用于稳定海底管线的系统和方法
【专利摘要】本申请公开了用于稳定海底管线的系统和方法，可限制管线在轴向、侧向和/或竖向方向上的运动。该管线通过使用一个或更多个承载构件连接到通常靠近该管线的稳定结构上，所述承载构件在一个或更多个预定位置处连接到管线和稳定结构上。还公开了用于监测管线随时间的运行参数的系统和方法。
【专利说明】用于稳定海底管线的系统和方法
【技术领域】
[0001]本申请内容涉及用于稳定海底管线(如，近海油气生产管线)的系统和方法。本申请内容还涉及用于监测海底管线随时间的运行状况的系统。
【背景技术】
[0002]用于近海油气生产的管线安装在海床上，跨越不同的距离。通过这种管线运送的井产烃流体可能存在于高温下，如，高于大约60°C，甚至高达大约200°C。在多次关闭和启动操作期间，运送这种高温流体的管线横向上会出现温度梯度，从而会引起管线或管道膨胀、收缩和热循环。这样会引起管线在侧向上弯曲、在轴向上发生位移(也称之为“移动”)，会使管线负重(这会产生静态峰值和循环应力)，从而会引起管线在易出现不适宜的破坏机理的位置处沿其长度发生超限应变疲劳和疲劳断裂。由于管线与生产基础设施元件(如，管道终端(PLET)或其他海底设备)的连接处承受超限应力，会引起管线受损，甚至使管线从设备上断裂下来，因此，管线移动是一种代价十分高昂的问题。出现这种情况通常要求关闭油气生产，修理管线系统。
[0003]为了防止管线在侧向和轴向上不适宜地运动，通常使用锚定缓解方法将管线固定在合适位置上，这种方法使用大的吸入沉桩及类似件，花费高昂。用于控制弯曲引发因素的各种技术(如，将浮舱的多个部分安装在管线的一部分上)也可用于控制管线在侧向上的弯曲。这种缓解解决方案的实施昂贵、复杂。另外，为了监测管线运动，要通过遥控潜水器(ROV' s)进行定期检验。
[0004]海底管线经过不平坦地形时还会出现其他难题。例如，海底管线可能会经过峡谷和陡坡。在这些情况下，管跨段或不受下方海床支撑的管线部分会承受周围海流和波浪强加的外部载荷以及由流动不稳定(如，段塞流)强加的内部载荷。这些内部和外部作用会引起管线震动和发生其他运动，从而导致管线承受超限应力，发生疲劳断裂。另外，与土壤运动相关的地质灾难能引起已有的管道无支撑跨距范围承受超限应力和/或产生新的管道无支撑跨距。
[0005]因此，需要一种经济的解决方案来控制海底管线的轴向和侧向运动，从而能减小采用花费高昂的管线锚固或其他缓解解决方案的需要。另外，需要一种方便的解决方案来监测海底管线。另外，还需要一种简单、经济的解决方案来限制或控制经过不平坦地形或经受不适宜的土壤运动的管道无支撑跨距范围内的震动和运动。
【发明内容】
[0006]在一个方面，一种用于稳定海底管线的方法包括以下步骤:在沿第一管线长度范围的一个或更多个预定位置处，将第一管线连接到通常靠近该第一管线的稳定结构上，从而相对于稳定结构限制第一管线的运动。
[0007]在另一方面，一种用于在海床上传送流体的系统，该系统包括:布置在海床上的第一管线；通常靠近第一管线布置的稳定结构；以及，至少一个承载构件，该至少一个承载构件具有适于连接到所述第一管线上的第一端和适于连接到所述稳定结构上的第二端；从而，当该至少一个承载构件连接到所述第一管线和稳定结构上时，可相对于稳定结构限制所述第一管线的运动。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]通过下面的描述、所附的权利要求书以及附图，可更充分理解本专利申请说明书的这些和其他目的、特征和优点，附图如下:
[0009]图1为示意图，其显示出根据一个实施例的第一海底生产管线连接到作为稳定结构的第二管线上，从而可相对于第二管线限制第一管线的运动；
