類撓性導管與彎曲加強件或應力接頭一起使用。由于這類導管有相對較大的彎曲自由，其幾乎不會把彎曲應力傳遞給導管壁，所以，用這一辦法可使上升管系統在某種程度上免受結構彎曲應力的不利作用。但是，采用撓性導管有幾個缺點。首先，撓性導管很昂貴。其次，與金屬管子相比，這種撓性導管由于其結構和制造材料而更易于損壞。最后，撓性導管用在上升管系統中的可靠性和使用壽命迄今尚未得到證實。盡管彎曲加強件一般能延長撓性導管的使用壽命，但是其會使整個上升管系統的成本明顯增加。
另一種解決辦法是采用剛性管段，將其端頭對端頭地焊接起來，以形成連續(xù)的上升管。盡管“剛性管”這一術語似乎意味著缺乏撓性，但是實際上，即使是很大的重型管子也允許有一定的彎曲而不會破壞，所以，沿著用在一典型的上升管系統中的管子的全長，常常可能有相當大的彎曲度。剛性管的上升管往往在其上端和/或下端裝有撓性連接器。這種撓性連接器用于把上升管接入水面平臺的管系或海底的井口盤，而且一般能允許上升管的管子相對于連接點有幾度旋轉。盡管這一辦法有成本比撓性導管低的優(yōu)點，但是構成上升管的管子對由平臺或船舶的運動引起的彎曲應力更加敏感。此外，如上所述，在以懸鏈線形狀敷設中，用在上升管中的管子的尺寸是受到限制的。
雖然在現有技術中一般已經公認應以最大限度地減少浸在水中的管線的彎曲應力為目標，但是迄今沒有提出一種能應用于上升管系統的令人滿意的解決辦法。本發(fā)明意在完全解決或最大限度地解決上面提到的問題。
按照本發(fā)明的一個方面，提供一種連續(xù)彎曲撓性/剛性上升管系統，該系統有一個第一剛性管段，這一管段的第一端連接于海洋平臺。這種上升管系統還包括多根中間剛性管段，它們依次串連于第一剛性管段并且相互間均以撓性連接器相連接。串連的各中間管段中的最后那一管段連接于海底的一個部位。
從下面結合附圖的詳細敘述中可達到對本發(fā)明的全面理解。各附圖中相同的零件標以相同的標號，其中

圖1是本發(fā)明的敷設成第一種典型的安裝形狀的上升管系統的示意側視圖；圖2是本發(fā)明的敷設成第二種典型的安裝形狀的上升管系統的示意側視圖，其表示出了沿上升管定位的各浮力器件的第一種最佳布置方式；圖3是本發(fā)明的上升管的一部分的示意側視圖，其表示出了在圖2所示的布置方式中浮力器件的安裝位置；圖4是本發(fā)明的上升管系統的示意透視圖，其安裝形狀與圖2所示的相同，表示出了沿上升管定位的浮力器件的第二種最佳布置方式；圖5是本發(fā)明的上升管系統的示意透視圖，其安裝形狀與圖2所示的相同，表示出了沿上升管定位的浮力器件的第三種最佳布置方式；圖6是圖5所示的浮力器件的示意側視圖；圖7是表示將上升管連接于海洋平臺的一種典型結構的示意側視圖；圖8是用在本發(fā)明的上升管系統中的一種典型的撓性聯接器的部分剖視圖；圖9、10和11是說明安裝本發(fā)明的上升管的一種最佳方法的連續(xù)的幾個階段的示意側視圖。
盡管只是以附圖中的例子示出了本發(fā)明的幾個具體實施例，并將在下面予以詳細敘述，但是本發(fā)明可以做出多種不同的變型和其它可能的形式。所以，應該理解，本發(fā)明不能被認為只限于所揭示的幾種具體形式，而是包括不超出所附權利要求所限定的本發(fā)明之精神和范圍的全部變型、等同構造和其它可能的方案。
現在來看各附圖并先參見圖1。我們來描述以標號10表示的以第一種安裝形狀敷設的上升管系統。眾所周知，圖1所示的形狀是一種懸鏈線形狀。在這一形狀中，上升管12自身的重量一般足以維持上升管12的張力，而且由于上升管12向海底自然下垂而形成一種大致連續(xù)的彎曲。如圖1所示，上升管12有一個連接于海洋平臺16的上端14。這樣的平臺是典型的鉆井或生產平臺，并且應該理解，這一平臺可以是固定式平臺或浮動式平臺或是定位于近海的船舶。這種浮在水面的平臺是很常用的，尤其是在深水作業(yè)中，而且常常稱為張力腿平臺(TLP)。平臺16升高至海洋表面18以上并且是由固定裝置22固定于海底20。在這種固定式平臺的情況下，這些固定裝置典型地是剛性支撐腿，而在浮在水面的平臺和船舶的情況下，是張力構件，例如系泊纜索和錨纜。
