УЗЕЛ ПОДЪЕМНИКА ДЛЯ ПЕРЕКАЧИВАНИЯ ТЕКУЧЕГО СОДЕРЖИМОГО СО ДНА МОРЯ НА ПЛАВАЮЩЕЕ СУДНО Российский патент 2000 года по МПК E21B43/01 B63B27/24 

Изобретение относится в основном к развертыванию и конфигурации трубных соединений между дном под толщей воды и судном, плавающим на поверхности, чтобы обеспечить перекачивание жидкостей или газов под давлением при поддержании судна в почти неподвижном состоянии или в условиях лишь ограниченного движения.

Известный уровень техники.

На морских месторождениях нефти и газа используют так называемые подъемники для перекачивания текучих сред с морского дна на судно, находящееся на поверхности моря. Эти подъемники состоят из трубопровода или наборов трубопроводов, расположенных так, что эти трубопроводы могут в достаточной степени выгибаться, чтобы остаться надежно соединенными даже в случае, если судно перемещается в горизонтальном и вертикальном направлениях из-за совместного воздействия ветра, волн и течений на судно. Можно крепить судно к морскому дну посредством якорно-цепного соединения или удерживать на месте с помощью системы динамического позиционирования с поворотными движителями на судне, непрерывно противодействующей усилиям ветра, волн и течений.

На фиг. 1-4 изображены типовые узлы подъемников, соответствующие известному уровню техники, причем одни и те же элементы на каждом чертеже обозначены одинаковыми позициями. На фиг. 1 трубопровод 10 на морском дне 11 соединен посредством манифольда 12 подводного трубопровода с плавучим жестким трубным подъемником 13, который может в ограниченной степени поворачиваться вокруг манифольда 12. Подъемник 13 соединен с судном 14, таким, как полупогружная платформа, посредством гибкой трубной перемычки 15 (например, типа тех, которые изготавливает фирма "Кофлексип" (Coflexip)), завершающей маршрут текучей среды от подводного трубопровода 10 к судну 14. Перемычка 15 висит как подвеска между верхним концом подъемника 13 и судном 14. Подвеска перемычки 15 и поворотное движение подъемника 13 совместно создают возможность значительного перемещения судна 14 в вертикальном и горизонтальном направлениях и при этом поддерживают надежный маршрут текучей среды. Изображенное судно 14 типа полупогружной платформы также крепится к морскому дну якорными цепями 16 и сваями 17.

На фиг. 2 приведен другой пример обычной конструкции подъемника, в которой гибкая труба 18, имеющая участок 19, который покоится на морском дне 11, и подвесной участок 20, обеспечивает непосредственное соединение между манифольдом 12 подводного трубопровода и судном 21, таким, как танкер или судно специального назначения, известное как судно для хранения и разгрузки в море (XPM (FSO)) или судно для переработки, хранения и разгрузки в море (ПХРМ (FPSO)). В этом примере судно 21 изображено свободно плавающим, удерживаемым на месте поворотными движителями 22 без отдельных якорных цепей.

На фиг. 3 и 4 показана еще одна известная технология, при которой гибкая подъемная труба 23 соединяет манифольд 12 подводного трубопровода с плавающим судном 24 посредством структурной поворотной башенки 25, установленной с возможностью поворота в подводной части судна. На фиг. 3 множество плавучих баков, расположенных вдоль одного из участков подъемника, поддерживают подъемник, придавая ему форму S-образной кривой, чтобы обеспечить дополнительную гибкость. На фиг. 4 множество плавучих баков заменено единственным, более крупным плавучим баком 27, который крепится страховочным фалом 28 к фиксирующему грузилу 29, расположенному на поверхности морского дна. Закрепленный страховочным фалом плавучий бак 27 также заставляет подъемник принять S-образную форму в воде и обладает тем преимуществом над конструкцией, изображенной на фиг. 3, что обеспечивает лучшие возможности объемного регулирования формы подъемника 23, когда текучие среды разного удельного веса, подаваемые через подъемник, изменяют плавучесть трубы. Как и в примере, приведенном на фиг. 2, судно 24 можно удерживать на месте с помощью поворотных движителей (не показаны), или его можно крепить якорями и цепями, как показано на фиг. 1.

