專利名稱：柔順性海上平臺的制作方法
技術領域：
本發明總的涉及打底基的海上平臺，更具體地說是涉及需要對設計環境力有柔順響應的這種平臺。
油氣工業已開發了各種結構、浮船和海底設備，用以幫助和支持鉆井和生產作業。用于該目的的一種更普通的結構是固定式海上平臺。這些平臺構筑成各種各樣的結構。術語“固定式海上平臺”在工業范圍內從更普通的意義上理解是指基礎打在海底上并從海底延伸通過海面的任何結構，它可以支承鉆井和/或生產設備。平臺容納鉆井和生產設備的部分通常稱作平臺頂板或甲板。平臺從海底延伸通過水面并支承頂板的部分通常是稱作導管架(管狀空間架)、牽索平臺或張力腿平臺的類型。最普通的類型是導管架或管狀空間架。
位于淺水的平臺是考慮風和波的靜力載荷加上這些載荷的動力放大而設計的，幾乎沒有致力于控制這些載荷的動力放大的大小。以這種方式設計的平臺在工業上通常稱作“固定式”或“非柔性”平臺。或者，平臺的設計可以包括用以限制所受載荷的動力放大程度的措施。這些結構在工業通常稱作柔性結構。平臺設計包括不同的技術和措施用以引入柔順的特性。柔順性平臺的主要目的在于提供一種自然振動周期顯著不同于在設計波浪譜中含最大能量的波浪的周期。對位于墨西哥海灣的海上平臺來說，需要避開的振動周期通常為13到14秒。最具柔順性的結構構筑成其第一振型(橫蕩型)的周期超過25秒。第二振型(彎曲型)通常需要小于8秒。這些值可以根據平臺的位置而改變。具有這些振動特性的平臺可避免與共振相關的設計問題，并可使設計載荷的動力放大降低到最小程度。
基礎打在海底上并且具有從海底延伸到水面以上用以支承頂板設備的支承結構的柔順性平臺通常可歸入以下兩組。
第一組包含幾種平臺設計，其中通過剛性框架支承結構的某些形式的活動連結提供足夠長的第一振型的周期。這種活動連結可以設置在平臺基部，也可以設置在海底與水面之間的某些中間位置。有些平臺還可以在結構的頂部附近加入質量阱，以幫助獲得需要的第一振型周期。
一種這樣的結構是牽索平臺。牽索平臺通常在基部豎直和橫向支承，同時可繞基部轉動到豎直線以外。通過一系列連接于平臺頂部并固定于離開平臺基部一段距離的海底的牽索，從而提供平臺的穩定性。平臺在水平偏斜后通過所連接的牽索的張力而恢復到豎直位置。
該第一組的其它的柔順性平臺包括在海底或某些中間位置(通常是在支承結構的下半部)具有一最小旋轉約束點的剛性結構導管架。不同的彈性構件、浮力、牽索或這些特征的組合可提供穩定性和在橫向偏斜后恢復豎直位置的能力。這種類型的一種平臺揭示于美國專利No.4,696,603中。這種類型的另一種類似的柔順性平臺揭示于1988年3月《海洋工業》中的名為“用于美國海灣深水的復合腿平臺”的論文中。這些設計揭示了使用柔性樁作為一種方法來提供要求的彈力特性和穩定性所必需的回復力，同時提供獲得柔順的第一振型特性所需要的柔性。這些柔性樁通常在平臺半高位置附近剛性連接于平臺，并延伸入海底或直接連接于從海底延伸出的樁基。在海底與柔性樁上端之間的中間位置，柔性樁穿過引導器，從而提供相對軸向運動，同時橫向約束柔性樁。這些引導器對于在平臺與基礎之間提供剪力傳遞以及提高柔性樁的壓縮抗彎強度是必需的。這些柔性樁可設置在平臺構架的內部或外部，通常總是通過引導器和一上部剛性連接部而構筑于平臺腿柱。包括一種用于柔順性混凝土結構的柔性樁的另一種類似的設計揭示于美國專利No.4,793,739中。
