专利名称：：管式浮力罐系统的制作方法
技术领域：
：本发明的实施例总体上涉及用于张紧立管的浮力罐。更加具体地，本发明的实施例涉及一种用于向顶部张紧立管提供可调节张紧载荷的管式浮力罐系统。
背景技术：
：海洋立管(marineriser)通常应用于海上平台，以在平台和海床之间提供导管。海洋钻探立管被用于引导钻柱并且传送在各种海上钻探操作期间使用的流体。海洋生产立管建立从海底储层到位于水面处的生产设备的、用于所生产的碳氢化合物的流动路径。存在其他类型的海洋立管。即使这样，海洋立管的功能也能够大体上总结为在海床和水面之间传送物质、动力或信号。所有类型的海洋立管的共同点在于，由于它们的重量，为了保持立管是竖立的并且防止它跌落到海底，特定大小的竖直作用力是有必要的。而且，竖直布置的海洋立管应该过张紧至超过它们自身的重量，从而限制由于暴露于动力海洋环境而在立管中引起的偏转和应力。这种竖直布置和张紧的立管通常称作顶部张紧立管。除了张紧要求，附接到浮动钻探或生产船只的立管必须与波浪作用导致的船只的沉浮运动脱联。两种通常使用的类型的立管张紧装置是液压致动器和浮力罐。关于液压立管张紧器，在船只和立管顶部之间附接液压致动器。利用致动器冲程补偿了船只沉浮，而通过主动地控制液压将立管张力保持于基本恒定的水平。另一方面，浮力罐张紧器是在水线下面附接到立管上部的无源装置。立管张力由浮力提供，而通过允许浮力罐在套筒式引导件中相对于主船只上下滑动补偿船只沉浮。传统上，液压张紧器和浮力罐这两者均被应用于单个立管。当需要支撑多个立管时，每个立管均各自被单独的张紧器张紧。与立管张紧器的类型无关，关于在深水和严峻海洋环境中的操作的功能要求对于它们的设计提出重大的技术挑战。立管重量并且因此张紧器能力要求随着水的深度而增力口。张紧器冲程要求随着主船只增加的运动而增加，而主船只增加的运动又是由波浪环境的严重性所引起的。例如由美国专利No.6，884，003公开的那些，一些浮力罐允许支撑多个立管。当这种多立管浮力罐在少于全额的立管下操作时，浮力罐应该被压载，以防止过张紧立管。由于另外的压载，浮力罐的沉浮周期可以移变到存在显著波能的范围中，从而对立管增加了动力载荷。因为这些设计约束，用于最近一代的钻探或生产船只的张紧器是庞大的、复杂的和昂贵的。对于一些应用，载荷和冲程要求已经达到了现有张紧器技术的限制。在甚至更深的水和更为严峻的环境中的勘探和生产要求克服当前限制的、新的技术。而且，对于石油和天然气工业而言，关于海洋立管系统的操作灵活性和成本降低已经变得越来越重要，因为这种工业面临在经济方面更加挑战性的深水储层。据此，本发明的实施例涉及寻求克服现有技术的这些和其他限制的浮力罐系统和相关联的方法。
发明内容公开了一种用于张紧顶部张紧立管的管式浮力罐系统和相关联的方法。在一些实施例中，该系统包括联接到顶部张紧立管的一个或多个管状罐和构造成可选择地将加压气体注入到管状罐中的加压气体系统。每个管状罐包括封闭的上端，该上端具有穿过该上端的至少一个可关闭的开口；敞开的下端，该下端构造成允许海水自由流入和流出管状罐；和在上端与下端之间延伸的内表面。该内表面不具有阻止海水通过下端自由流动的结构性障碍物。当打开开口时，使管状罐被海水压载。当关闭开口并且将加压气体注入到管状罐中时，使管状罐卸载海水。用于以可调节方式张紧顶部张紧立管的一些方法包括将管状罐联接到顶部张紧立管；打开可关闭的开口，由此使管状罐被海水压载，由此减小由管状罐施加到顶部张紧立管的张紧载荷。该方法还包括关闭可关闭的开口并且将加压气体注入到管状罐中，由此使管状罐卸载海水，由此增大张紧载荷。用于张紧顶部张紧立管的管状浮力罐系统的一些实施例包括一个或多个管状罐，每个管状罐可在卸载构型和压载构型之间变化。在卸载构型中，每个管状罐具有第一固有沉浮周期。