[0010]图2为示意图，其显示出根据一个实施例的第一海底生产管线连接到作为稳定结构的海底设备的部件上，从而可相对于海底设备限制第一管线的运动；
[0011]图3是海底生产管线的示意图，该生产管线连接到第二管线上，并跨越大跨距范围，管线在该大跨距范围内不受管线下方的海床支撑。
【具体实施方式】
[0012]本申请内容提供了用于稳定海底管线(即，位于海床上的管道)的运动的系统和方法，下面将对所述系统和方法进行详细描述。术语“管道”、“管线”和“管”在文中可互换地使用。
[0013]图1是根据一个实施例的用于稳定海底管线的系统的示意图(从顶部角度示出)。示出了第一海底生产管线4，该第一海底生产管线通常靠近为第二管线6A的结构形式的稳定结构。第一海底生产管线4也称之为第一管线4，可传送诸如油、水、化学物质和/或气体这样的流体。“通常靠近”意为:第一管线4和第二管线6A在所需的长度L范围内相互靠近。该两个管线可以相互平行或可以不相互平行。该长度L可以至少大致为I千米，甚至可以是几百千米。在该长度范围内第一管线4和第二管线6A之间的距离并不会大到使两管线不能通过一些实际构件(即，通过至少一个承载构件8)连接，下面将对承载构件进行更详细描述。在某些实施例中，在所述长度范围L内第一管线4和第二管线6A之间的距离D大致为5m至1000m，或更长。
[0014]在该所示的实施例中，第二管线6A可以是传送诸如油、水、化学物质和/或气体这样的流体的第二管线、钢缆、控制管缆或本领域的技术人员可知的、通常相邻近的其他第二管线。第二管线6A具有足够的承载能力以稳定第一管线4。
[0015]作为非限制性实例，根据满足稳定所需长度的管线的齐腰，用于将第一管线连接到第二管线6A上的承载构件的数量可以至少为1，甚至可以为从I至大约100，或更多。作为非限制性示例，承载构件之间通常可以大致间隔IOm至1000m。
[0016]图2是根据另一实施例的用于稳定海底管线的系统的示意图(从顶部角度示出)。在该实施例中，用于稳定第一管线4的稳定结构为至少一个三维结构(在此通常称之为设备6B)，而不是第二管线。如上所述，设备6B通常靠近第一管线4。在该所示的实施例中，设备6B可以是具有足够的承载能力以稳定第一管线4的任何三维结构。例如，这类结构的非限制性实例包括采油平台、管道终端(PLETs)、歧管、吸力桩、井头、载重物、钢缆以及本领域的普通技术人员可知的通常靠近的其他稳定结构。[0017]在图1和2中所示的该实施例中，通过沿第一管线4的长度范围位于一个或更多个预定位置处的至少一个承载构件8，生产管线4连接到稳定结构(即，图1中的第二管线6A和图2中的设备6B)上。每个承载构件8的一端通过第一连接构件IOA连接到第一管线4上，另一端通过第二连接构件IOB连接到稳定结构(即，第二管线6A或设备6B)上。
[0018]承载构件8可以是用于在一个或更多个预定位置处将第一管线5连接到第二管线6A或设备6B上的任何实用性构件，从而可在至少一个所需方向上限制第一管线4相对于第二管线6A或设备6B的随时间的运动。例如，相对于管线6A或设备6B而言，第一管线的运动可限制在轴向、侧向和竖向方向中的至少一个方向上。
[0019]在一个实施例中，承载构件8可选自于系链(S卩，由柔性材料制成的缆)、钢缆、索链、管道、梁、长度可调节的夹具以及上述构件的组合件。可使用本领域的普通技术人员可知的其他合适的承载构件。承载构件可由适于在海底环境下用于承载的材料制成，包括但不局限于，钢、尼龙、芳香聚酰胺材料(如，凯夫拉尔(Kevlar?:)，由特拉华州威明顿市的杜邦公司提供)、碳纤维、聚酯以及其他高韧性聚合物材料。
[0020]第一连接构件IOA适于连接到第一管线4上，第二连接构件IOB适于连接到第二管线6A或设备6B上。第一连接构件IOA和第二连接构件IOB的非限制性实例为夹具、环箍、吊带、螺栓、眼板、钩环以及类似件。可使用本领域的技术人员可知的其他合适连接构件。