Все известные технологии применения подъемников, проиллюстрированные на фиг. 1-4, основаны на использовании гибкой трубы, которая может оказаться непригодной для проведения некоторых операций на месторождении нефти, таких, как закачивание инструментов в скважину. Кроме того, существующие технологии основаны на прочности самой трубы, выдерживающей осевые усилия, приложенные к подъемнику. Изменения удельного веса содержимого подъемника или отрицательная плавучесть самой трубы может вызвать избыточные напряжения в трубе на очень больших глубинах, скажем 1000 метров или более. Существующая технология также не позволяет осуществлять очень большие перемещения судна, находящегося на поверхности, на мелководье (т.е., когда глубина ненамного больше осадки судна) без опасности повреждения подъемника либо за счет более сильного изгиба, чем опускаемый радиусом изгиба при разрушении трубопровода, либо за счет трения подъемника о судно, морское дно или о то и другое.

В патенте Франции N 2497262 по кл. E 21 B 43/01 от 02.07.82 раскрыт подъемник, имеющий узел подъемника для перекачивания текучего содержимого со дна моря на плавающее средство, выполненный в виде гибкого трубопровода, один конец которого соединен с манифольдом, а другой - со структурным вертлюгом плавающего судна.

Краткое изложение существа изобретения.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание узла подъемника, основанного не только на прочности трубы, выдерживающей осевые усилия, приложенные к узлу, обеспеченного регулируемой плавучестью для поддерживания по существу нейтральной плавучести узла при наличии текучего содержимого разного удельного веса для возможности использования узла подъемника на очень больших глубинах при внесении лишь очень небольшого напряжения в саму трубу подъемника и не требующего наличия гибкой трубы, так что можно закачивать инструменты в скважину без повреждения трубы.

Вышеуказанный технический результат достигается с помощью узла подъемника для перекачивания текучего содержимого со дна моря на плавающее судно, содержащего по меньшей мере одну протяженную трубу для перекачивания текучей среды, имеющую первый конец, приспособленный для размещения в непосредственной близости от морского дна, и второй конец, приспособленный к размещению в непосредственной близости от поверхности моря, причем эта труба выполнена либо в спиральной конфигурации, либо в плоской, циклически волнообразной конфигурации вокруг продольной оси, проходящей от первого конца до второго конца, и по меньшей мере один гибкий элемент, работающий на растяжение, прикрепленный к трубе для перекачивания текучей среды по меньшей мере в двух точках, разнесенных вдоль линии, проходящей в основном параллельно продольной оси, так что удаление второго конца трубы для перекачивания текучей среды, превышающее заданное осевое расстояние от первого конца, вызывает повышенное растяжение элемента, работающего на растяжение.

Предпочтительно, указанными по меньшей мере двумя разнесенными точками элемента, работающего на растяжение, являются первый и второй концы трубы для перекачивания текучей среды, а элемент, работающий на растяжение, прикреплен к трубе для перекачивания текучей среды в дополнительных, разнесенных в продольном направлении точках между первым и вторым концами этой трубы.

Если труба для перекачивания текучей среды выполнена в плоской, циклически волнообразной конфигурации, такой как синусоида, по меньшей мере один элемент, работающий на растяжение, может содержать множество по существу параллельных элементов, отстоящих друг от друга, причем каждый элемент прикреплен к этой трубе по меньшей мере в одной точке в каждом цикле волнистости.

Если труба для перекачивания текучей среды выполнена в спиральной конфигурации с цилиндрической наружной оболочкой, по меньшей мере один элемент, работающий на растяжение, может содержать множество элементов, работающих на растяжение, простирающихся вдоль линий, которые совпадают с разнесенными по окружности элементами цилиндрической оболочки, причем каждый элемент, работающий на растяжение, прикреплен к трубе для перекачивания текучей среды в разнесенных точках между первым и вторым концами этой трубы, таких, как пересечения линии соответствующего цилиндрического элемента с трубой.

