一种水下集成式生产输送立管系统及其安装方法技术方案

本发明专利技术公开了一种水下集成式生产输送立管系统及其安装方法，所述的系统包括生产立管组件、控制立管组件、组合浮筒和系泊装置；所述的组合浮筒包括外层浮筒和内层浮筒；所述的内层浮筒嵌套于外层浮筒内。本发明专利技术的外层浮筒负责提供系泊缆绳张紧力，各个内层浮筒分别负责提供相应的单根刚性生产立管或刚性保护管的顶张紧力，实现了系泊装置与所有立管的垂向受力以及运动的解耦，也实现了各个立管之间的受力以及运动的解耦，提高了刚性生产立管的在位性能要求。本发明专利技术的柔性控制管缆的下段管缆统一集成装配于刚性保护管内，从而避免引发复杂的驰振破坏问题。本发明专利技术的内层浮筒可沿外层浮筒的滑道自由升降，满足刚性生产立管的热膨胀要求。

【技术实现步骤摘要】
一种水下集成式生产输送立管系统及其安装方法
本专利技术涉及海洋油气开发
的干式采油平台，具体涉及一种应用于超深水海域环境下干式采油平台的生产立管系统及其安装方法。
技术介绍
目前，适用于深海油气开发的干式采油平台有两种：TLP平台和Spar平台。干式采油平台的适配型生产立管系统为顶张紧式立管(TopTensionedRiser，简称TTR)。现行TTR的结构型式采用双层套管式立管(外层保护管、内层保护管及生产输送管)或单层套管式立管(外层保护管及生产输送管)。套管的主要作用是预防生产输送管的泄露导致的海洋环境污染与压力完整性的失衡。由于套管自重远大于生产输送管，因此双层套管式立管与单层套管式立管均需要巨大的顶张紧力进行支撑。对于TLP平台，TTR的顶张紧力由TLP平台的主体浮力直接承担，因此加大了TLP平台的主体尺寸及自重，限制了TLP平台在更深海域的发展应用。对于Spar平台，TTR的顶张紧力由顶部浮力罐承担，因此加大了浮力罐的主体尺寸，进一步地加大了Spar平台的主体尺寸及自重。为了降低TTR在超深海油气开发应用中的自重，文献OTC15100(GeorgeZ.Gu,RodMyers,RobertSokoll,JoeJin,KevinHuang.TechnicalFeasibilityofTubingRisers.OffshoreTechnologyConference,Houston,2003.)首次提出了一种解决方案。在该方案中，TTR的结构型式仅具有生产输送管，而无外层保护管和内层保护管；控制管缆平行或缠绕布置在生产输送管外缘。然而，该技术方案具有以下技术局限性：1、生产输送立管受灾害性海洋环境要素(强风、巨浪和海面强流)作用，生产输送立管易发生干涉、波致疲劳损伤和VIV疲劳损伤等，进而导致生产输送立管发生破裂及原油泄漏；2、外层保护管及内层保护管的缺失导致生产输送管的轴向刚度大大降低，为满足相邻生产输送立管的干涉要求，需加大生产输送立管的顶部设计间距，为此需增加干式采油平台的甲板面积，加大干式采油平台的主体尺寸；3、缺少外层保护管及内层保护管，热膨胀导致生产输送管伸长1.2m左右，为此需增加干式采油平台的甲板高度，加大干式采油平台的主体尺寸；4、外层保护管及内层保护管的缺失导致控制管缆无保护通道，控制管缆需平行或缠绕布置在生产输送管的外缘，进而导致生产输送管横截面的非对称，从而引发复杂的驰振破坏问题。
技术实现思路
