一种组合式水下生产支撑浮筒及其整体式安装与回收方法技术

本发明专利技术公开了一种组合式水下生产支撑浮筒及其整体式安装与回收方法，所述的浮筒包括外层浮筒、内层浮筒、外围横撑、内部横撑、导向环板和限位板。本发明专利技术的外层浮筒负责提供系泊缆绳张紧力，内层浮筒则提供刚性立管顶张紧力，因此水下生产支撑浮筒可以方便地分别提供刚性立管和系泊缆绳所需顶张紧力，在超深水海洋油气工程开发系统中使用这种组合式水下生产支撑浮筒才能满足工程实际应用的要求。本发明专利技术将刚性立管与外层浮筒的垂向运动以及受力解耦，可以减小刚性立管的受力和运动幅度，有利于改善刚性立管的强度和疲劳性能。当水下生产支撑浮筒发生偏移时，各个刚性立管之间不会发生顶张紧力的二次分配，有利于改善刚性立管的强度和抗疲劳性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种超深水海洋油气工程开发系统，特别涉及一种组合式水下生产支撑浮筒及其整体式安装与回收方法。
技术介绍
随着陆地、近海与中深海域油气资源的逐渐枯竭，海洋石油的开采逐渐向深海与超深海迈进。而现有的浮式生产平台，水下生产系统均难以在深水与超深水环境中进行应用。中国专利(CN102434129A)公开了一种超深水海洋油气工程开发系统，用于3000m以上水深的超深海环境油气开发。该系统包括水面浮式生产装置、立管支撑浮筒、水中采油设备、上部柔性跨接管、下部刚性立管以及海底井口装置；所述的采油设备安装在立管支撑浮筒上。海底的油气资源通过海底井口装置、下部刚性立管、水中立管支撑浮筒、采油设备和上部柔性跨接管到达水面浮式生产装置，从而进行海上油气田的开发与工程运营。该系统实现了浅海完井工艺和采油设备在超深水的拓展应用，降低了采油设备的性能要求以及安装和修井的工艺要求，可以安全、经济和有效地应对3000m以上水深的超深水环境中的各项挑战。该系统的立管支撑浮筒采用中央柱结构，中央柱边缘连接三根矩形截面悬臂浮筒，它们在平面上的夹角为120°，形成辐射状，矩形截面悬臂浮筒末端采用中性浮力的桁架结构，浮筒由三根系泊缆绳固定在海床上。浮筒主要提供刚性立管顶张紧力、系泊缆绳张力，支撑水中采油设备自重以及部分柔性跨接管重量。此种超深水海洋油气开发系统中所述的立管支撑浮筒在实际工程应用中存在如下几个问题：1、系泊缆绳与刚性立管所需的顶张紧力相差很大，例如：当该系统应用在3000m水深中时，若取系泊缆绳安全因子为2.22，单根缆绳所需的张紧力为9689kN；取刚性立管顶张紧力系数为1.7，单根立管所需的张紧力为5757kN。而系泊缆绳与刚性立管均采用立管支撑浮筒被动张紧，难以方便地调整二者的顶张紧力。因此，上述的立管支撑浮筒难以同时提供系泊缆绳和刚性立管所需的顶张紧力；2、立管支撑浮筒的埋深必须足够大(200m水深以下)，若埋深不足的话,立管支撑浮筒易受浅水波浪的影响发生横向偏移，这将引起系泊缆绳和刚性立管顶张紧力的二次分配，造成刚性立管的主体应力变化，不利于刚性立管的强度和疲劳性能；3、立管支撑浮筒用三根系泊缆绳系泊在海床上，当其中任意一根缆绳因故断裂失效时，立管支撑浮筒由三点支撑变为两点支撑，导致其稳定性丧失，系泊缆绳和刚性立管的顶张紧力重新分配，刚性立管顶张紧力急剧增大，而过大的顶张紧力会拉断刚性立管导致系统崩溃；4、系泊缆绳与中性浮力桁架结构的末端相连，一旦缆绳张紧，将在桁架结构与悬臂浮筒末端的连接处产生应力集中，影响立管支撑浮筒的使用寿命。由于上述问题，上述系统中的立管支撑浮筒难以在工程实际中应用。