Если труба для перекачивания текучей среды выполнена в спиральной конфигурации, по меньшей мере один элемент, работающий на растяжение, может, в качестве варианта, простираться вдоль линии, которая в основном совпадает с продольной осью, а узел подъемника может дополнительно содержать распорки, простирающиеся в радиальном направлении от элемента, работающего на растяжение, к трубе, разнесенные в продольном направлении вдоль элемента, работающего на растяжение.

Предпочтительно, элемент, работающий на растяжение, упруго растягивается при увеличении растягивающих усилий, приложенных между первым и вторым концами трубы для перекачивания текучей среды.

Элементы, работающие на растяжение, могут содержать трос из каучука, трос из синтетических волокон или трос из стальной проволоки, причем в идеале плавучесть элементов, работающих на растяжение, близка к нейтральной. Вместо этого, в условиях мелководья, в которых продольная ось имеет значительную горизонтальную составляющую, в качестве элементов, работающих на растяжение, можно использовать утяжеленные или тяжелые подвесные цепи.

Предпочтительно, каждая труба для перекачивания текучей среды состоит из металлической трубы, такой как труба из обычной углеродистой стали, за счет чего можно избежать потребности в дорогостоящей гибкой трубе, которую к тому же легко повредить при некоторых технологических процедурах на нефтяном месторождении, таких, как закачивание инструментов в скважину. Можно использовать стандартную стальную трубу, потому что спиральная и циклически волнистая плоская конфигурации рассредоточивают осевые усилия, прикладываемые к узлу подъемника вследствие плавучести и ускорений, вызванных усилиями, создаваемыми внутренним давлением в трубе для перекачивания текучей среды. Внутреннее давление создает окружное напряжение и осевое растягивающее напряжение в стенке трубы, но внешние растягивающие и/или сжимающие усилия, воздействующие на концы узла подъемника, создают изгибающие моменты, которые трансформируются в касательные напряжения в стенке трубы вследствие изогнутой конфигурации предлагаемого технического решения.

Для обоих упомянутых конфигураций каждый гибкий элемент, работающий на растяжение, как правило, будет упруго растягиваемым тросом, соединенным с трубой так, что в этом тросе будет развиваться натяжение с заданным начальным напряжением, когда первый конец трубы фиксируют на морском дне, а второй конец соединяют с судном на поверхности или с буем, плавающим у поверхности. Когда трос растягивается или провисает вследствие движения второго конца трубы в направлении от первого конца или к нему, период или шаг спирали или волнистости будет изменяться, обеспечивая тем самым регулируемое растяжение или сжатие подъемника. Предварительное напряжение в каждом тросе предотвращает избыточный поперечный изгиб подъемника и ограничивает неравномерный продольный изгиб, удерживая за счет этого изгибные напряжения в трубе подъемника в выбранных пределах.

По меньшей мере одна труба для перекачивания текучей среды может включать в себя множество труб, объединенных в пучок, включая те трубы, которые играют роль труб регулирования плавучести для поддержания чистой плавучести близкой к нейтральной даже в случае, если удельный вес текучей среды, перекачиваемой в трубе или трубах подъемника, изменяется в результате изменения состава перекачиваемой текучей среды. Этого можно добиться, внося компенсирующее изменение в тип текучей среды, содержащейся в трубах регулирования плавучести. Например, можно использовать концентрированный соляной раствор в трубах поддержания плавучести, чтобы сделать их тяжелыми, воду - чтобы сделать их умеренно плавучими, и сжатый воздух - чтобы сделать их очень плавучими.

Вышеуказанные и другие отличительные признаки и преимущества подробно описываются ниже со ссылками на чертежи.

Краткое описание чертежей.

На фиг. 1-4 изображены виды сбоку известных узлов подъемников, соединяющих трубопровод, расположенный на морском дне, с судном, плавающим на поверхности воды.

На фиг. 5 изображен вид сбоку первого конкретного варианта воплощения узла подъемника, соответствующего настоящему изобретению.