[0021]在某些实施例中，可使用承载构件8来监测第一管线随时间出现的状况。承载构件中可选择地组合用于此目的的监测装置12。监测装置12可包含在一个或更多个承载构件8中。在某些实施例中，承载构件中可包含诸如测量组件的监测装置，监测装置能测量、记录、存储和/或传送与第一管线相对于第二管线的操作参数相关的数据。例如，这类操作参数可包括第一管线中的张力、第一管线的位移量、第一管线中的应变、第一管线的旋转量以及第一管线随着时间的推移相对于第二管线的位置、以及与每个测量数据相关的时间戳。测量组件可包括测量传感器以及可选择的处理器和转发器(其用于处理、存储和传送所测量的数据)。在一个实施例中，一段使用时间已经过去之后，包括测量组件的承载构件可从系统中拆卸掉，然后提取数据。这种数据可通过能计算重要属性的处理器来分析，所述重要属性包括但不局限于:第一管线的位移量、第一管线的载荷、第一管线中的应变以及第一管线中的震动。另外，这类属性和/或用于计算这类属性的数据还可显示在显示构件上进行可视性观察，这对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的。
[0022]在一个实施例中，一段使用时间已经过去之后，可从该系统中拆卸掉承载构件，然后对承载构件进行测试以确定载荷历程。例如，在一个实施例中，监测装置12可以是组合在承载构件中的机械应变计，可检查表明施加给承载构件的应力量的物理变化。
[0023]在一个实施例中，监测装置12可以是布置在承载构件中的传感器，可测量第一管线的位移或位置，从而监测管线随时间出现的状况。这类传感器的非限制实例包括加速计和转发器。传感器可组合到一组件中，该组件还可包括用于存储和/或传送相关信息(包括位置和位移)的任何合适构件。
[0024]在某些实施例中，第一管线可延伸过非平坦地形区域，从而使得该管线必须跨越一个或更多个大跨距范围，管线在所述大跨距范围内得不到其下方的海床的支撑。例如，管线可能会穿越峡谷、相邻的山、峭壁，或从相对平坦的区域越过相对陡峭的陡坡(管线不被支撑在该陡坡中)。在这些情况下，未被支撑的管线可能会承受由海流和/或流经管线的流体流(如，段塞流)扰动所引起的不适宜的运动、振动以及相关的应力。因此，管线会疲劳，随后服务寿命减小。图3示出了第一管线4和第二管线6A，它们从相对平坦区域开始伸展，越过陡坡2而到达相对高的平地，经过了一段管线不由海床I支撑的跨距范围。根据某些实施例，第一管线4通过一个或更多个承载构件8连接到第二管线6A上，从而如文中前述那样稳定第一管线。在这类实施例中，通过连接第一管线和第二管线，可既稳定第一管线又稳定第二管线。管线无支撑跨距大致在20m和2000m之间变化，或在更大范围内变化，在该管线无支撑跨距范围内第一管线连接到第二管线上。
[0025]通过使用文中所述的系统和方法，能降低不期望的情况(如，管线移动、第一管线中产生的应变大于容许的累积应变)的发生率或避免这类情况发生。因此，还可降低管线疲劳程度、受损程度以及计划之外进行昂贵的修理的相关需要。在某些实施例中，当高温流体通过第一管线输送时，文中所述的系统和方法特别有益，例如，该高温流体从油气生产井流出，温度大致为60°C至200°C，这种高温流体会引起管线不适宜地运动。在某些实施例中，文中所述的系统和方法尤其有利于稳定跨越大跨距范围且在该大跨距范围内不受下方的海床支撑的管线。
[0026]允许的情况下，引证在该专利申请说明书中的所有公开出版物、专利和专利申请的全部内容组合在文中作为参考，组合程度不会导致这些公开内容抵触本发明。