該第一組柔順性平臺結構中還包括一種揭示于美國專利No.4,797,034中的柔順性平臺，其中活動連結點設置在一固定于海底的下平臺部分與支承平臺頂板的上平臺部分之間。下平臺部分通過樁基固定于海底，沒有任何的柔順特點。以類似于上述柔性樁的方式通過剛性連接部和引導器固定于上、下平臺部分的管狀件可提供柔順性結構所需的柔性和穩定性。處于安裝方面的考慮，通常要求在不同于活動連結點所勾劃部分的部分構筑平臺。
揭示于美國專利No.4,738,567中的平臺也采用一長的柔性樁基，以實現適合于柔順性平臺的第一振型周期。對于該平臺，柔性樁是通過大導管架腿柱的直徑而安裝。每個腿柱可含有幾個樁，這些樁進而可含有井導管和套管。揭示于美國專利No.5,431,512中的另一種柔性海上平臺提供了設置在導管架腿柱內的柔性管狀件。對于這種平臺，每個腿柱包括一單個的柔性管件，該管件延伸到上導管架部分的腿柱的下端以外，并安裝入一通過樁基用傳統海上方法固定于海底的預安裝固定基部中。這些結構提供了一種可在平臺基部處或其附近樞轉以獲得所需橫蕩型特性的柔順性平臺。設置在平臺腿柱內的管狀件可提供平臺穩定性和柔性。
該第一組的柔順性平臺可通過圍繞基部或在設有鉸接裝置的特定位置處的活動連結實現柔性特性。轉動量通過加入豎直彈性構件來控制，該彈性構件通常采用細長豎直管狀件或柔性樁的形式。如已揭示的某些平臺所使用的，采用橫跨鉸接或樞軸點位置的軸向柔性管，除了平臺連接部的通常基礎樁之外，通常還要求平臺將剛性連接部打樁于在軸向柔性管的每一端。美國專利No.4,696,603中所揭示的柔性樁和所引用的CCLP平臺僅需一個設置在每個柔性樁上端的平臺連接部的柔性樁。然而，由于基礎樁和柔性樁的組合長度，要求在平臺安裝之前安裝海底以下的樁部分，然后與延伸到上部柔性樁剛性連接部的一預安裝柔性樁部分相接合。或者，要求在安裝過程中將組合的柔性樁和基礎樁接合，并且對平臺連接部的剛性柔性樁進行現場安裝。如果柔性樁沒有預安裝在導管架結構上，則用于陰極防蝕保護的陽極的位置將比最佳的要少。具有柔性管或柔性樁的平臺需要均配有磨損面的中間滑動引導器。在各柔性管或柔性樁的相應位置處需要類似的磨損面。這些構件均增加了結構的復雜性，通常較為昂貴。一般，柔性樁、柔性管和滑動引導器由高于普通強度特性的材料制成。這些材料較為昂貴，并可能有不必要的焊接困難。鉸接構件和柔性樁或柔性管都需要非傳統的架設和安裝程序。預安裝柔性樁所提供的浮力集中在下水安裝作業過程中可能會成問題，從而阻礙平臺安裝的設計優化。
第二組柔順性平臺包含設計成可沿結構的長度橫向偏斜的結構，這與繞一個或多個指定點的活動連結相反。這些平臺依賴于結構的球形剪切剛度特性，以提供符合柔性海上平臺要求的橫蕩型周期。橫向位移所產生的內力和浮力通常提供穩定性和回復力。
揭示于美國專利No.4,117,690中的海上平臺是第二種類型的柔順性平臺的一個例子。傳統的框架和導管架腿柱用大直徑管狀件代替，通過這些管狀件安裝基礎樁。平臺腿柱由水平框架件在選定高度處連接。所揭示的該平臺在平臺樁基與海底處的平臺腿柱底部之間采用一剛性連接。這些特征使所揭示的該平臺區別于第一組結構，該第一組結構提供一活動連結點以獲得第一振型的所需的柔順特性。平臺結構內通常設置用以防止平臺腿柱因受壓載荷而彎曲的對角拉條被省去，以產生一種更具柔性的結構。腿柱的局部抗彎強度通過沿平臺腿柱內側連接的樁和井導管引導器而得以提高，它們起到縱向加強件的作用。所揭示的該平臺還設想，平臺可設計成具有足夠的浮力，使得在平臺腿柱的底部處至少有一些張力。所揭示的該平臺還提供了不同的技術和振動影響方法，用以實現柔順特性。一種這樣的技術是在拉條和腿柱內設置可調壓載艙，以此可改變平臺的浮力和質量。同時也揭示了諸如通過在選定高度加入十字撐架來增加剛度的振動影響方法。