На фиг. 6 изображен вид сбоку второго конкретного варианта воплощения узла подъемника, соответствующего настоящему изобретению, который приспособлен для работы конкретно в условиях мелководья.

На фиг. 7 изображен вид в плане варианта узла подъемника, показанного на фиг. 6.

На фиг. 8 изображен вид сбоку, аналогичный фиг. 5, третьего конкретного варианта воплощения узла подъемника, соответствующего настоящему изобретению.

Подробное описание предпочтительных конкретных вариантов исполнения изобретения.

Известные узлы подъемников, изображенных на фиг. 1-4, рассмотрены выше в разделе "Известный уровень техники"; на фиг. 5-8 изображены три конкретных варианта воплощения настоящего изобретения. Обратимся к фиг. 5, где показано, что трубопровод 10, покоящийся на морском дне 11, соединен в манифольде 12 подводного трубопровода с узлом подъемника 30. Узел подъемника 30 включает в себя протяженную трубу 31 для перекачивания текучей среды, имеющую первый конец 32, соединенный с манифольдом 12, и второй конец 33, соединенный через посредство структурного вертлюга 34, такого, как поворотная башенка, и вертлюга 35 текучей среды с трубопроводом 36 на плавающем судне 37. Структурный вертлюг 34 и вертлюг 35 текучей среды позволяют судну поворачиваться по ветру, ограничивая в то же время кручения в узле подъемника.

Для простоты, на фиг. 5 показана только одна труба 31 для перекачивания текучей среды, но можно объединить в пучок и множество труб 31 в единственном узле подъемника 30. Поскольку по трубе или трубам для перекачивания текучей среды обычно будут перекачивать текучие среды различной плотности, чистая плавучесть узла подъемника будет изменяться. Чтобы противодействовать такому изменению чистой плавучести, некоторые из дополнительных труб в пучке (не показаны) могут играть роль труб регулирования плавучести. Когда требуется повышенная чистая плавучесть, текучую среду внутри труб регулирования плавучести можно заменять текучей средой меньшей плотности, приводя в действие органы регулирования (не показаны) на судне. Когда требуется пониженная чистая плавучесть, можно вводить в трубы регулирования плавучести более тяжелую текучую среду.

Труба 31 выполнена в спиральной конфигурации с продольной осью (не показана), которая проходит от первого конца 32 до второго конца 33.

Узел подъемника 30 также включает в себя по меньшей мере один гибкий элемент 38, работающий на растяжение. На фиг. 5 показаны четыре таких элемента, работающих на растяжение, расположенных через интервалы 90^o вокруг спиральной трубы. Каждый элемент 38, работающий на растяжение, простирается по линии, в основном параллельной продольной оси, и контактирует с каждым витком спиральной трубы 31 в точках 39. Элементы 38, работающие на растяжение, предпочтительно являются упругими тросами, которые могут быть выполнены из любого подходящего материала, такого, как каучук, синтетическое волокно или стальная проволока, в зависимости от упругости, требуемой для того, чтобы приспособиться к движению судна 37. Тросы прикреплены к манифольду 12 подводного трубопровода на первом конце 32 трубы 31, к поворотной башенке 34 - на втором конце 33 трубы 31, и, предпочтительно, к каждой промежуточной точке контакта 39 соответствующего троса со спиралью трубы 31. Вместо применения труб регулирования плавучести, упомянутых выше, узел подъемника может включать в себя плавучие модули (не показаны), прикрепленные к трубе 31, например, в каждой точке контакта 39 элемента 38, работающего на растяжение, со спиральной трубой 31, чтобы придать узлу подъемника почти нейтральную плавучесть.

Для обеспечения стоянки в глубоком месте, скажем, при глубине свыше 300 метров, элементы 38, работающие на растяжение, в узле подъемника могут также служить для постановки на якорь судна 37, поскольку горизонтальный уход судна от точки, находящейся непосредственно над манифольдом 12 подводного трубопровода, должен растягивать узел подъемника, увеличивая напряжение в элементах, работающих на растяжение, и они проявляют тенденцию к оттягиванию структурного вертлюга 34 судна в положение, находящееся по вертикали над манифольдом 12. Таким образом, как показано на фиг. 5, отдельные якоря и якорные цепи не понадобятся, за счет чего исключаются издержки на отдельную якорную систему, а также снимается обычная проблема запутывания трубы обычного подъемника в якорных цепях.