可以理解，按各圖所示敷設的上升管12可能會由于平臺16在海洋表面18上的運動或由于海水的運動而改變其相對于平臺16的方位。典型地，平臺16相對于上升管12的運動可以繞著和沿著平臺16的全部三個軸即圖4中的字母X、Y、Z所示的各軸產生，包括偏轉運動(平臺16繞垂直軸Y的扭擺運動)、升沉運動(平臺16沿Y軸的上升和下降運動)、橫搖運動(平臺16繞著大致與上升管12在一條線上的X軸的扭擺運動)、遠近運動(平臺16沿著大致與上升管12在一條線上的X軸，向著和離開上升管12的運動)、縱搖(平臺16繞大致垂直于上升管12的Z軸的扭擺運動)、橫擺運動(平臺16大致沿著Z軸、且相切或垂直于上升管12的來回運動)。當然，在任一時刻都可能有任意一種或全部這些形式的運動產生。
上撓性聯接器24鄰接于上升管12的上端14，并將上升管12固定于平臺16。正如下面將詳細敘述的那樣，上升管12典型地是以一預定的相對于平臺16的垂直方向的角度連接于平臺16，并且當平臺16相對于海底20運動時上升管12可在上撓性聯接器24中自由擺動，上撓性聯接器24允許上升管12相對于平臺16有相當大的擺動自由度，以便部分地補償平臺的這種運動。上撓性聯接器24最好允許上升管12從其連接于平臺16時與之所成的那一角度向任一方向轉動15度或更大一些。
如圖2所示，上升管12的下端26連接于一個以標號27表示的海底部位。這一海底部位27一般是一個井頭或井口盤，但也可以是水下管線的端點。用于將上升管12連接于海底部位27的裝置一般與這一領域中現在已知的用于將剛性或撓性上升管連接于井口盤或井頭的裝置相同，而且可以包括類似于上撓性聯接器24的聯接器。
在其上端14和下端26之間呈如圖1、2和4所示的連續(xù)彎曲形狀的上升管12包括鄰接于上端14的上管段28以及多個以撓性聯接器32互相連接并連接于上管段28的中間管段30。根據上升管12的長度和管徑，上管段28可以呈如圖1和4所描繪的大致垂直的取向，或者，從平臺16向下彎曲到某一程度，這對于已知的剛性管上升管是典型的。如已指出，這一向下的角度常常由于平臺16相對于海底20的運動而有某種程度的變化。上管段28和各中間管段30最好是剛性管上升管中現行使用的類型和等級的剛性管段。一種典型的等級是API5L，X—65級，其屈服強度是65千磅每平方英寸。撓性聯接器32的結構將在下文作比較詳細的敘述，但這里先略提一下，其型式與上撓性聯接器24的型式大致類似。撓性聯接器32允許一個管段30相對于與之相連接的另一管段30擺動，而且最好允許相連兩管段30之間的角度在各方向上的變化至少為12度。而且，撓性聯接器32能保持上升管12的內部壓力和傳遞沿上升管系統10的軸向張力。
上升管系統10的一個重要方面是沿上升管12的撓性聯接器32的數量、布置位置和剛度，以及對應的中間管段30的數量和長度。這一問題下文將詳細討論。雖然各附圖所描繪的上升管12有大致均勻布置的撓性聯接器32，但是在一具體的應用場合，這可能不是最佳的布置。用于一個特定海洋工程裝置的上升管系統10的設計最好包括上管段28長度的技術規(guī)格，撓性聯接器32的個數，中間管段30的長度以及撓性聯接器32的剛性。雖然任一上升管設計方法的目的都是通過考慮指定的設計參數將傳遞到管段28和30的彎曲應力降低到所用管子的材料的限制值以下，但是彎曲應力還可以進一步降低，上升管系統設計還可以進一步最佳化。管子的材料限制是用在材料強度領域早已建立得很好的分極技術來確定并且一般取決于所用材料的性能、受載材料的幾何尺寸、以及施加的載荷的類型、幅值和取向。盡管具體的裝置對上升管12的撓性聯接器的個數、布置位置和剛度方面有不同的技術要求，但是應該記住，這里所述的上升管12的設計原則和一般結構在所有各種情況中都是基本上相同的。
將上升管12敷設成懸鏈線的形狀當然最好，但是如圖2、4和5所示的改型懸鏈線形狀用于建立上述的連續(xù)彎曲可能更為有利。這種形狀有時稱為“緩S”形并且是用沿上升管12的一部分定位的浮力器件42、52、62來達到。浮力器件將上升管從海底提升到浮力器件施加的浮力與上升管的重量達到平衡的程度。這一方法能有效地減小管子上的由其自身重量產生的應力并且能隨著上升管12接近海底而增大其彎曲半徑。改型懸鏈線形狀的一個優(yōu)點是能避免上升管12作響應平臺16的運動的運動。在這一形狀下，由于由平臺16的運動和海流引起的加載條件的變化，上升管12的浮動部分有一定的移近和退離平臺16的自由。