美國專利No.4,117,960中所揭示的海上平臺不要求加入與第一組中揭示的柔順性平臺相關的構件來實現柔順振動周期，但卻包括非傳統的、難于構筑的和在結構使用壽命內難以維護的特征。由于在平臺腿柱之間極度缺乏對角拉條，需要加入一些特征，諸如要求在腿柱底部處有至少一定的張力，以及要求腿柱有較大直徑以實現所需的抗彎強度。在平臺腿柱底部處有張力的要求，造成了重量控制方面的約束以及將來通常與浮動結構相關的平臺改制方面的限制。在所有腿柱和拉條上使用壓載艙，造成了與管道系統、歧管和泵的構造有關的成本和危險，這些對于傳統平臺構造通常是不需要的。這些特征在結構的整個使用壽命中都必須進行維護。如美國專利No.4,117,690中所揭示的，可能需要加強件來對大直徑腿柱提供足夠的局部抗彎強度。所揭示的該平臺采取通過設置在腿柱內的引導器來安裝樁基，該引導器也可起到加強腿柱壁的作用。通過連接于腿柱壁內部的引導器來安裝樁，對任何具有可變直徑腿柱的平臺實施例來說可能都是不現實的。所揭示的平臺的所有較佳實施例還因水位以下腿柱直徑的減小而造成樁和井串安裝方面的困難。對于這些情況，平臺樁可以預先打入，允許通過插固于預先打入的樁上來安裝平臺。然而，插固程序會造成與預打樁的配合相關的裝配和對準方面的費用。所有這些樁安裝情況在將平臺腿柱剛性連接于設在內部的樁時會導致危險和不確定性，而沒有現成的對付意外情況的措施。在平臺腿柱內加入井串和立管會增加作業費用和導致平臺腿柱內可能聚積爆炸性氣體的危險。
對于1400英尺到2500英尺以上的水深來說，柔順性平臺通常認為是一個合理的備選方案。對于更深的水深，無需人為地增加橫蕩型周期就可獲得柔性特性。在為實現安裝于較淺水深中的平臺的柔順特性的技術開發方面已作了相當的努力，這代表了非柔順性和柔順性平臺之間的過渡。本發明對于1000英尺到2000英尺的水深有顯著的優點。本發明揭示了一種實現柔順性海上平臺的技術，其中橫蕩型周期通過平臺構架內選定位置處的對角拉條的約束而得以延長。在平臺的大部分高度上保持對角拉條導管架結構可為平臺提供穩定性。在較佳的實施例中，所有的平臺基礎支承是通過多個設置在平臺基部周圍的裙樁而獲得。這些裙樁僅僅以實現平臺基部處的連接所必需方式剛性連接于平臺基部并豎直延伸。裙樁可以通過連接于平臺構架的套筒預安裝或安裝。該平臺支承用于鉆井和生產設備的頂板。該平臺構架有利于支承平臺腿柱外部的鉆桿柱、立管和拉管。
本發明不依賴于鉸接、活動連結點、樞轉裝置、諸如柔性樁或柔性管之類的豎直彈性構件、或諸如牽索或輔助浮筒之類的提供扶正力的構件來提供獲得柔順特性所需的橫蕩型周期。通常的要求是，橫蕩型周期大于約25秒，但可以根據預定的平臺位置的環境而變化。本發明的較佳實施例將用無拉條龍門架代替傳統對角拉條導管架的區域限制于那些實際需要實現柔性特性的區域。另外，本發明并沒有犧牲全拉條空間導管架的所有內在優點。這一特點在樁、井串、立管和拉管的安裝方面是較為有益的。本發明不需要使用牽索，也不要求平臺提供能使平臺腿柱受張力載荷的浮力。由于使用了剛性連接于平臺基部附近的裙樁，而不是使用延伸到平臺半高附近的柔性樁，因而平臺基部與海底之間的相對運動得以減小，需要進行防蝕保護的暴露的鋼表面積也得以減小。