在压载构型中，每个管状罐具有第二固有沉浮周期。第一固有沉浮周期和第二固有沉浮周期是基本相同的。为了更加详细地描述实施例，现在将对于以下附图进行参考图1是传统多立管浮力罐系统的示意性图示；图2是图1的传统浮力罐系统的机械模拟的示意性图示；图3是仅安装有一个立管的图1的传统浮力罐系统的示意性图示；图4是图3的传统浮力罐系统的机械模拟的示意性图示；图5是具有根据在此公开原理的管式浮力罐系统的浮动船只的示意性图示；图6是通过图5的管式浮力罐系统和立管的截面的示意性图示；图7是仅安装有一个立管的图5的浮动船只和管式浮力罐系统的示意性图示；并且图8是安装有第二立管的图5的浮动船只和管式浮力罐系统的示意性图示。具体实施例方式现在将参考附图描述本发明的各种实施例，其中在全部的几个附图中相似的附图标记用于相似的部件。图未必按照比例。可能以比例夸大的方式或以稍示意性的形式示出本发明的某些特征，并且为了清楚和简洁起见，可能没有示出传统元件的一些细节。在以下讨论中和在权利要求中，术语“包括(including)”和“包含(comprising)，，被以开放的方式使用，并且因此应该解释成意味着“包括但是不限于...”。而且，用于描述任何连接的术语“联接(couple)”、“联接(couples)”和“联接(coupled)”每个均旨在意味着并且指的是间接或直接连接。本发明的优选实施例涉及用在浮动平台中的浮力罐系统。本发明易于具有不同形式的实施例。理解到本公开被视为示例本发明的原理而非旨在将本发明限制于在此示意和描述的内容，图中示出且将在此详细描述本发明的具体实施例。应该充分地认识到下面讨论的实施例的不同教示可以被分开或以任何适当组合的方式采用，以产生所期结果。为了理解并且体会本发明的新颖性，首先给出对传统浮力罐系统、它们的操作和相关联行为的简要讨论。参考图1，描绘了一种示例性传统浮力罐系统10。浮力罐系统10悬挂联接到下面海床20的四个顶部张紧立管15。为了方便起见，关于结构和重量，立管15是相同的。由浮力罐系统10施加到立管15的张紧载荷等于在该图中象征性表示成B1的系统10的浮力。因此，浮力罐系统10构造或确定尺寸为具有充分浮力B1,以将所需的张紧载荷施加到立管15，从而立管15保持悬挂于海床20上方。现在转向图2，描绘了图1的浮力罐系统10和立管15的一种简单机械模拟。在这种模拟中，浮力罐系统10由质量体25表示，质量体25具有等于浮力罐系统10质量的质量M10每个立管15由具有刚度c的单个弹簧30表示。浮力罐系统10的固有沉浮周期T1能够根据以下等式确定为浮力罐系统10的质量或M1、每个立管15的刚度c和所安装立管15的数目N的函数<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>如从以上等式看到，浮力罐系统10的固有沉浮周期T1随着浮力罐系统10的质量M1的增加而增加。为了从浮力罐系统10悬挂立管15，如在图1中所示，通常一次一个地安装每个立管15。因为浮力罐系统10确定尺寸为充分地张紧四个立管15，所以系统10的浮力能力提供超过支撑少于四个立管15所需的张紧载荷。为了避免过张紧第一安装立管15，通常作为海水的压载35被引入浮力罐系统10，如图3所示。添加到浮力罐系统10的压载35的量确定为用于单个安装立管15的最大容许张紧载荷B2的函数。因此，压载35被添加到浮力罐系统10，直至系统10的浮力最大为Β2。现在转向图4，描绘图3的浮力罐系统10和单个安装立管15的简单机械模拟。在这种模拟中，浮力罐系统10由质量体40表示，质量体40具有等于浮力罐系统10的质量的质量M2，而单个安装立管15再次由具有刚度c的单个弹簧30表示。