[发明专利]挠性/刚性上升管及其安装方法

说明书

本发明总地是关于上升管系统，更具体地说，是关于用来把水下的钻井或储存部位连接于浮在水面的船舶的上升管系统。

水下石油和天然气开采作业的出现提出了大量的技术难题，这些难题已经不同程度地解决了。一个尚待改进的问题是在水下的井头或称井口盘和海面的工作或称生产平台之间提供连接管线。这种管线是作为把设备送到和移出水下部位的通路，也用于在钻井作业以及随后的生产或维护期间向水下部位输送或从其输出各种流体。由于要在水下部位和水面平台之间输送大量的材料，所以这些连接管线或本技术领域所说的“上升管”往往非常大、非常重、而且相当长。由于上升管实际上是水下作业的生命线，所以其完整性和可靠性是海上钻采装置的成功和获利与否的关键。

上升管系统的主要难题是它的弯曲，其部分地是由上升管的重量引起的，但主要还是由水面的平台或船舶相对于海底的运动引起的。通过上升管与水下部位连接的水面结构物一般至少有某种程度的相对于水下部位运动的自由度。这种运动往往是由潮汐、海流、水位升高、波浪、风、以及热效应等因素引起的。而且，现代的深水海洋工程装置都是采用浮在水面的结构物，它们通过在水下井口盘某一距离处的多个锚和系泊缆索系泊于海底。也可以用多个推力器来保持水面平台或船舶相对于海底的位置。但是，就是在采用锚泊和动力定位技术的情况下，浮在水面的结构物仍表现出其运动幅度比固定式钻井和生产平台的大。在水深超过约300米的情况下，需要顺从性的浮动平台，而这样，平台或船舶会在海面上运动并使上升管弯曲，从而需要海底和平台之间的上升管管道连接有一定的挠性。此外，即使是在海水相对较浅的情况下，重型的上升管也可能承受相当大的弯曲应力，这种应力可能对上升管系统的完好性造成危险。

上升管的典型敷设方式是或者从水面平台以直的各管段直接向下敷设至海底，或者以一种弯曲的悬链线的形状敷设至海底，在后一种形状下，上升管形成一个由其尺寸、刚性、以及长度确定的自然弯曲半径。直的上升管一般在各管段的上端和/或下端采用挠性接头。这种上升管的缺点是需要有上升管张力器系统来支承管柱的重量，以防止塌弯。在悬链线形状下，上升管本身的重量为从水面平台或船舶向下的各垂直的或近乎垂直的各管段提供张力。随着上升管接近海底，它因在自身重量和施加在其上的载荷的作用下的自然下垂趋势而呈现一种连续的弯曲状态。在水比较深、水面平台或船舶定位于至海底系结点一定距离处的情况下，悬链线形状的上升管尤其有用。但是，由于尺寸较大的管子有较大的弯曲半径，在其用作上升管时，由悬链线形状产生的弯曲应力将增大。这样，能以悬链线形状敷设的上升管的尺寸就受到弯曲半径和弯曲应力的限制

为了减轻上升管系统上的应力作用，可以在上升管的至少一部分浸在水中的长度上附加一些浮力或压载器件。这类器件通常包括合成泡沫零件或单体的浮力柜或压载柜。这些柜可以制成在或者配置在上升管管段的外表面上，而且与泡沫零件不一样，这些柜可以有选择地用水来充入压载或用浮在水面的船上的压缩空气设备充气而产生浮力。这些浮力器具对上升管产生直指向上的力，从而能对由上升管的重量产生的应力起一定的补偿作用。但是，经验表明，这种浮力器具的补偿作用一般不能阻止上升管的损坏。

现已提出几种限制上升管系统中的弯曲应力的办法。一种办法包括采用挠性软管或导管。在上升管的上端即其接入平台的地方，或在其下端即其连接于井头或井口盘的地方，或在其上下两端，可以将这类挠性导管与弯曲加强件或应力接头一起使用。由于这类导管有相对较大的弯曲自由，其几乎不会把弯曲应力传递给导管壁，所以，用这一办法可使上升管系统在某种程度上免受结构弯曲应力的不利作用。但是，采用挠性导管有几个缺点。首先，挠性导管很昂贵。其次，与金属管子相比，这种挠性导管由于其结构和制造材料而更易于损坏。最后，挠性导管用在上升管系统中的可靠性和使用寿命迄今尚未得到证实。尽管弯曲加强件一般能延长挠性导管的使用寿命，但是其会使整个上升管系统的成本明显增加。

另一种解决办法是采用刚性管段，将其端头对端头地焊接起来，以形成连续的上升管。尽管“刚性管”这一术语似乎意味着缺乏挠性，但是实际上，即使是很大的重型管子也允许有一定的弯曲而不会破坏，所以，沿着用在一典型的上升管系统中的管子的全长，常常可能有相当大的弯曲度。刚性管的上升管往往在其上端和/或下端装有挠性连接器。这种挠性连接器用于把上升管接入水面平台的管系或海底的井口盘，而且一般能允许上升管的管子相对于连接点有几度旋转。尽管这一办法有成本比挠性导管低的优点，但是构成上升管的管子对由平台或船舶的运动引起的弯曲应力更加敏感。此外，如上所述，在以悬链线形状敷设中，用在上升管中的管子的尺寸是受到限制的。