為了進一步理解本發明的實質和目的，應結合附圖參看以下描述，其中相同的部分由相同的標號表示，附圖中
圖1是本發明的柔順性平臺的立視圖。
圖2是說明本發明優點的平臺橫向位移的示意圖。
圖3是沿圖1中3-3線的視圖。
圖3A是沿圖3中3A-3A線的視圖。
圖3B是沿圖3中3B-3B線的視圖。
圖4A和4B是一種可能的安裝情況的立視圖。
圖5A和5B是平臺基部附近的立視圖，其中基礎樁是利用一用作模板的淺水平臺基部而安裝。
圖6表示提供導管架部分的臨時支承和調平的裝置。
圖1從立視角度示出了本發明的柔順性平臺的一個實施例。該平臺導管架13表示為將一甲板12支承于水位10以上一定距離。平臺導管架13延伸到海底11附近的一個位置，在該位置它由多個剛性連接于導管架的裙樁20支承。這些裙樁通過裙樁套筒21而安裝，并通過在工業上眾所周知的灌漿或機械方法與裙樁套筒剛性相連。井導管22通常從平臺甲板12向下延伸入海底11。導管引導器25(圖3中清楚表示)通常設置在各水平構架高度用于橫向支承導管。導管架腿柱14延伸結構的長度，并通常延伸到水位10以上而支承甲板12。假腿柱15可為甲板提供額外的支承。水平拉條16、對角拉條17和水平對角拉條19(圖3中清楚表示)將導管架腿柱互相連接。在不同的位置處可使用另外的豎直拉條18來加強水平拉條16。這些構件通常由管狀件構成，并構筑于一起而形成工業上眾所周知的一剛性管狀空間架。一般，平臺導管架構筑成這種形式。
按照本發明，在導管架選定的區域特意沒有設任何對角拉條17，這種拉條傳統上可防止水平拉條16高度之間的剪切或橫蕩位移。這種對角拉條的省略在圖1中表示為發生在三個位置。本發明的這一特征可提供額外的柔性，這是獲得對環境載荷有柔順響應必需的橫蕩型周期所需要的。這種額外的柔性可以通過比較圖2的兩條曲線而看出。曲線A表示一傳統的全拉條結構的橫向位移。曲線B表示本發明的一平臺的橫向位移。剪切位移發生在無拉條導管架高度的位置。這些增加的位移提供額外的柔性，并增加平臺橫蕩型周期。因額外的腿柱彎曲而需要的額外的平臺腿柱鋼材通常將使任何有關平臺彎曲型振動周期的影響減小到最低限度。無拉條方格的數量和位置由設計決定，并且是現場水深、甲板重量和質量以及與平臺位置相關的環境力的一個函數。
與所有海上結構的情況一樣，必須考慮各管狀件上的海水壓力。同樣，必須考慮導管架的浮力和浮動特性，以便進行平臺安裝。這些考慮通常將要求大多數管狀件保持空的和具有浮力。然而，各種安裝作業必然也會使某些構件在某些安裝程序中進水。一旦完全安裝好后，本發明并不要求特定的浮性結構。
圖3表示通常的構架，它可能存在于各水平拉條架高度處的一水平面內。提供水平對角拉條19用以防止導管架橫截面的變形。這些拉條也為導管架引導器25、立管支承件26和拉管支承件27提供支承。它們是支承該必要設備的傳統裝置，在工業上是眾所周知的。本發明可適應這些設備因異常情況在平臺腿柱內部的通常不太合適的設置。
圖4A和4B中示出了本發明的一可能的實施例和一相關的實例安裝情況。圖4A中表示一裝配好的平臺，它包括裙樁基礎、導管架和平臺甲板。由于柔順性平臺通常用于安裝在超過一千英尺的深水地點，因而一般需要進行分步安裝。圖4B中所示的實施例用來盡量減少安裝設備要求，并還設法盡量減小在平臺安裝進程中源于意外風暴的危險。將初始的導管架部分下放到海底，在那里對其進行調平，并將其設置在臨時支承件上，諸如泥漿墊或工業上眾所周知的其它臨時支承件。