圖2描繪了敷設成連續(xù)彎曲的改型懸鏈線形狀的上升管系統10，是敷設成第一種最佳的布置。如圖2所示，上升管12的上管段28從平臺16向下并連接于若干個依次連接的中間管段30。如同上述，上管段28和各中間管段30通過撓性聯接器32依次頭尾相接。沿著上升管12的、在圖2中以標號40表示的那一部分設置的浮力器件42將上升管12從海底20抬起。浮力器件42最好是合成泡沫器件或者是常常用于已知的剛性和撓性上升管的那種單體式浮力柜。如圖3所示，浮力器件42沿標號40所指那一部分上升管內的管段30設置并且是設置在每兩個撓性聯接器32之間。
浮力器件42對標號40所指的那部分上升管12施加向上的力，因而將這部分上升管12從海底20向上抬起。浮力器件42的數量和尺度應根據能提供足以將上升管12提升起來的浮力來選擇，其選擇方式與一般規(guī)定用于剛性或撓性上升管的類似浮力器件的選擇方式相同。應該理解，在上升管12處于其最大重量狀態(tài)時，即，其中通過的物料為最重時，由浮力器件42作用于上升管12的浮力應足以將上升管12抬起。這樣就能保證上升管12保持如圖2所示的改型懸鏈線形狀。
為了限制上升管12在其重量小于與浮力器件42構成平衡所需的重量時的最高升起位置，在上升管12和海底20之間連接一個張力部件46?？梢杂帽炯夹g領域內的熟練人員都知道的任一種裝置，例如像圖3所示的那樣，用一個環(huán)形接頭48套在管段30或撓性聯接器32上來把張力部件46連接于上升管12。再以任一種適當的錨定或系纜方法將張力部件46在一個錨定點處固定于海底。
將上升管12敷設成改型懸鏈線形狀的第二種可取布置如圖4所示。這種布置的工作原理與上面參照圖2所闡述的那種布置相同。但是，圖4中描述的布置采用一單個浮力器件52設置在沿上升管的一給定位置50處。浮力器件52最好是圓柱狀的或圓桶狀的，并連接有張力部件56，如圖4所示。上升管12最好在給定位置50處固定于浮力器件52，以防止上升管12從浮力器件52上滑落。這種固定可以用任一適當的結構措施來實現，例如用金屬帶或金屬圈繞套住上升管12。張力部件56用與前面針對第一種布置敘述的相同的方法在錨定點54處固定于海底?？梢岳斫?，在這種布置中以一單個浮力器件52取代了上述第一種布置中的許多浮力器件42的綜合作用，單一的浮力器件52提供了足以將上升管12從海底20抬起的浮力，在給定位置50的兩側，上升管12呈自然下垂的懸鏈線形狀。
使上升管12達到改型懸鏈線形狀的第三種可取布置示于圖5。這種布置發(fā)揮作用的方式大致與上述兩種布置相同，而且基本上類似于圖4所示的第二種布置，這里是在沿上升管12的一給定位置60處設置了一單個浮力器件62。但是，圖5所示的第三種可取布置是采用一個剛性地固定于一剛性管段67或者說是與之做成一體的浮力器件62，如圖6所示。
如圖6所示，浮力器件62定位于剛性管段67以下并且是在其制造或裝配過程中與剛性管段67成為一整體。與上述一樣，浮力器件62提供將上升管12從海底抬起的浮力，而剛性管段67支承著大體上集中在上升管12的位于浮力器件62的正上方的那一區(qū)段的浮力載荷。剛性管段67最好做成繞浮力器件62彎曲的，即其兩端68和69向斜下方、面對海底20彎曲。剛性管段67的彎曲角最好對應于上升管12在像圖5所示那樣敷設時將呈現的自然下垂懸鏈線的連續(xù)彎曲。本技術領域的熟練人員將會理解，這一彎曲角可以根據具體的鉆采裝置的參數而改變，并且一般可以用上升管計算機仿真程序來估算，這一點下面還將詳細討論。剛性管段67的端頭68和69連接于撓性聯接器32，而撓性聯接器32又連接于中間管段30。所以，剛性管段67構成上升管系統10的一個組成部分。
上升管12最好如圖7所示的那樣連接于平臺16。如上所述，上升管12的上管段28以一個預定的相對于平臺16的垂直方向的角度連接于平臺16。上管段28的上端14最好穿過一固定于平臺16的且與上升管12大致成一直線的強固的剛性門柱70。門柱的頂面最好垂直于上升管12的上管段28，以便撓性聯接器24能平穩(wěn)地支承在門柱70上。一個接入管段72連接于撓性聯接器24，并將上升管系統10連接于平臺上的設備(未示)。如上所述，撓性聯接器24允許上升管12響應平臺16相對于海底20的運動，從其預定的連接角度向所有各方向擺動。
