专利名称：带有浮力的钻机辅助支承件的海上平台的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于进行海上碳氢化合物开采作业的平台和系统。更具体地说，本发明涉及一种用于能够在深水中使用自升式钻机的平台结构。
自升式钻机提供一个在井上钻孔、完工或作业用的井架及有关装备。这些装备安装在联合的船身/甲板上，后者能够将这些设施漂浮到作业地点。设有多个可以收缩的立柱，它们使自升式钻机可以方便地移动。一旦漂浮到常规作业的位置，立柱就加压降下，直到它们钉住海底。进一步加压将载荷从浮力船身传递到立柱，然后使船身/甲板升出水面到飞溅区上方，以形成一个稳定的设有底部的海上平台，用以进行油井作业。
该设计的考虑最好地利用了自升式钻机上提供的设施的移动性能的优点，在钻孔完成后将钻机移走，在生产阶段期间开发时不再部署，除非是暂时钻孔和重新开始作业。钻孔、完工和重新开工的装备中相当大的投资是通过当这些操作完工时尽可能快地将自升式钻机重新部署到另一位置而得到最优化使用的。因此，生产的水面完工并不包括自升式钻机本身。可以与自升式钻机一起使用一种称为“油井导管架”的小型结构来提供具有自升式钻机方便性的水面完工的优点。但是，油井导管架和自升式钻井的联用限于浅水部署。其次，收缩式立柱长度的实限限制更直接地限制了可以常规地部署自升式钻机的深度。
深水作业的要求最经常受到持续使用常规的设有底部的平台结构的回应。顶面设施对生产作业提供方便的油井通路。但是，此种结构必须将其结构强度的很大部分专用于支承钻井设施，而这些钻井设施在开采油气层的油气时仅在平台的全部作业寿命中要求相当短的时期。其次，当这些钻孔设施就位时，该结构必须能够承受最大的设计环境条件、设计的飓风标准。
当然，开采作业导致碳氢化合物油气层的消耗，平台迟早会在一个地点丧失其有用性。然而，形成支承平台甲板的塔的油井导管架在结构上可能是牢固的，并可能有很长的有用寿命。但是，打捞作业很困难，而常规油井导管架的另一限制是它们的设计专用于一个给定的水深。这造成基本上限制重新部署的机会的倾向。
已经提出某些设计用于一台自升式钻机在水下结构上的“多次”部署，但是这些设计使每种结构的许多限制产生一种结果，就是虽然它增大了用于自升式钻机的水深，但在其它方面保留了其组成部件的限制的总和。
最近已经提出了一种新的平台概念，这种平台概念结合了自升式钻机和常规的设有底部的平台结构的优点，而没有引入其缺点。比如，已经提出一种“Hyjack”平台，该平台结合一个足以支持生产作业的小型水面塔和一个相当大的导管架底座，后者支承该水面塔并暂时地支承一个用于钻井作业的自升式钻机。在钻孔之后，该自升式钻机被移开，而该小型水面塔支持生产作业。这在由Dale M.Gallaher等人于1993年9月30日提交申请的美国专利申请书08/129,820“海上平台结构和系统”中得到更详细的描述。在由George E.Sgonros等人于1993年9月30日提交申请的美国专利申请书08/129,829“可以重新使用的海上平台导管架”中更充分地描述了有利地打捞和重新部署的其它特点，特别是与上述平台概念的结合。这些专利申请书的每一种的充分的公开内容均参考合并于此并作为本文的一部分。
上述打捞和重新部署的措施允许第二次使用桩套管而不需要干船坞或昂贵而复杂的海上作业。但是，该海上平台结构在其可以重新部署的深度方面仍然比较受限制。这是因为周围范围受水下钻机支承界面的深度和为悬臂式甲板安置井架而要求的余隙所限定的水面塔高度两者的限制。这两种限制中的第一种涉及主要的结构部件。但第二种限制仅限于下述方面，即现有海上作业的复杂性，以及将海上平台结构拖入干船坞或将浮动干船坞运到海上平台处的昂贵和不方便。