技术实现思路
为解决现有技术存在的上述问题，本专利技术要设计一种可以为超深水海洋油气工程开发系统分别提供刚性立管和系泊缆绳所需顶张紧力的组合式水下生产支撑浮筒及其整体式安装与回收方法，该浮筒能将刚性立管和系泊缆绳的垂向受力解耦，并在一根系泊缆绳失效的情况下保持稳定性。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种组合式水下生产支撑浮筒，包括外层浮筒、内层浮筒、外围横撑、内部横撑、导向环板和限位板；所述的外层浮筒共有四个，均为圆柱形，四个外层浮筒通过外围横撑连接构成外层浮筒组件；所述的外层浮筒组件为矩形框架，四个外层浮筒竖直安装在矩形框架水平面的四个角上，且四个外层浮筒的轴线互相平行；四个外层浮筒分别由四根系泊缆绳系泊在海床的桩基上；所述的导向环板共有2N个，分上下两层、每层N个，通过内部横撑连接安装在外层浮筒组件内，构成两层导向环板组件，两层导向环板组件结构相同；每层导向环板组件中，一个导向环板安装在矩形框架水平面的中心，其余导向环板安装在矩形框架水平面的中心与四个角之间的连线上；所述的内层浮筒共有N个，分别竖直安装在两层导向环板组件对应的两个导向环板中；所述的导向环板的内径比内层浮筒外径大0.2至0.4米，内层浮筒与导向环板在竖直方向上滑动接触，导向环板内壁设置耐磨损的承压垫，以减小导向环板和内层浮筒接触部位的磨损；所述的内层浮筒上部设置井口头，井口头的下端有立管通道，刚性立管的上端通过立管通道连接到内层浮筒上部的井口头；井口头上安装有采油设备，内层浮筒用于提供单根刚性立管顶张紧力和支撑采油设备；所述的限位板由两块半环板拼成，安装在内层浮筒外围形成一个环形板，其外径大于导向环板的内径；所述的外层浮筒组件和导向环板组件构成外围主体。进一步地，所述的内层浮筒上沿轴向安装有三个相同结构的限位板，相邻的两个限位板之间的距离相等，且相邻两个限位板下端之间的距离与两个导向环板下端之间的距离相等；当内层浮筒和外层浮筒的中心等高时，各限位板与相邻的导向环板之间留有1至2米的距离。进一步地，所述的内层浮筒上安装限位板的部位，预先设计有深度H小于限位板环宽H1、宽度B与限位板厚度B1相等的环形凹槽。进一步地，所述的外围横撑共有八个，分上下两层、每层四个；上层的外围横撑与上层的内部横撑在同一个水平面上，下层的外围横撑与下层的内部横撑在同一个水平面上。进一步地，所述的外层浮筒组件的水平面投影为正方形。进一步地，所述的内层浮筒有五个，所述的导向环板组件中，一个导向环板安装在矩形框架水平面的中心，另四个导向环板安装在矩形框架水平面的中心与四个角之间的连线的中心位置上。正常工作时，内层浮筒穿过上下两层导向环板的内部，限位板与导向环板之间留有1至2米的间距；内层浮筒与外围主体可以在竖直方向上相对运动，但不能在水平方向上相对运动；这样，各个内层浮筒提供相应刚性立管的顶张紧力并支撑水下采油设备重量，外层浮筒提供系泊缆绳张力并作为内层浮筒的水平约束，实现了刚性立管与外层浮筒的垂向运动以及受力的解耦。