如之前那样，根据以下等式，浮力罐系统10的固有沉浮周期T2是浮力罐系统10的质量或M2、立管15的刚度c和安装立管15的数目N的函数T2=2VNc因为特别在它们的基部45处封闭传统浮力罐系统，如系统10(图3)，所以作为压载35添加的海水包含在系统10内。由于这种包含，所以海水压载35响应于周围的波浪运动而随着系统10移动。这样，压载35以等于压载35质量的量有效地增加了系统10的质量，而这又增加了系统10的固有沉浮周期Τ2。具有在5到15秒的范围中的固有周期的波浪具有显著的能量。当足够的压载35被添加到浮力罐系统10从而系统10的固有沉浮周期T2落入这个范围内时，单个安装立管15可以经历超过它设计容许量的张紧载荷。本发明的实施例涉及管式浮力罐系统和相关联的方法，所述管式浮力罐系统和相关联的方法使得能够调节系统浮力和因此施加到从那里悬挂的一个或多个顶部张紧立管的张紧载荷而不显著影响浮力罐系统的固有周期。现在转向图5，描绘出带有联接到此的根据在此所公开的原理的管式浮力罐系统105的浮动船只100。浮动船只100是可联接有一个或多个顶部张紧立管110的任何类型的浮动结构，例如但是不限于柱木或张力支腿平台。浮动船只100支撑顶侧115并且包括桁架120，以集聚管式浮力罐系统105。浮动船只100还包括置于管式浮力罐系统105和船只100之间以使得管式浮力罐系统105能够以最小阻力相对于船只100随周围波浪运动升降的多个侧向支撑件125。在一些实施例中，侧向支撑件125是辊子。管式浮力罐系统105构造成悬挂联接到下面海床20的一个或多个顶部张紧立管110。因此，一旦安装，系统105的浮力能力便足以悬挂全部的一个或多个立管110。由管式浮力罐系统105施加到立管110的张紧载荷等于系统105的浮力，如在下面描述那样，系统105的浮力可被选择地调节，以保证一个或多个立管110被张紧至所期望的水平。系统105的浮力并且因此施加到立管110的张紧载荷由系统105的浮力能力限制。管式浮力罐系统105包括一个或多个浮力罐130，浮力罐130被联接到一起，从而罐105响应于运动作为单个单元一起地移动。在一些实施例中，罐130分别地被多个竖直和水平板135、140联接，在图6中示意出所述的板。仍然参考图5，每个浮力罐130均具有管状形状，具有上端145和下端150。在一些实施例中，立管110位于在罐130之间形成空隙的空间225内(图6)，而在其他实施例中，一个或多个立管110延伸通过罐130。在上端145处，罐130包括盖155，所述盖具有联接于此的一个或多个可移除的闭合装置160。当装置160安装于盖155上时，盖155防止空气通过上端145进出罐130地流动。当闭合装置160从盖155脱联或移除时，允许空气通过上端145进出罐105自由流动。闭合装置160的尺寸和构造使得空气能够以此方式自由流动而不产生显著的障碍。在一些实施例中，闭合装置160是人孔盖。本领域技术人员将易于认识到每个盖155可以在一些实施例中包括一个或多个闭合装置160，闭合装置160每个均是被以电子方式或其他方式可选择地在打开位置和关闭位置之间致动的，以分别允许或阻止空气通过上端145进出罐130自由流动。在下端150处，罐130打开，以允许海水165进出罐130内部自由流动，如由每个罐130内识别的水位170示出。此外，每个罐105的内表面175不含可以阻止海水165以此方式自由流动的加强件(stiffner)或其他结构特征。因此，海水165响应于周围波浪运动通过下端150进出罐130自由流动，仅受到在水位170上方在罐130中包含的气体220的压力所阻碍。当移除闭合装置160时，在水位170上方在罐130内包含处于大气压力的空气。这个大气空气对于海水165进入罐130中的自由流动而言是一种可忽略的障碍。当海水165在罐130内升高时，当罐130中的海水165的水位170升高时，从罐130强制大气空气通过上端145。