为了解决现行生产输送立管技术在超深海油气开发应用中存在的上述问题，本专利技术要提供一种实现以下目的的水下集成式生产输送立管系统及其安装方法：1、防止生产输送管破裂及原油泄漏；2、防止生产输送管发生驰振破坏；3、减小干式采油平台的主体尺寸。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种水下集成式生产输送立管系统，包括生产立管组件、控制立管组件、组合浮筒和系泊装置；所述的生产立管组件包括柔性生产立管与刚性生产立管，所述的控制立管组件包括刚性保护管和柔性控制管缆，所述的组合浮筒包括外层浮筒和内层浮筒；所述的内层浮筒嵌套于外层浮筒内；所述的外层浮筒主体为环柱体结构，外层浮筒外壁底部边缘连接四个悬臂浮筒，四个悬臂浮筒沿周向均布，呈辐射状，悬臂浮筒末端采用桁架结构，桁架结构的外端连接系泊缆绳，外层浮筒由四根系泊缆绳系泊在海床上；外层浮筒内壁沿圆周均布四条竖直滑道，滑道贯穿整个外层浮筒内壁；在相邻两竖直滑道之间的内壁中央，离浮筒底端1/3柱高处设置限位体A；所述的内层浮筒主体为圆柱体结构，内层浮筒外壁沿圆周均布四个竖直凸出体，凸出体宽度B1小于滑道的宽度B，凸出体与内层浮筒等高；所述的凸出体位于外层浮筒的滑道中；在相邻两凸出体之间的外壁中央，离浮筒底端1/2柱高处设置限位体B，限位体B与位于外层浮筒上的限位体A相配合，限制内层浮筒与外层浮筒的相对竖直运动；所述的刚性生产立管的顶端穿过内层浮筒的立管通道，并与内层浮筒顶部连接；所述的刚性生产立管的底端连接应力接头，应力接头的底端连接海底井口球形阀；所述的井口球形阀与海底井口头连接，并集成控制模块A；所述的井口球形阀在工作状态下，与刚性生产立管联通；在紧急情况下旋转90度，关闭刚性生产立管与海底井口头的连接通道；所述的柔性生产立管的底端与刚性生产立管顶端连接，所述的柔性生产立管的顶端与干式采油树连接；所述的干式采油树位于干式采油平台的甲板上；所述的刚性保护管的顶端穿过内层浮筒的立管通道，并与内层浮筒顶部连接；所述的柔性控制管缆由上段管缆和下段管缆组成，所述的刚性保护管为下段管缆提供安装与保护通道；所述的刚性保护管顶端设置管缆接头，上段管缆和下段管缆通过管缆接头连接；所述的刚性保护管底端与应力接头连接，应力接头的底端与控制模块B连接，控制模块B的底端固定在刚性保护管基座上；所述的柔性控制管缆用于控制井下化学试剂注入，进行井下压力和温度信息采集，控制井下安全阀的闭合以及控制井口球形阀的闭合；所述的柔性控制管缆的顶端与控制中心连接、其底端穿过刚性保护管与控制模块B连接；所述的控制中心位于干式采油平台的甲板上；所述的外层浮筒与系泊装置连接；所述的控制模块A与控制模块B之间通过飞线连接，所述的飞线为信号线缆。进一步地，所述的控制立管组件一组对应生产立管组件二至四组。进一步地，所述的组合浮筒浮筒浸没于海面下30～200m深度处。进一步地，所述的凸出体正面设置有两个滚筒装置，分别位于凸出体正面长边的两个三等分高度处，所述的滚筒装置由滚筒、转轴和支座组成，转轴轴线垂直于凸出体侧面，支座长度与凸出体正面的宽度B1相等，滚筒通过转轴安装在支座上；滚筒与滑道底面滚动接触。进一步地，所述的悬臂浮筒为矩形截面悬臂浮筒。进一步地，所述的滑道的横截面为矩形截面；所述的凸出体的横截面为矩形截面。进一步地，所述的限位体A为矩形体，共有4个，沿外层浮筒内壁周向均布，并处在外层浮筒内壁同一高度处；所述的限位体B为矩形体，共有4个，沿内层浮筒外壁周向均布，并处在内层浮筒外壁同一高度处；当内层浮筒和外层浮筒的中心等高时，限位体B与限位体A之间留有1至2米的间距。一种水下集成式生产输送立管系统的安装方法，包括以下步骤：A、预备工作：将外层浮筒吊装置于半潜船主甲板上，再将内层浮筒吊至外层浮筒正上方，调整内层浮筒的位置和角度，直至内层浮筒的四个凸出体分别对准外层浮筒的四条滑道，将内层浮筒下放至外层浮筒之中，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拖曳至安装地点，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，组合浮筒浮在海面上；B2、向内层浮筒压载舱内注水，内层浮筒在重力作用下缓慢下沉，直