鉴于目前的浮筒安装方法都是针对单个立管支撑浮筒的安装，本专利技术还要提出一种针对组合式水下生产支撑浮筒的整体式安装与回收方法。该方法与现有单个立管支撑浮筒的安装方法配合，可以实现组合浮筒在超深水中的安装与回收。一种组合式水下生产支撑浮筒的整体式安装方法，包括以下步骤：A、预备工作：在岸上将外层浮筒、外围横撑、内部横撑和导向环板焊接完成，组成外围主体；将未安装限位板的各个内层浮筒依次吊入导向环板内部就位；在各个内层浮筒的环形凹槽处嵌入安装限位板，外层浮筒和内层浮筒在岸上组合完成，构成组合浮筒；B、组合浮筒的就位与下沉：B1、利用半潜船将组合浮筒运至安装地点，各工作船就位；在外层浮筒上连接常规安装作业方法用的缆绳和锚链，半潜船加压载水下沉并开离，组合浮筒浮在海平面上；B2、同时向各个内层浮筒压载舱内注水，内层浮筒在重力作用下缓慢下沉，直至限位板下端与导向环板上端接触，内层浮筒在导向环板的支撑下停止下沉；继续向各个内层浮筒压载内注水至设计量，该设计量的压载水使得内层浮筒在完全没入水中时其浮力F1大于重力G1，在此过程中外围主体在各个内层浮筒的拖曳下随内层浮筒一起缓慢下沉至停止，组合浮筒浮在海平面上；B3、同时向各个外层浮筒压载舱内注水，在自重及锚链的重力作用下，外围主体稳定下沉，此时内层浮筒的重力G1仍大于浮力F1，故内层浮筒会与外围主体一同下层；直至内层浮筒沉入水中一定深度时，内层浮筒重力G1与浮力F1相等，不再下沉，而外围主体继续稳定下沉，限位板下端与导向环板上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种组合式水下生产支撑浮筒，其特征在于：包括外层浮筒(1)、内层浮筒(5)、外围横撑(2)、内部横撑(3)、导向环板(4)和限位板(6)；所述的外层浮筒(1)共有四个，均为圆柱形，四个外层浮筒(1)通过外围横撑(2)连接构成外层浮筒组件；所述的外层浮筒组件为矩形框架，四个外层浮筒(1)竖直安装在矩形框架水平面的四个角上，且四个外层浮筒(1)的轴线互相平行；四个外层浮筒(1)分别由四根系泊缆绳(8)系泊在海床(13)的桩基(9)上；所述的导向环板(4)共有2N个，分上下两层、每层N个，通过内部横撑(3)连接安装在外层浮筒组件内，构成两层导向环板组件，两层导向环板组件结构相同；每个导向环板组件中，一个导向环板(4)安装在矩形框架水平面的中心，其余导向环板(4)安装在矩形框架水平面的中心与四个角之间的连线上；所述的内层浮筒(5)共有N个，分别竖直安装在两层导向环板组件对应的两个导向环板(4)中；所述的导向环板(4)的内径比内层浮筒(5)外径大0.2至0.4米，内层浮筒(5)与导向环板(4)在竖直方向上滑动接触，导向环板(4)内壁设置耐磨损的承压垫，以减小导向环板(4)和内层浮筒(5)接触部位的磨损；所述的内层浮筒(5)上部设置井口头(12)，井口头(12)的下端有立管通道(11)，刚性立管(10)的上端通过立管通道(11)连接到内层浮筒(5)上部的井口头(12)；井口头(12)上安装有采油设备，内层浮筒(5)用于提供单根刚性立管(10)顶张紧力和支撑采油设备；所述的限位板(6)由两块半环板拼成，安装在内层浮筒(5)外围形成一个环形板，其外径大于导向环板(4)的内径；所述的外层浮筒组件和导向环板组件构成外围主体。...

