[发明专利]在大深度上安装的水下管道的底部至表面连接方法及系统

说明书

本发明涉及在大深度上安装的水下管道的底部至表面连接方法及系统。

本发明的技术领域是从水下井口进行水下开采油、气或其它可溶或易熔物质或矿物悬浮液的上升生产管柱的制造和安装领域，其目的是为了发展近海安装的生产场地。本发明的主要应用是在石油生产领域中。

本发明涉及公知的连接领域，这种连接领域包括一个锚定在海底的竖直的塔，该塔具有在塔顶的浮子，该浮子连接于一个浮动支承体，该支承体借助一根管安装在表面上，管的自重使其呈现垂曲线形状。

在本说明书中，生产场地被认为是油田。一旦这种油田水下深度变大，它们就从浮动支承体运作。井口往往分布在整个油田上，生产管道，以及注水管道和控制指令缆设置在海底，铺向一个固定位置，该位置具有一个浮动支承体，该支承体在该位置上方竖直设置在表面上。

一般来说，浮动支承体具有锚定装置以便使其保持在位而不受水流、风及浪涛的影响。它一般也包括油的储存和加工装置，以及将油卸载到卸载油船上的装置，油船定期到达以便将生产量运走。这种浮动支承体称为“浮动生产储存和卸载”(FPSO)支承体，在本说明书下面都使用缩写“FPSO”来称谓这种支承体。

这种FPSO借助锚线从浮动支承体的每个角部锚定，在这种情形中，不管周围条件怎样FPSO都基本保持不变的方向(heading)，或者，FPSO具有一个固定在其结构上的角塔，由一系列锚线锚定。在这种情形中，FPSO可相对于角塔自由转动，由角塔保持不变的方向；在这种情形中，FPSO呈现相应于风、水流和船体上的浪涛形成的合力的方向。在下文中，底部至表面连接大都被描述为连接于FPSO的被锚定的、因而具有不变方向的侧面，而如果FPSO具有一个角塔，那么，其应该连接于角塔本身(如图6所示)。

底部至表面连接管道被称为在本说明书中使用的术语“升管”，它可以呈现连续地从设置在海底上的管上升并直接通至FPSO的管，因而其呈现垂曲线形状，其相对于FPSO上的竖直方向的角度一般在3°至15°的范围内(垂曲线升管)。

当水深小于数百米时，这种连接必须使用挠性管，但是，当水深达到或超过800m至1000m时，挠性管可被牢固的刚性管取代，这种管由焊接或螺纹连接的刚性材料如复合材料或厚钢板制成的管状构件构成。这种厚的牢固材料构成的垂曲线形状的刚性升管通常称为“钢垂曲线升管”(SCRs)缩写SCR在本说明书中使用，而不管所述升管是钢制的，还是由其它材料如复合材料制成的。

挠性管和SCR型刚性升管，当只承受重力时，以及当它们具有相同高度时，在连接于FPSO的情形中表现出相对于竖直方向的相同的角度，并且在其整个悬置长度上具有相同的曲率。从数学上讲，这种弯曲是精确限定的，被称为垂曲线。但是，从技术上讲，SCRs要比挠性管简单得多，也便宜得多。挠性管是复杂、价格高的结构，它们是由多个螺旋缠绕的套和复合材料制成的。

某些油田的深度大于1500m，可能深达2000m至3000m。每个SCR在FPSO上引起的张力可高达250至300公吨，发展某些油田所需要的大量升管需要显著增强所述FPSO的结构，如果右舷和左舷装载不同，可能引起不平衡。另外，在FPSO绕其平均位置作圆形运动期间，SCR形成的垂曲线发生改变，在海底上的接触点与FPSO运动相同的速率前后及左右移动，使管的一部分上、下波动。这种运动长期反复进行，在不坚实的海底挖出一条沟，而这种海底在大深度上是常见的，如果这种现象显著就会改变垂曲线的曲率，存在管受损的危险，即，水下管道可能受到损坏和／或SCRs可能受到损坏。

由于这种设施中存在大量线路，因而最好采用塔式技术方案，其中，管和缆在塔根部会聚并向塔上升起，直至表面，或直至靠近表面的一个深度，然后，挠性管从该深度延伸，形成塔顶和FPSO之间的连接。塔则设有浮子装置以保持其竖直位置，升管在塔根部通过连接套筒连接于水下管道，所述连接套筒使塔可作角度运动。所形成的组件通常称为“混合式升管塔”，这是由于它采用了两种技术：第一种是竖直部分，塔，是由刚性管构成的，第二种是升管顶部是由将塔顶连接于FPSO的垂曲线形状的挠性管构成的升管顶部。

1982年12月17日公开的、题为“水中大深度升管柱”的法国专利FR2507672公开了这样一种混合式塔，它包括一个表面浮子，该浮子通过挠性管连接于FPSO，并承载悬置导向器，只有竖直的流体输送管穿过该导向器。这种混合式塔通过张力下的缆锚定在海底上，缆使这种组件有一定量的竖直运动的灵活度，管的底部是自由的，在支承它们的海底上形成弯曲。