На фиг. 6 и 7 изображен второй конкретный вариант воплощения узла подъемника согласно изобретению, причем на фиг. 6 показан вид сбоку, а на фиг. 7 - соответствующий вид в плане. На этих чертежах показано, что судно 40 зафиксировано на мелководье швартовыми 41, идущими от структурного фиксирующего вертлюга 42 в подводной части судна к подпорным сваям 43, вбитым в морское дно 11.

Узел подъемника 44 содержит трубу 45 для перекачивания текучей среды (см. фиг. 7), выполненную в плоской, циклически волнистой конфигурации, такой как синусоида, имеющую первый конец 46, соединенный с манифольдом 12 подводного трубопровода на морском дне, и второй конец 47, соединенный посредством фиксирующего вертлюга 42 и вертлюга 46 текучей среды с трубопроводом 49 судна. Узел подъемника 44 дополнительно содержит по меньшей мере один, а предпочтительно - два или более гибких элементов, работающих на растяжение, таких, как растянутые упругие тросы 50 (см. фиг. 7). Тросы 50 соединены с манифольдом 12 подводного трубопровода на первом конце 46 трубы 45 для перекачивания текучей среды и со структурным вертлюгом 42 на втором конце 47 трубы 45. Предпочтительно, тросы 50 также прикреплены к трубе 45 в промежуточных точках 51, в которых каждый трос контактирует с трубой 45 по меньшей мере один раз в каждом цикле волнистости.

Как и в предыдущем конкретном варианте воплощения, можно крепить плавучие модули 52 в разнесенных точках на трубе 45 для перекачивания текучей среды, в этом случае - чтобы регулировать вертикальные прогибы узла подъемника 44. Как и в предыдущем конкретном варианте воплощения, труба для перекачивания текучей среды может включать в себя множество труб.

На фиг. 8 изображен третий конкретный вариант воплощения узла подъемника 53, соответствующего изобретению. Этот вариант аналогичен первому варианту, показанному на фиг. 5, в том, что узел подъемника 53 содержит спиральную трубу 54 для перекачивания текучей среды, имеющую первый конец 55, соединенный с манифольдом 12 подводного трубопровода на морском дне, и второй конец 56, соединенный посредством структурного вертлюга 57 в подводной части плавающего судна 58 и вертлюга 59 текучей среды с трубопроводом 60 судна. Однако в этом случае спиральная труба 54 поддерживается по меньшей мере одним гибким элементом, работающим на растяжение, таким, как упругий трос 61, простирающийся по линии, по существу совпадающей с продольной осью спиральной трубы. Упругий трос 61 поддерживается в своем центральном положении внутри спирали трубы 54 множеством распорок 62, простирающихся в радиальном направлении от разнесенных в продольном направлении точек 63 вдоль троса 61 до соответствующих точек 64, разнесенных в продольном направлении на некоторые интервалы вдоль трубы 54.

Хотя описано несколько конкретных вариантов воплощения изобретения, возможны различные модификации без выхода за объем притязаний, определяемый нижеследующей формулой изобретения.

Изобретение относится в основном к развертыванию и конфигурации трубных соединений между дном под толщей воды и судном, плавающим на поверхности. Задачей изобретения является усовершенствование узла подъемника. Узел подъемника включает в себя трубу для перекачивания текучей среды, имеющую первый конец, приспособленный для размещения в непосредственной близости от морского дна, и второй конец, приспособленный к размещению в непосредственной близости от поверхности моря. Труба выполнена в спиральной конфигурации или плоской циклически волнообразной конфигурации вокруг продольной оси, проходящей от первого конца до второго конца, и имеется по меньшей мере один гибкий элемент, работающий на растяжение, прикрепленный к трубе для перекачивания текучей среды по меньшей мере в двух точках, разнесенных вдоль линии, проходящей в основном параллельно продольной оси. В продольном узле подъемника имеется один или несколько гибких и предпочтительно упругих элементов, работающих на растяжение. 15 з.п.ф-лы, 8 ил.