当平台被用于逐渐更深的水域时，其动力学响应可能成为更大的设计考虑因素，因为常规的设有底部的平台对于风、波浪和水流变得相当的不牢固。但是，动力学响应成为随动式塔的中心考虑因素，那种场合下灵活性是一个关键性的设计要求。随动式塔被设计成以受控方式“给出”对动力学环境载荷的响应而不是近乎刚性地抵抗这些力。
控制这种响应的基本要求是产生一种具有谐波频率或自然周期的结构，该结构能避免那些自然界中遇到的频率。导管架底座顶部处的总重量是确定结构的自然周期的控制变量之一。Hyjack平台概念对随动塔的适应代表一种独特的挑战，这是因为一种平台必须在考虑的时间适应这种以存在或不存在自升式钻机为基础的广泛不同的设计状态。
然而，在某些情况下仍然需要在经济上适应甚至加强水面完工和深水中自升式钻机操作的方便性与经济性的优点。
根据本发明，提供一种海上平台结构，用于暂时使用一台自升式钻机供深水用途的油井作业，它包括一个设有底部的导管架底座，一座由该导管架底座支承并伸出海面上的水面塔，一个由水面塔支承的平台甲板，一个在导管架底座的顶部处提供的并适于支承自升式钻机以供油井作业的水下钻机支承界面，以及至少一个连接在钻机支承界面上的钻机支承浮力罐。
本发明的一个优点是，它还尽可能减小在平台生产寿命期间专用于支持钻井作业的有限需要的永久性结构。本发明的一些实施例的另一个优点是，如果最初设计假定的钻机证明不能利用，那么就可以提供一个机会来配接一台安装好的Hyjack平台来接受范围更广泛的自升式钻机着地点。
结合附图参照下面优选实施例的详细叙述，将更加充分地理解上述简要叙述以及本发明的其它目的和优点，附图中
图1是例示一种部署的海上平台结构的侧视图；图2是沿图1中线2-2截取的钻机沉垫的顶视图；图3是沿图1中线3-3截取的图1海上平台结构的截面图；图4是如图1中部署的一种钻机沉垫的顶部透视图；图5是图4的钻机沉垫的底部透视图；图6是安装钻机沉垫的侧视图；图7是在一个带钻机沉垫的海上平台结构上部署的自升式钻机的侧视图8是例示一个沿图9中线8-8截取的沉垫锁定连接件的实施例的部分截面图；图9是在海上平台结构上部署的自升式钻机的侧视图；图10是本发明的部署自升式钻机的随动式塔的实施例的侧视图；图11A-11D是打捞海上平台结构并将其重新部署到不同水深中的侧视图；图12A是一种钻机支承浮力罐的替代实施例的顶视图；图12B是图12A的钻机支承浮力罐的侧视图。
图1中，钻机沉垫110A形式的钻机支承浮力罐110用于平衡在设有底部的导管架底座12上部署的自升式钻机34的重量。在该示图中，自升式钻机34以其初始方式示出。
海上平台结构10有一个位于设有底部的导管架底座12顶部的水下钻机支承界面26，导管架底座12具有立柱14和支柱18的框架16。导管架底座用桩22钉在海底24上，桩22用多个桩套管20紧固在导管架底座上。
水面塔28由导管架底座12支承而提供一个在海面30上方的平台甲板32。水面塔28的位置不阻挡接触水下钻机支承界面26。对一台三立柱自升式钻机34提供这种接触的一种方便的方式是将该水面塔安置在自升式钻机的一角上而使四侧面导管架底座的立柱14基本上与定位桩斗38之类分立的接触点对准，定位桩斗38通常对应于自升式钻机的着地点。