圖6中示出一種提供臨時支承和調平的裝置。使導管架部分擱置于臨時支承樁31上。每個臨時支承樁與一支承架組件32接合。該支承架組件32剛性連接于導管架腿柱14，并且所有的構架都能提供一可供臨時支承樁31支撐的支承接觸面，從而在安裝過程中支承導管架13的重量。支承架組件由一調平裝置34和一支承架33構成。支承架33由一剛性連接于導管架腿柱14的支架構成，該支架進而支承調平裝置34。調平裝置34在支承架33與臨時支承樁31之間提供一接觸面，并提供一調節起落高度的裝置，從而調節結構的豎直度和水平度。對于附圖中所示的實例，調平裝置34表示為一大液壓缸。
在將初始導管架部分放置在海底上時，可以用未示出的對準裝置來將導管架設置和插固于預打入的井上。然后，放下裙樁并用傳統方法打入。一旦打入后，通過工業上眾所周知的灌漿或機械方法將這些裙樁剛性連接于導管架。隨后，將第二個導管架部分下放到緊靠前面安裝的部分內。導管架腿柱的下端的延伸部分用作灌漿銷28，它們與前面安裝的初始導管架部分的導管架腿柱的上端對準。初始導管架部分上的腿柱用作灌漿套筒29。一旦對準后，將第二導管架部分插固于第一部分中并降低到一預定高度，在該高度它可支承于不同的永久或臨時支承裝置上。而后，將導管架部分豎直對準，并通過灌漿或機械方法將它們剛性連接。之后，對其它的導管架部分重復該程序，直到安裝成完整的平臺。此時，在導管架支承結構上安裝平臺甲板12。無拉條導管架方格的數量、導管架部分的數量以及各導管架部分的長度將隨一給定平臺的具體要求而變化。沒有對角拉條的導管架區域并不需要相鄰于導管架部分之間的剛性連接部而設置。導管架部分之間的各連接部構制成灌漿連接部，其中灌漿銷28向下延伸并由設置在一下導管架部分中的灌漿套筒29接納。銷的位置可以倒過來，使灌漿銷從一下導管架部分向上延伸出來并由相鄰的上導管架部分的腿柱的下端處設置的灌漿套筒接納。而且，可以理解，灌漿連接部可以延伸一段小于水平拉條高度之間距離的長度，也可以延伸跨越多個水平拉條高度，除了在平臺部分之間提供剛性連接之外，還可有效形成一復合件。
圖5示出本發明一另外的實施例，其中安裝有導管架的一截頭錐形部分，它用作一安裝模板30。使用模板30的有利點可以有許多與導管安裝、井的預鉆或裙樁的預打入相關的原因。將模板部分30下放到海底，在該處對其進行調平，并將其設置在臨時支承件上，諸如泥漿墊或工業上眾所周知的其它臨時支承件。在將模板放置在海底上時，可以用未示出的對準裝置來將模板設置和插固于預打入的井上。然后，放下裙樁并用傳統方法打入。一旦打入后，通過工業上眾所周知的灌漿或機械方法將這些裙樁剛性連接于導管架。此時，可以預安裝導管，并可使用浮式鉆井船開始初始鉆井。而后，可以在以后如上述的和圖4所示的那樣安裝平臺的其余部分。這種程序可以有這樣的優點，即可以在平臺其余部分和平臺甲板的設計和制造尚在進行中時先安裝平臺基礎、導管以及預鉆井。基礎樁的能力將受益于實際打樁與平臺完成之間附加的架設期。
本發明有幾個優點，它們包括、但不局限于柔順性平臺總的與非柔順性平臺相比的所有優點。最重要的是，用建造在打底基的平臺上的水上載人設備能在干燥的地方在超過非柔順性平臺經濟使用范圍的水深處生產油氣。本發明不依賴于鉸接或樞轉裝置。安裝的平臺并不一定要有正浮力。本發明不要求平臺基礎樁、井串或立管安裝于平臺腿柱的內部。避免將井串和立管通過平臺腿柱的內部安裝可消除與燃氣聚積于平臺腿柱內的危險。