然而，当闭合装置160联接到罐130从而阻止空气通过上端145自由流动时，当水位170由于海水165通过下端150流入罐130中而升高时，在水位170上方在罐130内捕集的空气受到压缩。因此，所捕集的空气抵制或阻碍海水165进入罐130中自由流动，并且当所捕集的空气的压力超过进入罐130的海水165的压力时阻止了进一步流入。管式浮力罐系统105还包括具有加压气体源185和从那里延伸的多个流动线路190的加压气体系统180。加压气体源185可以如所示那样位于船只100的顶侧115上，或位于船只100或浮力罐系统105上的另一位置处，并且构造成将加压气体例如但不限于空气或氮气注入到流动线路190中。在一些实施例中，加压气体源185可以是压缩机或包含加压气体的存储罐。流动线路190在源180和罐130的每个盖155之间延伸，并且构造成从源185向罐105的内部160提供加压气体。加压气体系统180还包括沿着每个流动线路190定位的一个或多个阀门195。阀门195能够被以人工方式或其他方式致动，以打开和关闭流动线路190，以分别允许或防止气体通过那里流动。此外，加压气体系统180构造成可选择地从源180将加压气体注入到罐130的内部中，从而每个罐130可以独立于其他罐130加压。如将描述那样，罐130被以如此方式加压，即，对它们卸载包含在其中的海水165，从而增加浮力罐系统105的浮力并且增加施加到从系统105悬挂的立管110的张紧载荷。如在前述及那样，立管110的安装一次一个地进行。现在参考图7，描绘出带有单个安装立管110的浮力罐系统105。系统105的浮力能力提供超过这个单个立管110的结构能力的张紧载荷。因此，有必要将系统105的浮力降至低于它的能力，并因此减小立管110上的张紧载荷。为了将系统105的浮力降至可接受的水平，移除一个或多个闭合装置155，以允许包含在一个或多个罐130内的空气通过它们的分别的上端145自由排气，并且作为响应，海水165通过它们的各个下端150自由流入受影响的罐105中。当海水165以此方式流入浮力罐系统105中时，系统105的浮力降低至导致施加到立管110的张紧载荷不大于它的设计容许量的水平。此外，与传统浮力罐系统如图1和3的系统10相反，已经进入已移除闭合装置155的罐130中的海水165或海水压载200未被封闭或包含于罐130内。结果，当罐130响应于周围波浪运动升降时，海水压载200并不随着罐130沿着竖直方向205移动。因此，海水压载200并不有效地增加系统105的质量和系统105的固有沉浮周期。然而，需要指出海水压载200被罐130包含，从而海水压载200响应于波浪运动沿着侧向方向210随着罐130移动。然而，沿着侧向方向210的海水压载200和罐130的运动均不影响浮力罐系统105的沉浮运动或它的固有沉浮周期。此时，可以安装第二立管110。为了向现在已安装的两个立管110提供适当的张力，如在图8中所示，通过从一个或多个罐130排出海水压载200的至少一个部分，浮力罐系统105被卸载。一个或多个罐130的闭合装置155被再次联接或再次安装到盖160，由此密封受到影响的罐130的上端145，以防止空气通过那里的自由流动。随后致动加压气体源185，以将加压气体215注入到包含海水压载200的现在密封的罐130的内部中。随着在罐130内的气体的压力增加，强制海水压载200从罐130通过下端150并且被加压气体215替代。当在使得在立管Iio上的张紧载荷达到所期水平的程度上罐130被卸载时，中止将气体215注入到罐130中。通过以相同方式使用加压气体系统180解除管式浮力罐系统105的压载，随后的立管110可以被安装并且被张紧至所期水平。