图2、4、5、8更详细地例示钻机沉垫110A。图2和4例示钻机沉垫的顶部，该沉垫在罐部件112顶上提供第二级水下支承界面138。第二级水下支承界面138的定位桩斗位于承受自升式钻机34的脚36处。罐部件112的底部提供套管架底座界面114(见图5)，后者对应于在套管架底座的顶上提供的水下钻机支承界面的定位桩斗38。参见图3。
钻机沉垫110A有一个选择性地漂浮和可以压沉的罐部件112，在下表面上有导管架底部界面114(见图5)而在上表面上有第二级水下钻机支承界面39(见图4)。内部结构件以载荷支承关系连接界面114和39。最好是，载荷在分立的对准的接触点之间垂直传递。但是，如果需要，可以制造一种带有这样的结构框架的钻机沉垫，这种结构框架适合于以非直接垂直对准的方式在套管架底座和自升式钻机之间分配载荷。因此，可以采用钻机沉垫110A作为配接器，以便当套管架底座12已制成时能够使用一台其着地点不同于最初设计假定的自升式钻机。
套管架底座界面114和第二级水下钻机支承界面39中的不同着地点是图12A和图12B中例示的钻机沉垫的替代实施例110C中说明的特点之一。这里单个的罐部件112由外部结构件或框架111相互连接。罐部件的内部最好分隔成舱室。这些舱室可以连接一些阀，这些阀比起只提供空气管线来能提供更大的控制，一个阀设在底部，用于当空气进入时让水流走，另一个阀设在顶部，用于当允许压舱物通过底部进入时释放空气。通过阀和舱室提供额外的控制可以随着使用压缩性和非压缩性流体以通过一定范围的压力条件来控制浮力而提供灵活性。这可以限制流入气体能够膨胀到的有效容积，例如当图11A-11D的下面讨论的平台升高操作期间。否则，当罐部件升高而压力降低时，罐部件中气体的体积将增大。气体的膨胀体积排开更多的水，增大平台的浮力，使平台升高得更快，等等。
图6-9例示钻机沉垫110A的安装和自升式钻机34的部署。在图6中，钻机沉垫110A部分压舱，填充足够的水以使其小于中性浮力。然后由起重船116下降到套管架底座12的邻近海面塔28的顶部，啮合具有粗糙支承界面的套管架底座界面，将套管架底座界面114的脚36A带入定位桩斗38，后者设有多个沉垫锁定连接件140。因为这些连接件将低于波浪区，但位于自升式钻机的深度范围内，所以可以使用任何数目的正控制锁定装置，包括液压控制、ROV(遥控潜水器)操纵或甚至是潜水员驱动的。
图8例示一个将钻机沉垫110A固定在套管架底座12上的此种沉垫锁定连接件。此处套管架底座界面114提供一个从有边缘的脚36A伸出的定中销37。定位桩斗采取钢网格结构件38D的形式，它可以涂以橡胶或其它弹性垫38D。一个装有弹簧的着地容器38E从网格结构件的中心向上伸出。此处示出弹簧144，其阴极保护为清楚起见被省略了。也可以替代使用其它弹簧系统如使用弹性体部件或阻尼器系统。在安装时，套管架底座界面114的定中销37被导入着地容器38E的凹槽146中，当弹簧压缩和有边缘的脚36A安置在自升式钻机34的网格结构件立柱34上时，该凹口146逐渐地加载和定中。液压驱动的夹紧臂41被展开而啮合脚36A的边缘，从而将钻机沉垫紧固在套管架底座上，以便当钻机沉垫浮起和自升式钻机就位时增强稳定性。
在图7中，自升式钻机34已经浮在船身52上进入邻近水面塔28的位置而立柱50向着罐部件112的上表面上存在的第二级钻机支承界面39下降。井架56退回到悬臂式甲板58上以便进行这种靠近的操作。在自升式钻机34上方便地提供一台空气压缩机或其它高压气体源，后者通过导管或空气线路118连接到钻机沉垫110A上。罐部件112的内部有压舱室和阀系统116，压舱室内可泵入空气或另一种气体以用于浮起，通过阀系统116可以泵入气体并排除放出的海水。在对套管架底座12的暂时加载、对钻机沉垫锁定连接件140的暂时加载、设计标准和失效情况之间的权衡将决定在安装自升式钻机34之前、期间和之后是否使钻机沉垫110A浮起。