【技术特征摘要】
1.一种组合式水下生产支撑浮筒，其特征在于：包括外层浮筒(1)、内层浮筒(5)、外围横撑(2)、内部横撑(3)、导向环板(4)和限位板(6)；所述的外层浮筒(1)共有四个，均为圆柱形，四个外层浮筒(1)通过外围横撑(2)连接构成外层浮筒组件；所述的外层浮筒组件为矩形框架，四个外层浮筒(1)竖直安装在矩形框架水平面的四个角上，且四个外层浮筒(1)的轴线互相平行；四个外层浮筒(1)分别由四根系泊缆绳(8)系泊在海床(13)的桩基(9)上；所述的导向环板(4)共有2N个，分上下两层、每层N个，通过内部横撑(3)连接安装在外层浮筒组件内，构成两层导向环板组件，两层导向环板组件结构相同；每个导向环板组件中，一个导向环板(4)安装在矩形框架水平面的中心，其余导向环板(4)安装在矩形框架水平面的中心与四个角之间的连线上；所述的内层浮筒(5)共有N个，分别竖直安装在两层导向环板组件对应的两个导向环板(4)中；所述的导向环板(4)的内径比内层浮筒(5)外径大0.2至0.4米，内层浮筒(5)与导向环板(4)在竖直方向上滑动接触，导向环板(4)内壁设置耐磨损的承压垫，以减小导向环板(4)和内层浮筒(5)接触部位的磨损；所述的内层浮筒(5)上部设置井口头(12)，井口头(12)的下端有立管通道(11)，刚性立管(10)的上端通过立管通道(11)连接到内层浮筒(5)上部的井口头(12)；井口头(12)上安装有采油设备，内层浮筒(5)用于提供单根刚性立管(10)顶张紧力和支撑采油设备；所述的限位板(6)由两块半环板拼成，安装在内层浮筒(5)外围形成一个环形板，其外径大于导向环板(4)的内径；所述的外层浮筒组件和导向环板组件构成外围主体。2.根据权利要求1所述的一种组合式水下生产支撑浮筒，其特征在于：所述的内层浮筒(5)上沿轴向安装有三个相同结构的限位板(6)，相邻的两个限位板(6)之间的距离相等，且相邻两个限位板(6)下端之间的距离与两个导向环板(4)下端之间的距离相等；当内层浮筒(5)和外层浮筒(1)的中心等高时，各限位板(6)与相邻的导向环板(4)之间留有1至2米的距离。3.根据权利要求1所述的一种组合式水下生产支撑浮筒，其特征在于：所述的内层浮筒(5)上安装限位板(6)的部位，预先设计有深度H小于限位板(6)环宽H1、宽度B与限位板(6)厚度B1相等的环形凹槽(7)。4.根据权利要求1所述的一种组合式水下生产支撑浮筒，其特征在于：所述的外围横撑(2)共有八个，分上下两层、每层四个；上层的外围横撑(2)与上层的内部横撑(3)在同一个水平面上，下层的外围横撑(2)与下层的内部横撑(3)在同一个水平面上。5.根据权利要求1所述的一种组合式水下生产支撑浮筒，其特征在于：所述的外层浮筒组件的水平面投影为正方形。6.根据权利要求1所述的一种组合式水下生产支撑浮筒，其特征在于：所述的内层浮筒有五个，所述的导向环板组件中，一个导向环板(4)安装在矩形框架水平面的中心，另四个导向环板(4)安装在矩形框架水平面的中心与四个角之间的连线的中心位置上。7.一种组合式水下生产支撑浮筒的整体式安装方法，其特征在于：包括以下步骤：A、预备工作：在岸上将外层浮筒(1)、外围横撑(2)、内部横撑(3)和导向环板(4)焊接完成，组成外围主体；将未安装限位板(6)的各个内层浮筒(5)依次吊入导向环板(4)内部就位；在各个内层浮筒(5)的环形凹槽(7)处嵌入安装限位板(6)，外层浮筒(1)和内层浮筒(5)在岸上组合完成，构成组合浮筒；B、组合浮筒的就位与下沉：B1、利用半潜船将组合浮筒运至安装地点，各工作船就位；在外层浮筒(1)上连接常规安装作业方法用的缆绳和锚链，半潜船加压载水下沉并开离，组合浮筒浮在海平面(14)上；B2、同时向各个内层浮筒(5)压载舱内注水，内层浮筒...

【专利技术属性】
技术研发人员：甄兴伟，吴佳豪，黄一，张崎，王文华，刘刚，李红霞，陈景杰，董磊磊，李志远，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21