至内层浮筒上的四个限位体B分别与外层浮筒上的四个限位体A相接触；继续向内层浮筒压载舱注水至设计量，该设计量的压载水使得内层浮筒完全没入水中时其重力G1仍大于浮力F1，在此过程中外层浮筒在内层浮筒的拖曳下随内层浮筒一起缓慢下沉至停止，组合浮筒浮在海面上；B3、向外层浮筒压载舱内注水至设计量，该设计量的压载水使得外层浮筒完全没入水中时其浮力F2大于其重力G2，在此过程中外层浮筒在内层浮筒的拖曳下随内层浮筒一起缓慢下沉直至外层浮筒完全没入水中；B本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水下集成式生产输送立管系统，其特征在于：包括生产立管组件、控制立管组件、组合浮筒(15)和系泊装置(14)；所述的生产立管组件包括柔性生产立管(31)与刚性生产立管(41)，所述的控制立管组件包括刚性保护管(40)和柔性控制管缆(30)，所述的组合浮筒(15)包括外层浮筒(1)和内层浮筒(5)；所述的内层浮筒(5)嵌套于外层浮筒(1)内；所述的外层浮筒(1)主体为环柱体结构，外层浮筒(1)外壁底部边缘连接四个悬臂浮筒(2)，四个悬臂浮筒(2)沿周向均布，呈辐射状，悬臂浮筒(2)末端采用桁架结构，桁架结构的外端连接系泊缆绳，外层浮筒(1)由四根系泊缆绳系泊在海床(21)上；外层浮筒(1)内壁沿圆周均布四条竖直滑道(3)，滑道(3)贯穿整个外层浮筒(1)内壁；在相邻两竖直滑道(3)之间的内壁中央，离浮筒底端1/3柱高处设置限位体A(4)；所述的内层浮筒(5)主体为圆柱体结构，内层浮筒(5)外壁沿圆周均布四个竖直凸出体(6)，凸出体(6)宽度B1小于滑道(3)的宽度B，凸出体(6)与内层浮筒(5)等高；所述的凸出体(6)位于外层浮筒(1)的滑道(3)中；在相邻两凸出体(6)之间的外壁中央，离浮筒底端1/2柱高处设置限位体B(7)，限位体B(7)与位于外层浮筒(1)上的限位体A(4)相配合，限制内层浮筒(5)与外层浮筒(1)的相对竖直运动；所述的刚性生产立管(41)的顶端穿过内层浮筒(5)的立管通道(11)，并与内层浮筒(5)顶部连接；所述的刚性生产立管(41)的底端连接应力接头(42)，应力接头(42)的底端连接海底井口球形阀(45)；所述的井口球形阀(45)与海底井口头(43)连接，并集成控制模块A(46)；所述的井口球形阀(45)在工作状态下，与刚性生产立管(41)联通；在紧急情况下旋转90度，关闭刚性生产立管(41)与海底井口头(43)的连接通道；所述的柔性生产立管(31)的底端与刚性生产立管(41)顶端连接，所述的柔性生产立管(31)的顶端与干式采油树(22)连接；所述的干式采油树(22)位于干式采油平台(25)的甲板上；所述的刚性保护管(40)的顶端穿过内层浮筒(5)的立管通道(11)，并与内层浮筒(5)顶部连接；所述的柔性控制管缆(30)由上段管缆和下段管缆组成，所述的刚性保护管(40)为下段管缆提供安装与保护通道；所述的刚性保护管(40)顶端设置管缆接头，上段管缆和下段管缆通过管缆接头连接；所述的刚性保护管(40)底端与应力接头(42)连接，应力接头(42)的底端与控制模块B(47)连接，控制模块B(47)的底端固定在刚性保护管基座(44)上；所述的柔性控制管缆(30)用于控制井下化学试剂注入，进行井下压力和温度信息采集，控制井下安全阀的闭合以及控制井口球形阀(45)的闭合；所述的柔性控制管缆(30)的顶端与控制中心(23)连接、其底端穿过刚性保护管(40)与控制模块B(47)连接；所述的控制中心(23)位于干式采油平台(25)的甲板上；所述的外层浮筒(1)与系泊装置(14)连接；所述的控制模块A(46)与控制模块B(47)之间通过飞线(48)连接，所述的飞线(48)为信号线缆。...