再升起立柱50使脚36接触第二级水下钻机界面39，可以期望通过钻机锁定连接件120(见图9)将自升式钻机的脚36可以脱开地锁定在该界面上，钻机锁定连接件120的结构和操作与图8中例示的沉垫锁定连接件相同。再升起立柱50使船身52升出水面并升到所要的平台高度。在这个高度上，悬臂式甲板58将越过水面塔28的平台甲板32，而井架56可以就位而通过导管40开始钻井操作。
在钻井操作完成后，可以通过基本上与安装步骤相反的步骤拆卸自升式钻机34。通过选择性地允许海水进入罐部件112和空气离开罐部件112，可以将钻机沉垫110A压沉到基本上中性的浮力。除非用于控制下面讨论的动力学响应，否则此时可以用起重船移去钻机沉垫。
图10和11A-11D例示一种钻机支承浮力罐110的另一实施例，此处为多个垂直取向的细长的圆筒形罐部件110B。这些细长的罐部件安装在导管架底座12的框架16的多个高度上，与水下钻机界面38中的分立接触点垂直对准。
图10同时例示一种随动式塔实施例。虽然对于具有对深水固定或刚性的塔结构的普通的设有底部的平台来说动力学响应是一种，考虑但对于随动式塔来说动力学响应成为更加中性的考虑。随动式塔被设计成以受控方式“给出”对动力学环境载荷的响应而不是几乎刚性地抵抗这些力。控制这种响应的基本要求是产生一种具有谐波频率或自然周期的结构，这种结构避免了在自然界中遇到的频率。此处，导管架底座12具有平行的立柱14，以增强其灵活性。为清楚起见，图10中省去了该长的导管架底座的中间部分。
顶部处对导管架底座的总重量是确定该结构的自然周期的控制变量之一。因此，带有就位的自升式钻机34的海上平台结构10是必须适应的条件之一。但是，设计一种海上平台使其具有适当宽广的范围来适应存在和不存在自升式钻机的重量这两种情况可能是相当困难的。同时也很难找到两个避免结构的自然谐波的分开的范围来适应自升式钻机就位时的钻探操作和自升式钻机移去后的生产操作这两种情况。
当自升式钻机移去时使用可以压沉的罐部件110来压沉，可以使必须适应的重量范围显著地变窄。这可以由减轻了自升式钻机重量载荷的同一个可以压沉的钻机支承浮力罐110来方便地提供。虽然可以部署一个钻机沉垫110A，但在存在或不存在自升式钻机时对罐部件的持续需要，此处通过细长的圆筒形的垂直取向的罐部件110B来适应。如果在钻井或其它油井作业期间惯于提供浮力支承来平衡自升式钻机34的重量，那么在移去自升式钻机时可以用海水来替代这种浮力储备，从而基本上替代自升式钻机的重量。其次，因为这些罐是沉没的，所以该重量被加上而没有引入它在系统中的相应重量。这使得可以对一个避免自然谐波响应的更实际的(狭窄)窗口进行设计。
图11A-11D例示一种从一个第一地点到一个水深不同的第二地点重新部署海上平台结构用的方法。对此目的，套管架底座12的顶部处的选择性浮起和可以压沉的罐部件110是非常有用的。
上面讨论的专利申请书S.N.08/129，829公开了分级桩套管20的使用，这种分级桩套管20有一个在第二级62上方伸出的第一级60。在最初的部署中，这些桩被锁定在第一级中的桩套管上。然后，在收回和重新使用时，该第一级套管可以(例如)通过遥控潜水器操作进行切割。参见图11A中的遥控潜水器122。切断在内部使桩与套管连接的第一级套管60和其中的桩的顶部，使平台从其在海底24处的钉住的连接中脱开。为了脱开套管架底座，毁坏的桩可能也需要在桩的套管下方切断。