相反，在一些情况中，可能期望通过遵照相同的上述方法但是以基本反向的次序移除一个或多个已安装立管110并且压载浮力罐系统105，以减小系统105的浮力和因此施加到其余立管110的张紧载荷。如所述那样，管式浮力罐系统105使得它的浮力能够被调节，以适合于施加到从那里悬挂的立管110的张紧载荷而不朝向其中存在显著波能的范围或其中显著地移变系统105的固有沉浮周期。通过比较以下表1和2可以更好地理解这一点的实际益处。表1包括作为水深和从系统300悬挂的立管数目的函数的、关于传统浮力罐系统300的沉浮周期。如所示那样，对于所示的全部水深度而言，关于传统浮力罐系统300的沉浮周期超过5秒直至至少第三立管已被安装。如果例如系统300被用于悬挂用于在6000英尺的水中的钻探操作中使用的钻探立管，则将需要安装三个另外的平衡立管，从而将系统300的沉浮周期降至5秒以下。将三个这种平衡立管添加到钻探操作对于已经高成本的操作增加了显著的费用。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>现在转向表2，关于具有与以上讨论的传统浮力罐系统300相同的浮力能力的管式浮力罐系统400示出沉浮周期。而且，如系统300那样，采取系统400在相同的水深范围中悬挂在数目和设计这两方面均相同的立管。如所示那样，关于管式浮力罐系统400的沉浮周期显著地小于关于在表1中包括的传统浮力罐系统300的相应的沉浮周期。事实上，如果遵照以上提出的实例，系统400将用于悬挂用于在6000英尺的水中在钻探操作中使用的相同钻探立管，则将不需要任何另外的平衡立管，因为带有单个安装立管的系统400的沉浮周期小于5秒。因此，通过使用管式浮力罐系统400而非传统浮力罐系统300，由于无需三个另外的平衡立管，在这个假定的钻探操作中，钻探操作的成本显著地更低。而且，成本节约随着水深度增加而增加，从而在期望在更深的水中勘探和钻探时使得管式浮力罐系统400是特别具有吸引力的。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>虽然已经示出并且描述了优选实施例，但是在不偏离这里的范围或教示的前提下，本领域技术人员能够对其作出修改。在这里描述的实施例仅是示例性的而非限制性的。该系统的很多变化和修改是可能的并且是在本发明的范围内的。例如，能够改变各种部件的相对尺寸、从其制造各种部件的材料以及其他参数。特别地，管式浮力罐130不限于图6所示的圆形形状，而是可以采取其他物理形式。据此，保护范围不限于在这里描述的实施例，而是仅由随后的权利要求限制，其范围应该包括权利要求的主题的全部等价形式。权利要求一种用于将顶部张紧立管张紧的浮力罐系统，所述浮力罐系统包括一个或多个管状罐，所述管状罐联接到所述顶部张紧立管，每个管状罐包括封闭的上端，所述封闭的上端具有穿过该上端的至少一个可关闭的开口；敞开的下端，所述敞开的下端构造成允许海水自由流入和流出所述管状罐；和在所述上端与所述下端之间延伸的内表面，所述内表面不具有阻止海水通过所述下端自由流动的结构性障碍物；以及加压气体系统，所述加压气体系统构造成可选择地将加压气体注入到所述管状罐中；其中，当打开所述开口时，使所述管状罐被海水压载；并且其中，当关闭所述开口并且将加压气体注入到所述管状罐中时，所述管状罐卸载海水。2.根据权利要求1所述的浮力罐系统，其中所述至少一个可关闭的开口构造成允许气体通过所述开口自由流动。3.根据权利要求2所述的浮力罐系统，其中所述气体是空气。4.根据权利要求1所述的浮力罐系统，其中所述结构性障碍物是加强件和将所述管状罐分成两个或多个隔室的分隔器中的至少一种。5.根据权利要求1所述的浮力罐系统，其中所述加压气体系统包括加压气体源；和多个流动线路，每个流动线路联接在所述加压气体源与所述一个或多个管状罐中的一个之间。6.