所有的平臺基礎樁可以是利用現有樁安裝技術的傳統裙樁。該現有的技術包括使用諸如夾樁器和灌漿密封件之類的灌漿設備。本發明各實施例中所描述的裙樁，僅要求一個樁連接于各樁的平臺連接部。使用如本發明所揭示的剛性連接于平臺的裙樁，不需要中間柔性樁引導器、將柔性樁引導器結合進入平臺所需的額外構架，不需要位于樁上或引導器上的滑動引導器和磨損面。與在平臺導管架內使用鉸接相關的安裝和制造上的復雜性得以消除。本發明消除了有時與在平臺下水過程中預安裝柔性樁或軸向柔性管初始進入水中時浮力突然增加相關的問題。從結構中省去柔性樁或軸向管可顯著減少必須進行防蝕保護的暴露表面積。本發明所揭示的獲得柔順特性所必需的振動特性的實現方法與傳統導管架一樣，有利于包含井串、j-管和立管的結構支承。與采用固定于平臺中間附近的柔性樁的現有技術平臺設計相比，將平臺樁剛性連接于平臺基部附近可減小平臺與海底之間的相對位移。相對位移的減小有利于井串、立管和拉管的設計。另外，由于平臺基部剛性連接于基礎樁，并且本發明不依賴于繞基部的大位移和轉動來實現柔順特性，因而不需要在平臺安裝之后使導管架與臨時安裝支承件分離。
由于在本說明書所揭示的本發明原理的范圍內可以作出許多變化和不同的實施例，并且在按照專利法對描述的要求在此詳細說明的實施例中可以進行許多改型，因而應予理解，這里的細節應解釋為示例性的，而沒有限制的意思。
權利要求
1．一種柔順性海上平臺，包括a．一平臺頂板；b．一支承所述頂板的結構框架，所述結構框架具有至少三個從所述頂板向下延伸到靠近海底上方的一位置的支承腿柱；c．所述結構框架含有用于生產油氣的附屬設備；d．支承腿柱內部沒有任何附加的支承件；e．所述平臺支承結構可具有固定的浮力和質量，并可具有負浮力；f．支承腿柱由在海底附近剛性連接于支承腿柱的裙樁支承；g．支承腿柱有水平和對角拉條，結構框架的局部沿結構框架的長度在一或多個位置無拉條。
2．如權利要求1所述的平臺，其特征在于，該平臺沒有任何提供鉸接、活動連結點、豎直彈性構件、或諸如牽索或輔助浮筒之類的提供扶正力的構件。
3．如權利要求1所述的平臺，其特征在于，所述結構框架以至少兩部分安裝。
4．如權利要求3所述的平臺，其特征在于，下結構框架部分豎直延伸僅一段足以用作樁安裝引導器或模板的高度，并含有連接于平臺剛性連接部的樁。
5．如權利要求1所述的平臺，其特征在于，平臺裙樁是預打入的。
6．如權利要求3所述的平臺，其特征在于，所述結構框架部分包括用以實現基本豎直的平臺安裝的裝置。
全文摘要
一種柔順性海上平臺,其中,平臺負載的唯一基礎支承不是由海水浮力提供,而是由在海底附近剛性連接于平臺基部的傳統裙樁提供。平臺的橫向柔性通過引入無拉條龍門架而得以提高,這些龍門架在整個平臺構架上設置成便于在平臺構架內實現橫向剪切位移,使橫蕩型(第一結構型)的振動獲得所需的柔順特性,同時允許風、波浪和海流載荷所產生的傾覆力矩由平臺腿柱和平臺基礎內的豎直力克服。
文檔編號E02B17/02GK1306931SQ01103089
公開日2001年8月8日 申請日期2001年1月31日 優先權日2000年1月24日
發明者威謙·P·羅伯遜, 陳正祐 申請人:J.雷.麥克德莫特股份有限公司