【技术特征摘要】
1.一种水下集成式生产输送立管系统，其特征在于：包括生产立管组件、控制立管组件、组合浮筒(15)和系泊装置(14)；所述的生产立管组件包括柔性生产立管(31)与刚性生产立管(41)，所述的控制立管组件包括刚性保护管(40)和柔性控制管缆(30)，所述的组合浮筒(15)包括外层浮筒(1)和内层浮筒(5)；所述的内层浮筒(5)嵌套于外层浮筒(1)内；所述的外层浮筒(1)主体为环柱体结构，外层浮筒(1)外壁底部边缘连接四个悬臂浮筒(2)，四个悬臂浮筒(2)沿周向均布，呈辐射状，悬臂浮筒(2)末端采用桁架结构，桁架结构的外端连接系泊缆绳，外层浮筒(1)由四根系泊缆绳系泊在海床(21)上；外层浮筒(1)内壁沿圆周均布四条竖直滑道(3)，滑道(3)贯穿整个外层浮筒(1)内壁；在相邻两竖直滑道(3)之间的内壁中央，离浮筒底端1/3柱高处设置限位体A(4)；所述的内层浮筒(5)主体为圆柱体结构，内层浮筒(5)外壁沿圆周均布四个竖直凸出体(6)，凸出体(6)宽度B1小于滑道(3)的宽度B，凸出体(6)与内层浮筒(5)等高；所述的凸出体(6)位于外层浮筒(1)的滑道(3)中；在相邻两凸出体(6)之间的外壁中央，离浮筒底端1/2柱高处设置限位体B(7)，限位体B(7)与位于外层浮筒(1)上的限位体A(4)相配合，限制内层浮筒(5)与外层浮筒(1)的相对竖直运动；所述的刚性生产立管(41)的顶端穿过内层浮筒(5)的立管通道(11)，并与内层浮筒(5)顶部连接；所述的刚性生产立管(41)的底端连接应力接头(42)，应力接头(42)的底端连接海底井口球形阀(45)；所述的井口球形阀(45)与海底井口头(43)连接，并集成控制模块A(46)；所述的井口球形阀(45)在工作状态下，与刚性生产立管(41)联通；在紧急情况下旋转90度，关闭刚性生产立管(41)与海底井口头(43)的连接通道；所述的柔性生产立管(31)的底端与刚性生产立管(41)顶端连接，所述的柔性生产立管(31)的顶端与干式采油树(22)连接；所述的干式采油树(22)位于干式采油平台(25)的甲板上；所述的刚性保护管(40)的顶端穿过内层浮筒(5)的立管通道(11)，并与内层浮筒(5)顶部连接；所述的柔性控制管缆(30)由上段管缆和下段管缆组成，所述的刚性保护管(40)为下段管缆提供安装与保护通道；所述的刚性保护管(40)顶端设置管缆接头，上段管缆和下段管缆通过管缆接头连接；所述的刚性保护管(40)底端与应力接头(42)连接，应力接头(42)的底端与控制模块B(47)连接，控制模块B(47)的底端固定在刚性保护管基座(44)上；所述的柔性控制管缆(30)用于控制井下化学试剂注入，进行井下压力和温度信息采集，控制井下安全阀的闭合以及控制井口球形阀(45)的闭合；所述的柔性控制管缆(30)的顶端与控制中心(23)连接、其底端穿过刚性保护管(40)与控制模块B(47)连接；所述的控制中心(23)位于干式采油平台(25)的甲板上；所述的外层浮筒(1)与系泊装置(14)连接；所述的控制模块A(46)与控制模块B(47)之间通过飞线(48)连接，所述的飞线(48)为信号线缆。2.根据权利要求1所述的一种水下集成式生产输送立管系统，其特征在于：所述的控制立管组件一组对应生产立管组件二至四组。3.根据权利要求1所述的一种水下集成式生产输送立管系统，其特征在于：所述的组合浮筒(15)浮筒浸没于海面(20)下30～200m深度处。4.根据权利要求1所述的一种水下集成式生产输送立管系统，其特征在于：所述的凸出体(6)正面设置有两个滚筒装置，分别位于凸出体(6)正面长边的两个三等分高度处，所述的滚筒装置由滚筒(8)、转轴(9)和支座(10)组成，转轴(9)轴线垂直于凸出体(6)侧面，支座(10)长度与凸出体(6)正面的宽度B1相等，滚筒(8)通过转轴(9)安装在支座(10)上；滚筒(8)与滑道(3)底面滚动接触。5.根据权利要求1所述的一种水下集成式生产输送立管系统，其特征在于：所述的悬臂浮筒(2)为矩形截面悬臂浮筒。6.根据权利要求1所述的一种水下集成式生产输送立管系统，其特征在于：所述的滑道(3)的横截面为矩形截面；所述的凸出体(6)的横截面为矩形截面。7.根据权利要求1所述的一种水下集成式生产输送立...

【专利技术属性】
技术研发人员：甄兴伟，黄一，吴佳豪，韩玥，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