根据权利要求5所述的浮力罐系统，其中所述加压气体系统构造成将加压气体以独立于其余管状罐的方式注入到每个管状罐中。7.根据权利要求6所述的浮力罐系统，其中所述加压气体是由空气和氮气组成的组中的一种气体。8.根据权利要求1所述的浮力罐系统，其中所述管状罐还包括基本上不受所述管状罐的压载和卸载影响的固有沉浮周期。9.根据权利要求1所述的浮力罐系统，还包括联接在所述可关闭的开口之上的可移除的盖。10.一种用于以可调节的方式将顶部张紧立管张紧的方法，所述方法包括将管状浮力罐联接到所述顶部张紧立管，所述管状浮力罐包括封闭的上端，所述封闭的上端具有穿过该上端的至少一个可关闭的开口；敞开的下端，所述敞开的下端构造成允许海水穿过该下端自由流动；和在所述上端与所述下端之间延伸的内表面，所述内表面不具有阻止海水通过所述下端自由流动的结构性障碍物；打开所述可关闭的开口，由此使所述管状浮力罐被海水压载，由此减小由所述管状浮力罐施加到所述顶部张紧立管的张紧载荷；以及关闭所述可关闭的开口；以及将加压气体注入到所述管状浮力罐中，由此使所述管状浮力罐卸载海水，由此增大所述张紧载荷。11.根据权利要求10所述的方法，其中所述打开包括移除联接在所述可关闭的开口之上的盖。12.根据权利要求10所述的方法，其中所述关闭包括将盖联接在所述可关闭开口之上。13.根据权利要求10所述的方法，其中所述管状浮力罐具有浮力和固有沉浮周期；并且其中以海水压载所述管状浮力罐的过程在对于固有沉浮周期无实质影响的情况下减小所述浮力，并且管状浮力罐卸载海水的过程在对于固有沉浮周期无实质影响的情况下增大所述浮力。14.一种用于将顶部张紧立管张紧的浮力罐系统，所述浮力罐系统包括一个或多个管状罐，每个管状罐能够在以下构型之间变化卸载构型，其中所述管状罐具有第一固有沉浮周期；和压载构型，其中所述管状罐具有第二固有沉浮周期；其中所述第一固有沉浮周期和所述第二固有沉浮周期是基本相同的。15.根据权利要求14所述的浮力罐系统，其中每个管状罐包括封闭的上端，所述封闭的上端具有穿过该上端的至少一个可关闭的开口；敞开的下端，所述敞开的下端构造成允许海水自由流入和流出所述管状罐；和在所述上端与所述下端之间延伸的内表面，所述内表面不具有阻止海水通过所述下端自由流动的结构性障碍物。16.根据权利要求15所述的浮力罐系统，其中，在所述压载构型中，所述可关闭的开口是打开的，其中气体通过所述可关闭的开口自由流入和流出所述管状罐。17.根据权利要求16所述的浮力罐系统，其中包含在所述管状罐中的所述气体对于通过所述敞开的下端流入所述管状罐中的海水水流而言具有可忽略的阻力。18.根据权利要求15所述的浮力罐系统，其中，在所述卸载构型中，所述可关闭的开口是关闭的。19.根据权利要求18所述的浮力罐系统，其中所述管状罐内侧的海水的体积小于处于所述压载构型中时所述管状罐内侧的海水的体积。20.根据权利要求14所述的浮力罐系统，还包括适于将所述管状罐从所述压载构型重新配置成所述卸载构型的加压气体系统。全文摘要一种用于张紧顶部张紧立管的管式浮力罐系统。在一些实施例中，该系统包括联接到顶部张紧立管的管状罐和构造成可选择地将加压气体注入到管状罐中的加压气体系统。该管状罐包括封闭的上端，该上端具有穿过该上端的至少一个可关闭的开口；敞开的下端，该下端构造成允许海水自由流入和流出管状罐；和在上端与下端之间延伸的内表面。该内表面不具有阻止海水通过下端自由流动的结构性障碍物。当开口打开时，使管状罐被海水压载。当关闭开口并且将加压气体注入到管状罐中时，使管状罐卸载海水。文档编号B63B35/44GK101821158SQ200880111264公开日2010年9月1日申请日期2008年10月13日优先权日2007年10月12日发明者埃德蒙·穆内,莱勒·大卫·芬申请人:霍顿深水发展系统有限公司