現有來看圖8所示的撓性聯接器32的結構。每一撓性聯接器32包括一個由一中央套筒81和上、下法蘭82和83組成的外體80。在圖8示出的裝配狀態(tài)的聯接器32中，上、下法蘭82和83通過多個螺栓和螺母89連接于中央套筒81。上、下法蘭82和83使得撓性聯接器的裝配容易了，這將從下面的敘述看得非常明顯，而且上、下法蘭82和83可用于固定環(huán)狀接口件84和85的位置。環(huán)狀接口件84和85可以有一個三角形或梯形的橫截面，在裝配狀態(tài)的聯接器32中，環(huán)狀接口件84和85在聯接器32的軸向靠在上、下法蘭82和83上，而在徑向靠在中央套筒81上。環(huán)狀球面軸承86和87定位并鄰接于環(huán)狀接口件84和85，并接觸管段30的擴口端90和91。管段30的端頭90和91是球面地擴口的，以適應與球面軸承86和87的連續(xù)轉動接觸。各管段30的擴口端90和91之間裝有一過渡環(huán)88。過渡環(huán)88用于減小在鄰近管段30的擴口端90和91處裝配好的聯接器32的內徑，這樣可使流體或設備容易運動通過聯接器32。
環(huán)狀球面軸承86和87是本技術領域內一般都了解的那種型式，并且是由彈性材料制成的，還結合有金屬的填隙片。球面軸承86和87的厚度、連同中央套筒81和環(huán)狀接口件84和85的幾何形狀決定著在將聯接器32裝到管段30的端頭90和91上的過程中的預加載荷或者說是球面軸承86和87的預壓縮量。由于撓性聯接器32的剛度也是球面軸承86和87內的彈性材料的彈性系數或稱可壓縮性的函數，所以聯接器32的剛度可以通過采用具有預定彈性材料彈簧系數的球面軸承86和87來選擇或通過采用具有預定幾何形狀或成份的球面軸承86和87來選擇。
因此，將會注意到，在本發(fā)明的上升管系統10中，由撓性聯接器32代表的接頭或稱節(jié)點的剛度可以通過恰當地選擇球面軸承86和87來選擇性地確定。傳遞給上升管12中的管段30的彎曲力矩一般將隨著由撓性聯接器32形成的節(jié)點的剛度的增大而增大。此外，應用在一具體場合中的各撓性聯接器32不僅不必具有完全相同的剛度特性，而且還可以選擇，以致可以通過選擇性地控制傳遞到管段30的彎曲力矩進而彎曲應力來優(yōu)化上升管系統10的性能。
為裝配聯接器32，將法蘭82和83、接口件84和85、以及球面軸承86和87套裝到靠近擴口端頭90和91的管段30上。然后把管段30的擴口端頭90，91對合在中央套筒81內并位于過渡環(huán)88的兩側，通過擰緊螺栓使法蘭82，83到位，并使接口件84，85和球面軸承86，87都正確地在中央套筒內就位，這樣就把聯接器32裝配起來了。對螺栓89要施加恰當的扭矩，以確保球面軸承86，87達到恰當的壓縮量。裝配好的聯接器32允許連接起來的各管段30產生相互間的角位移，且在位移時保持預先確定的剛度，同時又能提供流體密封，既能阻止海水進入聯接器32內，又能阻止上升管內輸送的任何流體通過聯接器漏向海水。
將能注意到，如圖4和5所示，本發(fā)明的上升管系統10可以包括多條平行排列的上升管12。在這種情況下，每一條上升管12將分別向下連接至海底20上的一點27(未示)以及向上升至平臺16。每一條上升管12的構造都與上述的完全相同。在有幾條上升管12平行設置的情況下，最好將各條上升管橫向地連系起來，以便保持各條上升管12之間有均等的間距。為避免各條上升管12之間的干擾和接觸以及為適應對單一浮力器件52的固定或者對類似于器件62但有多根構成一體的如上所述的剛性管段67的改型單一浮力器件的連接，把各條上升管12橫向連系起來固定其間距尤為有用。在將各上升管橫向地連系在一起時最好在每兩條之間固定連接一個隔離件(未示)，以使其間距保持恒定。這種隔離件可以用彈性材料制成，或者由金屬或合成材料的剛性主體和彈性材料的緩沖元件組合而成。
前已指出，本發(fā)明的上升管系統10的一個重要方面在于可以選擇撓性聯接器32的數目、布置位置和剛度、以及中間管段30的對應數目和長度。這一選擇最好是用一個上升管計算機仿真程序來進行。已知的上升管仿真程序一般都能在一個具體的上升管建造之前建立其性能、安裝形狀和載荷模型。輸入參數典型地包括上升管的長度、平臺和上升管所在之處的水深、構成上升管的各種材料的性能、以及有關載荷條件的大量輸入數據，主要是在預料的或最壞的海況下平臺16相對于海底20和上升管12的運動。由仿真程序產生的數據包括在給定條件下的載荷和應力等。然后可將這些數據與為上升管選擇的材料的許用極限相比較，如有必要，為了保證預期載荷和應力都在材料的許用極限以下，可以修改上升管的技術要求。一個在市場上可以買到的這種計算機仿真程序名為Flexriser 4PC，由輪敦的Zen-tech International公司銷售。