1. Узел подъемника для перекачивания текучего содержимого со дна моря на плавающее судно, содержащий по меньшей мере одну протяженную трубу для перекачивания текучей среды, имеющую первый конец, приспособленный для размещения в непосредственной близости от морского дна, и второй конец, приспособленный к размещению в непосредственной близости от поверхности моря, отличающийся тем, что труба для перекачивания текучей среды выполнена в спиральной конфигурации плоской или плоской циклически волнообразной конфигурации вокруг продольной оси, проходящей от первого конца до второго конца, и имеется по меньшей мере один гибкий элемент, работающий на растяжение, прикрепленный к трубе для перекачивания текучей среды по меньшей мере в двух точках, разнесенных вдоль линии, проходящей, в основном, параллельно продольной оси. 2. Узел подъемника по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере две разнесенные точки соединения гибкого элемента являются первым и вторым концами трубы для перекачивания текучей среды. 3. Узел подъемника по п.2, отличающийся тем, что гибкий элемент прикреплен к трубе для перекачивания текучей среды в дополнительных, разнесенных в продольном направлении точках между первым и вторым концами этой трубы. 4. Узел подъемника по п.3, отличающийся тем, что труба для перекачивания текучей среды выполнена в плоской циклически волнообразной конфигурации, а гибкий элемент прикреплен к этой трубе по меньшей мере в одной точке в каждом цикле волнистости. 5. Узел подъемника по п.3, отличающийся тем, что по меньшей мере один гибкий элемент содержит множество по существу параллельных элементов, отстоящих друг от друга. 6. Узел подъемника по п.1, отличающийся тем, что труба для перекачивания текучей среды выполнена в спиральной конфигурации, а по меньшей мере один гибкий элемент содержит множество элементов, работающих на растяжение, которые совпадают с разнесенными по окружности элементами цилиндрической оболочки. 7. Узел подъемника по п.6, отличающийся тем, что гибкий элемент прикреплен к трубе для перекачивания текучей среды в отстоящих друг от друга точках в промежутке между первым и вторым концами этой трубы. 8. Узел подъемника по п.7, отличающийся тем, что каждый гибкий элемент прикреплен к трубе для перекачивания текучей среды на пересечениях линии соответствующего элемента цилиндрической оболочки с этой трубой. 9. Узел подъемника по п.1, отличающийся тем, что труба для перекачивания текучей среды выполнена в спиральной конфигурации, а по меньшей мере один гибкий элемент проходит вдоль линии, которая, в основном, совпадает с продольной осью, и имеются распорки, проходящие в радиальном направлении от гибкого элемента к трубе, разнесенные в продольном направлении вдоль гибкого элемента. 10. Узел подъемника по п.1, отличающийся тем, что каждый гибкий элемент способен упруго растягиваться, обеспечивая значительное продольное удлинение узла подъемника при увеличении растягивающих усилий, приложенных между первым и вторым концами трубы для перекачивания текучей среды. 11. Узел подъемника по п.10, отличающийся тем, что каждый гибкий элемент выполнен в виде троса из каучука, или троса из синтетических волокон, или троса из стальной проволоки. 12. Узел подъемника по п.1, отличающийся тем, что каждая труба для перекачивания текучей трубы является металлической трубой. 13. Узел подъемника по п.12, отличающийся тем, что металлическая труба является трубой из углеродистой стали. 14. Узел подъемника по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере одна труба для перекачивания текучей среды содержит множество труб. 15. Узел подъемника по п.14, отличающийся тем, что по меньшей мере одна из труб для перекачивания текучей среды содержит трубу регулирования плавучести. 16. Узел подъемника по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит множество модулей плавучести, прикрепленных к трубе для перекачивания текучей среды и разнесенных вдоль трубы для перекачивания текучей среды.