[0027]除非另有规定，对某种类的元件、材料和/或其他部件(各部件或部件的组合结构均选自该种类)的表述意为包括所列举部件的所有可能的附属组合及其混合。另外，术语“包括”、“包含”及其变形体是非限制性的，对所列举的元素的表述并不排除对本发明的材料、组合物、方法和系统有益的其他类似元素。
[0028]通过上面的描述，本领域的普通技术人员将能看出改进、改变和变化，这些均包含在所附的权利要求书中。
【权利要求】
1.一种用于稳定海底管线的方法，包括以下步骤: 在沿第一管线的长度范围的一个或更多个预定位置处，将第一管线连接到通常靠近该第一管线的稳定结构上，从而相对于所述稳定结构来限制第一管线的运动。
2.根据权利要求1的方法，其中，通过将承载构件连接到所述第一管线和稳定结构上，从而使第一管线与所述稳定结构相连，承载构件选自于由系链、索缆、索链、管、梁、长度可调节的夹具以及上述构件的组合体所构成的组，承载构件具有第一端和第二端，其中，所述第一端包括适于连接到第一管线上的第一连接构件，所述第二端包括适于连接到稳定结构上的第二端；其中，第一连接构件和第二连接构件均选自于由夹具、环箍、带、螺栓、眼板和钩环所构成的组。
3.根据权利要求1的方法，其中，在轴向、侧向和竖向方向中的至少一个方向上限制第一管线相对于稳定结构的运动。
4.根据权利要求1的方法，还包括监测操作参数，该操作参数选自于由第一管线的张力、第一管线的位移、第一管线中的应变、第一管线的旋转以及第一管线相对于第二管线的位置所构成的组。
5.根据权利要求2的方法，其中，所述承载构件还包括监测装置，该监测装置能执行下列操作中的至少一种:测量、记录、存储和传送与第一管线随时间运动的状况相关的数据。
6.根据权利要求5的方法，还包括对所述数据进行处理以计算出下列参数中的至少一种:第一管线的位移、第一管线上的载荷、第一管线中的应变和第一管线中的震动。
7.根据权利要求5的方法，还包括以下步骤: 一段时间已经过去之后拆卸掉承载构件；以及 测试承载构件以确定承载构件的载荷历程。
8.一种用于在海床上传送流体的系统，该系统包括: a、布置在海床上的第一管线； b、通常靠近第一管线布置的稳定结构；以及 C、至少一个承载构件，该承载构件选自于由系链、索缆、索链、管道、梁、长度可调节的夹具以及上述构件的组合体所构成的组，该至少一个承载构件具有适于连接到第一管线上的第一端和适于连接到稳定结构上的第二端；从而，当该至少一个承载构件连接到第一管线和稳定结构上时，能够限制所述第一管线相对于所述稳定结构的运动。
9.根据权利要求8的系统，其中，承载构件还包括监测装置，该监测装置能执行下列操作中的至少一种:测量、记录、存储和传送与第一管线随时间的运动相关的数据。
10.根据权利要求9的系统，其中，监测装置选自于由测量传感器、机械应变计、加速计和转发器所构成的组。
11.根据权利要求9的系统，还包括处理器，该处理器用于处理所述数据以计算下列参数中的至少一种:第一管线的位移、第一管线上的载荷、第一管线中的应变和第一管线中的震动。
12.根据权利要求8的系统，其中，所述稳定结构选自于由用于传送流体的管线、索缆和集成管束所构成的组。
13.根据权利要求8的系统，其中，稳定结构选自于由管道终端、采油平台、歧管、吸力桩、井头和载重物所构成的组。
14.根据权利要求8的系统，其中，第一管线跨越的距离大致为20m至2000m，第一管线在该跨越距离范围内不受海床支撑。
15.根据权利要求8的系统，其中，第一管线和稳定结构之间的距离大致为5m至1000m
【文档编号】F17D5/04GK104011455SQ201280063207
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2012年12月13日 优先权日:2011年12月29日
【发明者】A·C·F·克里希内利斯, S·A·梅巴基亚, 小R·L·福斯特, M·J·昆内 申请人:雪佛龙美国公司