為確定本發(fā)明的上升管系統10的撓性聯接器32的數目、布置位置和剛度，最好用一個上升管計算機仿真程序。由Zentech Inter-national公司提供的Fexriser 4PC程序已經應用得非常令人滿意。當然其他的程序也能給出類似的結果。盡管所用的上升管仿真程序是屬于一般都了解的類型的，但是仿真進行的方式卻不同于已知的上升管建模方式。對于已知的上升管，包括剛度和重量的材料特性一般被考慮為在上升管的整個長度內是常數。這一假設對于已知的用均一尺寸和重量的管段建造的剛性上升管是精確的。但是，在本發(fā)明的上升管系統10中，各撓性聯接器32是作為沿著上升管12的長度的各獨立的節(jié)點建立了模型。這些節(jié)點被賦與不同于撓性聯接器32的上下兩側的管段28，30之特性的特性。
這類節(jié)點的一個重要特性是它們的剛度。因為撓性聯接器32的剛度比同等長度的管段28和30的剛度低得多，預期的由撓性聯接器32傳遞的彎曲力矩和彎曲應力也比常規(guī)剛性管上升管中同一位置上的管段傳遞的低。通過將這類節(jié)點的數目、布置位置和剛度的各種組合作為輸入數據，可以通過降低預期的彎曲應力使上升管系統10最佳化，同時又能使上升管的費用為最小。應該理解，盡管通過采用撓性聯接器可降低彎曲應力，但與只由管段構成的剛性管上升管的費用相比，每一撓性聯接器都使上升管10的費用增高。所以，一般應將撓性聯接器32的數目保持為可以接受的最小值，以優(yōu)化上升管系統10的費用。例子為給出上升管系統10的一個例子，用由Zentech International公司提供的Flexriser 4PC軟件進行了仿真。對在1000英尺水深中用于輸油的直徑為10英寸壁厚為0.5英寸的生產/輸出上升管建立了數學模型。令仿真的上升管系統承受波浪、海流和船的運動。這一仿真上升管系統的輸入數據如下內徑10英寸；外徑11英寸；管子等級API5L，X—65級或等同者，屈服強度為65千磅每平方英寸；上升管的長度2700英尺；管內設計壓力2000磅每平方英寸；形狀改型的懸鏈線(緩S形)(作為“靜態(tài)形狀”輸入)假設這一上升管有合成橡膠涂層或其他措施加以防腐蝕保護。假設這一上升管的上端連接于半潛式生產設施，而其下端假設連接于一條采油總管或直接連接于一條海底管線。假設有若干浮力柜固定在這一上升管的一段長度上，使其成為一個適當的改型懸鏈線形狀(盡管其他的浮力配置也能給出類似的結果)。假設這一上升管在其使用壽命期間完全充滿油，而且在將上升管內的油沖洗干凈時管內充滿水。
針對一定的極端條件對這一上升管進行了分析。
決定最后得出的設計的因素包括管內和管外壓力、波浪參數、海流、以及船的運動。波浪狀態(tài)是根據100年的波浪狀態(tài)數據，預料其代表這一上升管在其全壽期內可能經歷的最壞環(huán)境和運動條件。應用了類似于在墨西哥灣經歷的那樣的條件。
分析了四種情況，每種情況有不同的輸入條件情況1建立了“近的位置”、或者說是船與上升管最接近情況下的靜態(tài)形狀的數學模型，距離平均位置100英尺的近的位置用作程序所需要的船的偏移。這是用于建立初始形狀。情況2建立了“遠的位置”、或者說是船至上升管的距離為最大(負的接近)情況下的靜態(tài)形狀的數學模型，距離平均位置100英尺的遠的位置用作程序所需要的船的偏移。這是用于確定上升管的最大強度。情況3對船在近的位置由100年統計數據的波浪和海流引起的周期性運動(波動、升沉和縱搖)進行了動態(tài)分析，船對上升管的接近/遠離方向為0度(與上升管成一線)。采用了下列參數波高16英尺，波浪周期16秒；海流速度海水表面處7英尺每秒(4.14節(jié))，隨深度變化而不同，按照DNN(挪威船級社)的數據；船的靜態(tài)偏移向上升管靠近100英尺，橫向偏移為O
船的在波浪周期下的運動波浪幅度20英尺升沉幅度16英尺縱搖幅度5度情況4對船在遠的位置由100年統計數據的波浪和海流引起的周期性運動(橫擺、升沉和橫搖)進行了動態(tài)分析，船對上升管的接近/遠離方向是90度。采用了下列參數波高60英尺，波浪周期16秒；海流速度在海水表面處3.5英尺每秒(2.07節(jié))隨海水深度變化而不同，按照DNN的數據；船的靜態(tài)偏移100英尺靠近，150英尺橫偏；船在波浪周期下的運動橫擺幅度20英尺；升沉幅度16英尺；橫搖幅度5度。