转到图11B，然后用泵入选择性浮起和可以压沉的罐部件110B的空气取代水。在起重船116上可以供应一个适当的空气泵。同样，也可以将空气泵入导管架底座12的一个或多个立柱14中，这些立柱14通常用空心管件形成。通过对支承水面塔28的角部提供此种浮力可以有助于具有四侧面截面的导管架底座。从通常在导管架立柱中的附加浮力或通过辅助提供浮力可以对其它导管架有利。但是，大部分浮力是在导管架底座的顶部处提供的，而导管架底座被升高离开海底并向着水面30，在那里垂直浮起的导管架底座具有足够的稳定性来进行由起重船116支持的海上制造操作。拆去水面塔28的全部或一部分(参见图11C)，安装一个重定尺寸的水面塔28A。参见图11D。因此，在只涉及水面塔的海上操作中可以适应水深的显著差别。此种操作给导管架底座提供方便的灵活性，这种灵活性通过便于重定水面塔尺寸来正确地适应水深并与在自升式钻机上利用悬臂式甲板安装的井架相配合而显著地增加其重新使用性能。
然后将重新工作的导管架底座牵引到一个新地点并重新部署，对罐部件110和立柱14进行压沉。然后将底座通过桩22钉在海底24上，桩22牢固地锁定在第二级锁定型材62处的桩套管20内。对于较长的牵引距离，最好提供辅助浮力以放倒平台供水平方向重新定位。在新的地点，将其转到垂直位置并安置好。
上述公开内容中也预定包括其它修改、变化和替换。其次，在某些情况下，将利用本发明的某些特点而并不相应地利用这些图示实施例中描述的其它特点。因此，以与本发明的精神和范围一致的方式广泛地解释附属的权利要求书是合适的。
权利要求
1.一种海上平台结构，用于暂时使用一台自升式钻机供深水用途的油井作业，它包括一个设有底部的导管架底座、一座由该导管架底座支承并伸出海面上的水面塔、一个由水面塔支承的平台甲板、一个在导管架底座的顶部处提供并适于支承自升式钻机以供油井作业的水下钻机支承界面，以及至少一个连接在钻机支承界面上的钻机支承浮力罐。
2.一种根据权利要求1所述的海上平台结构，其特征在于，该钻机支承浮力罐是一个钻机沉垫，包括一个选择性浮起和可以压沉的罐部件、一个在连接于导管架底座顶上的钻机支承界面上的罐部件底部上提供的导管架底座界面，以及一个在罐部件顶部上提供的第二级水下钻机支承界面，后者与导管架底座界面以载荷支承关系相互连接，并适合于承受自升式钻机。
3.一种根据权利要求1或2所述的海上平台结构，还包括一个在水下钻机支承件和导管架底座界面之间的沉垫锁定连接件，以便将钻机沉垫可以脱开地固定在导管架底座上，还包括一个在自升式钻机和第二级水下钻机支承件之间的钻机锁定连接件，以便将自升式钻机可以脱开地固定在钻机沉垫上并通过它固定在导管架底座上。
4.一种根据权利要求3所述的海上平台结构，其特征在于，在水下钻机支承件和导管架底座界面之间的连接件包括多个形成导管架底座界面的向下安置的向外伸出的有边缘的脚、一个从该有边缘的脚向下伸出的导向销、多个形成水下钻机支承件而设置来以载荷支承关系容纳该有边缘的脚的钢网格结构、多个在钢网格结构中的设置来容纳从有边缘的脚伸出的导向销的中心槽，以及多个液压驱动的夹紧臂，这些夹紧臂安装在水下钻机界面上并设置成可以脱开地固定套管架底座界面的有边缘的脚。
5.一种根据权利要求4所述的海上平台结构，其特征在于，该钻机沉垫是可以移去的。