對動態(tài)分析，僅研究了近的位置的情況，因為一般預料，與遠的位置相比，近的位置會使上升管產生更嚴重的彎曲力矩。
仿真的結果如下情況1約400英尺長的上升管保持在海底上。上升管頂端的離船角從垂向算起為23°。上升管上的張力約為48千磅。情況2保持改型懸鏈線形狀(緩S形)。最高張力估計為52千磅。情況3上升管向下觸及海底那一點幾乎不產生運動，這是所希望的。上升管上的最大張力約為63千磅，而最小張力約為30千磅。
進一步的仿真可以保證在船運動過程中上升管上沒有任何一點承受壓縮。上升管中的最大彎曲力矩是155千磅—英尺。發(fā)現了約為45千磅每平方英寸的彎曲應力。發(fā)現總的縱向應力遠低于X—65級鋼的許用極限。仿真結果表明，上升管的角度變化保持集中在作為上升管中的各節(jié)點而建立了模型的撓性聯接器處。各節(jié)點處的角位移不同。除設置在上升管的頂端用于連接于平臺的撓性聯接器之外，各撓性聯接器的最大確位移約為9°。情況4由于船的漂移和橫擺，上升管有相當大的橫向運動。因為假設海流從橫向作用于上升管，所以管段承受雙軸向彎曲。與前幾種情況相比，上升管觸及海底的那一點無明顯變動，這是因為改型懸鏈線形狀使上升管具有了足夠大的撓性，其足以容納由自然下垂懸鏈線的伸展產生的大范圍運動。上升管頂部的張力在40至60千磅范圍內。最大彎曲力矩約為130千磅—英尺。剪切力相對較小，可以忽略。
在所仿真的上升管系統10中發(fā)現撓性聯接器32的數目以11個為好。從上端14向下，撓性聯接器32沿上升管12的布置位置如下第一個聯接器在950英尺處第二個聯接器在1050英尺處第三個聯接器在1170英尺處第四個聯接器在1330英尺處第五個聯接器在1520英尺處第六個聯接器在1580英尺處第七個聯接器在1650英尺處第八個聯接器在1760英尺處第九個聯接器在2010英尺處第十個聯接器 在2120英尺處第十一個聯接器在2230英尺處管段28，30的長度當然對應于各相繼的撓性聯接器32的布置距離之間的差值。撓性聯接器32的剛度考慮為一致，都是20,000英尺磅每度。浮力器件建模為具有0.185千磅每英尺的凈浮力。各浮力器件是沿上升管12的在第四個和第九個撓性聯接器32之間的那一區(qū)段分布。已經發(fā)現，將上升管12的上端14連接于平臺16所需要的上撓性聯接器24的角度變化能力約15°。由內部壓力和由重量、浮力、波浪、海流引起的力構成的綜合應力表明上升管內的應力量值在X—65級鋼的屈服強度以下。
上升管系統10可以用任一適當的方來裝配和敷設，但是應優(yōu)先采用以下兩種方法。第一種應優(yōu)先采用的裝配和敷設方法包括用這一技術領域已知類型的鋪管船在最終安裝現場進行管段28，30和撓性聯接器32的焊接和連接。在這一方法中，上升管12是在現場裝配并采用與用于敷設剛性管上升管的技術類似的已知技術進行敷設。
在用于裝配和敷設上升管10的第二種最佳方法中，是在船塢岸邊進行上升管管段28，30的焊接以及把撓性聯接器32連接到管段28，30上。然后將上升管12的兩端用封帽封起來，管內以空氣加壓，在水上將上升管拖到安裝地點，如有必要，可在上升管上套上類似于浮力器件42的附加浮力圈。
如圖9所示，到達安裝現場后，用工作艇100和101把上升管12定位于海面。第一個工作艇100使上升管12的上端14定位靠近平臺16，同時第二個工作艇101使上升管12的下端26位于水下部位28的上方。如圖10所示，然后將上升管12的上端14暫時地連接于平臺16，但是先不要進行對平臺管系的最終連接。在這一暫時連接完成后，第一工作艇100就移動到如圖11所示的沿著上升管12的中間部位，并且兩工作艇100和101分別用錨纜102和104以及導纜103和105錨定于海底的系定點44和27。然后向上升管12內注水并讓它慢慢下沉，用導纜103和105將上升管12導向海底20。在上升管12下沉向系定點44和27的過程中，由工作艇100和101控制上升管12的定位。上升管12就位后，就可以進行其下端26對海底部位27的最終連接，以及其上端14對平臺管系的最終連接。改型懸鏈線形狀的連續(xù)彎曲在圖9至11所示的例子中是通過連接一個如圖2所示的且如上所述的張力部件46來達到。然后可以排干上升管12內的水并進行可工作性檢驗和試驗。
在某種安裝條件使得第二種裝配和敷設方法成為不可行或不能符合要求的情況下，例如由于可能與從平臺16延伸下來的錨纜或系泊纜(未示)發(fā)生干涉，可以選用更常規(guī)的鋪管船來敷設。當然還應理解，上升管系統10也可以用本技術領域的熟練人員皆知的任何其他方法來裝配和敷設。
權利要求
1.一種將一海洋平臺連接于海底一水下部位的上升管，所述上升管包括一根有一第一端部和一第二端部的第一管段，所述第一端部是用于連接于所述海洋平臺；一個有一第一端部和一第二端部的撓性聯接器，所述撓性聯接器的所述第一端部是用于密封地連接于所述第一管段的所述第二端部；一根有一第一端部和一第二端部的第二管段，所述撓性聯接器的所述第二端部密封地連接于所述第二管段的所述第一端部，所述第二管段的所述第二端部可操作地連接于所述水下部位。
2.如權利要求1所述的上升管，其特征在于，所述撓性聯接器有一預先確定的剛度，以便有選擇地控制傳遞到所述各管段的彎曲力矩。
3.如權利要求1所述的上升管，其特征在于，所述第一管段是通過一個撓性聯接器連接于所述海洋平臺。
4.如權利要求1所述的上升管，其特征在于，所述上升管敷設成懸鏈線的形狀。
5.如權利要求1所述的上升管，其特征在于，所述上升管敷設成一種改型懸鏈線的形狀。
6.如權利要求5所述的上升管，其特征在于，它進一步包括多個沿所述上升管的一部分定位的、用以將所述上升管的所述部分抬升成所述改型懸鏈線形狀的浮力器件；以及一個連接于所述上升管和海底的、用以限制所述上升管的運動的張力部件。
7.如權利要求6所述的上升管，其特征在于，所述浮力器件是合成泡沫器件。
8.如權利要求6所述的上升管，其特征在于，所述浮力器件是多個單體的浮力柜。
9.如權利要求5所述的上升管，其特征在于，它進一步包括一個定位在沿所述上升管的一給定位位置的、用以將所述上升管抬升成改型懸鏈線形狀的浮力器件；以及一個連接于所述上升管和海底的、用以限制所述上升管的運動的張力部件。
10.如權利要求5所述的上升管，其特征在于，它進一步包括一個定位在沿所述上升管的一給定位置的、用以將所述上升管抬升成改型懸鏈線形狀的浮力器件；一根與所述浮力器件構成一體的剛性管段，所述剛性管段通過所述撓性聯接器串聯地連接于所述第一管段和所述第二管段；以及一個連接于所述上升管和海底的、用以限制所述上升管的運動的張力部件。
11.一種將一海洋平臺連接于海底一水下部位的上升管，所述上升管包括一根有一第一端部和一第二端部的第一管段，所述第一管段連接于所述海洋平臺；一根確一第一端部和一第二端部的最后管段，所述最后管段的所述第二端連接于所述水下部位；至少一個中間管段；以及多個撓性聯接器，每一所述撓性聯接器連接在所述上升管的兩相鄰管段之間，以便把所述各管段密封地串連起來。
12.如權利要求11所述的上升管，其特征在于，每一所述的撓性聯接器都有各自的預先確定的剛度。
13.如權利要求12所述的上升管，其特征在于，所述多個撓性聯接器中至少一個撓性聯接器的預先確定的剛度不同于所述多個撓性聯接器中至少一個撓性聯接器的預先確定的剛度，所述各預先確定的剛度都是經選擇以控制傳遞到所述各管段的彎曲力矩。
14.如權利要求11所述的上升管，其特征在于，所述第一管段通過一個撓性聯接器連接于所述海洋平臺。
15.如權利要求11所述的上升管，其特征在于，所述上升管敷設成一條懸鏈線的形狀。
16.如權利要求11所述的上升管，其特征在于，所述上升管敷設成一條改型懸鏈線的形狀。
17.如權利要求16所述的上升管，其特征在于，它進一步包括多個沿所述上升管的一部分定位的浮力器件，用以將所述上升管的所述部分抬升成所述改型懸鏈線的形狀；以及一個連接于所述上升管和所述海底的、用以限制所述上升管的運動的張力部件。
18.如權利要求17所述的上升管，其特征在于，所述多個浮力器件是合成泡沫器件。
19.如權利要求17所述的上升管，其特征在于，所述多個浮力器件是單體的浮力柜。
20.如權利要求16所述的上升管，其特征在于，它進一步包括一個連接在沿所述上升管的一給定位置的、用以將所述上升管抬升成所述改型懸鏈線形狀的浮力器件；以及一個連接于所述上升管和所述海底的、用以限制所述上升管的運動的張力部件。
21.如權利要求16所述的上升管，其特征在于，它進一步包括一個連接在沿所述上升管的一給定位置的、用以將所述上升管抬升成所述改型懸鏈線形狀的浮力器件；一個與所述浮力器件構成一體的管段，所述管段通過撓性聯接器串接于不是與浮力器件構成一體的所述管段；以及一個連接于所述上升管和所述海底的、用以限制所述上升管的運動的張力部件。