6.一种根据权利要求2所述的海上平台结构，其特征在于，水下钻机支承件和第二级水下钻机支承界面每个包括多个分立的接触点，而这些分别各组的分立的接触点在垂直准直方面并不完全互相有关。
7.一种根据权利要求1-6中任何一项所述的海上平台结构，其特征在于，提供多个钻机支承浮力罐，其中该水下钻机界面包括多个对应于自升式钻机着地点的分立的接触点，每个罐在水下钻机界面的一个分立接触点下面以载荷支承关系直接形成一个垂直取向的细长的罐部件。
8.一种根据权利要求1所述的海上平台结构，其特征在于，所述水下钻机支承界面包括多个对应于自升式钻机着地点的分立接触点，其中该钻机支承浮力罐包括多个垂直取向的细长的圆筒形罐部件，每个以载荷支承关系基本上位于水下钻机界面的一个分立的接触点下面，并在多个框架高度处连接到导管架底座上。
9.一种根据权利要求1-8中任何一项所述的海上平台结构，其特征在于，该设有底部的导管架底座形成一个随动的导管架底座，设计用于与所啮合的自升式钻机的重量产生动力学响应，由此，当自升式钻机设置在导管架底座上时该自升式钻机的重量基本上被钻机支承浮力罐所供给的浮力抵消，而当自升式钻机移去时通过加入水作为钻机支承浮力罐中的压舱物而基本上取代了海上平台结构中自升式钻机的重量，从而在不需要存在自升式钻机的生产操作期间对避免随动塔的谐波周期作出贡献。
10.一种用于从第一地点到第二地点重新部署一个如权利要求8中所述的海上平台结构的方法，包括脱开导管架底座和多个锚在第一地点海底中的桩之间的连接，所述脱开操作包括切割多个桩套管和其中锁定的桩以断开延伸的第一级桩套管中的桩对桩的套管连接，通过将空气泵入罐部件来垂直升高海上平台结构，将海上平台结构拖到第二地点，通过对罐部件的压舱来垂直下降该海上平台结构，将平台安装在第二地点，使水面塔在海面上方并使水下钻机支承界面呈现于自升式钻机的深度可能范围内。
11.一种根据权利要求10所述的用于重新部署海上平台结构的方法，其特征在于，该水下导管架底座有一个具有四根立柱的四侧面横截面，所述四根立柱中的三根每根对一个分立的接触点提供直接支承，第四根立柱对水面塔提供主要支承，该方法还包括在水面塔下面提供辅助浮力。
12.一种根据权利要求10或11所述的用于重新部署海上平台结构的方法，其特征在于，垂直升高海上平台结构还包括升高水下导管架底座，直到水面塔的底座位于海面上方。
13.一种根据权利要求10-12中任何一项所述的用于重新部署海上平台结构的方法，还包括重定水面塔的大小，办法是从水下导管架底座移去老的水面塔并将一个新的水面塔安装在水下导管架底座上。
14.一种根据权利要求13所述的用于重新部署海上平台结构的方法，其特征在于，重定水面塔的大小包括从水面塔移去甲板，缩短水面塔并将另一个甲板安装在该缩短的水面塔的顶部上。
全文摘要
公开了一种海上平台结构(10),用于暂时使用一台自升式钻机(34)供深水用途的油井作业,有一个设有底部的导管架底座(12),后者支承一座伸出海面(30)的水面塔(28),还有一个适合于支承自升式钻机(34)供油井作业的水下钻机支承界面(110)。在钻机支承界面上连接至少一个选择性浮起的钻机支承浮力罐(112),由此在支承自升式钻机供钻井作业的过程中可以减轻导管架底座上的一部分暂时载荷。
文档编号E02B17/00GK1174584SQ95197507
公开日1998年2月25日 申请日期1995年12月22日 优先权日1994年12月23日
发明者马克·安德鲁·史密斯, 戴尔·马里恩·加拉格尔, 乔治·伊曼纽尔·斯古洛斯 申请人:国际壳牌研究有限公司