22.一種將一海洋平臺連接于多個在海底的水下部位的撓性/剛性上升管系統，所述系統包括多條上升管，每一條所述上升管包括一根有一第一端部和一第二端部的第一管段，所述第一端部連接于所述海洋平臺；一根有一第一端部和一第二端部的最后管段，所述最后管段的所述第二端部連接于其對應的水下部位；至少一根中間管段；以及多個撓性聯接器，每一所述撓性聯接器連接在所述上升管的兩相鄰管段之間，用以將所述各管段密封地串連起來。
23.如權利要求22所述的上升管系統，其特征在于，它進一步包括多個沿著所述多條上升管固定在每兩條相鄰的上升管之間的隔離件，用以使所述多條上升管保持基本上平行并保持其間距。
24.如權利要求22所述的上升管系統，其特征在于，每一所述撓性聯接器有各自的預先確定的剛度。
25.如權利要求24所述的上升管系統，其特征在于，每一條所述上升管中的所述多個撓性聯接器中的至少一個撓性聯接器的預先確定的剛度不同于該條上升管中的所述多個撓性聯接器中的至少另一個撓性聯接器的預先確定的剛度，所述各預先確定的剛度是經選擇以控制傳遞到每一條所述上升管中的所述管段的彎曲力矩。
26.如權利要求22所述的上升管系統，其特征在于，每一條所述上升管的所述第一管段通過一個所述撓性聯接器連接于所述海洋平臺。
27.如權利要求22所述的上升管系統，其特征在于，所述多條上升管敷設成一條懸鏈線的形狀。
28.如權利要求22所述的上升管系統，其特征在于，所述多條上升管敷設成一條改型懸鏈線的形狀。
29.如權利要求28所述的上升管系統，其特征在于，它進一步包括一個定位在沿所述上升管系統的一給定位置的浮力器件，用以將所述多條上升管抬升成所述的改型懸鏈線形狀；以及一個連接于所述上升管系統和海底的、用以限制所述上升管的運動的張力部件。
30.如權利要求28所述的上升管系統，其特征在于，它還包括一個定位在沿所述上升管系統的一給定位置的浮力器件，用以將所述多條上升管抬升成所述改型懸鏈線形狀；多個與所述浮力器件構成一體的剛性中間管段，每一所述剛性中間管段通過所述撓性聯接器串聯于各自對應的一條所述上升管的對應段；以及一個連接于所述上升管系統和海底的、用以限制所述各條上升管的運動的張力部件。
31.一種將一海洋平臺連接于海底的一水下部位、借以敷設一條上升管的方法，其特征在于，所述上升管包括一根有一第一端部和一第二端部的第一管段，所述第一端部適合連接于一海洋平臺；一根有一第一端部和一第二端部的最后管段，所述最后管段的所述第二端部適合連接于所述水下部位；至少一個中間管段；以及多個撓性聯接器，每一所述撓性聯接器連接在所述上升管的相鄰兩管段之間，用以將所述各管段密封地串聯起來；所述方法包括以下步驟將所述第一管段的所述第一端部和所述最后管段的所述第二端部用封帽封堵起來；用空氣給所述上升管內部加壓；將所述上升管放置成基本上水平的狀態(tài)，使所述第一管段的所述第一端鄰近所述平臺，以及使所述最后管段的所述第二端基本上躺在所述水下部位的上方；將所述第一管段的所述第一端連接于所述平臺；將所述上升管下放并引導向海底；以及將所述最后管段的所述第二端部連接于所述水下部位。
32. 如權利要求31所述的方法，其特征在于，將所述上升管放置成基本水平的所述步驟包括用工作艇把所述上升管拖成基本上水平的狀態(tài)。
33.如權利要求31所述的方法，其特征在于，下放和引導所述上升管的所述步驟包括沿著幾根連接于工作艇并錨定于海底的導纜引導所述上升管。
34.如權利要求31所述的方法，其特征在于，所述上升管進一步包括一連接于其上的浮力器件，而所述方法進一步包括將一個張力部件連接在所述上升管和海底之間的步驟。
全文摘要
提供一種將海中水下的一部位連接于一海洋平臺或船舶的連續(xù)彎曲的撓性/剛性上升管系統。這種上升管系統包括一個以其上端連接于平臺或船舶的第一剛性管段。多個中間管段通過多個撓性聯接器依次頭尾相接并串連于第一剛性管段。各串連的中間管段的最后一個的下端連接于海底部位。由于允許各管段之間有角位移，這種撓性/剛性上升管系統可以降低沿上升管傳遞的彎曲應力。
文檔編號E21B17/01GK1118618SQ94190881
公開日1996年3月13日 申請日期1994年9月7日 優(yōu)先權日1993年9月7日
發(fā)明者查爾斯·J·摩西, 拉杰科·M·西米可 申請人:大陸Emsco公司