CN103221613A - 锥形打桩单脚架 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于开采海底之下的碳氢化合物沉积物的锥形打桩单脚架（10），该锥形打桩单脚架是用在寒冷的近海环境中的固定的抗冰型结构。该锥形打桩单脚架与大型的基于重力的结构相比提供了成本更低的近海设备。该锥形打桩单脚架具有基底（17），所述基底设计成靠置在最低限度地准备的海床（5）上并且通过深深地插入到海底中的桩体（18）而被保持在固定位置。顶部甲板（20）设计成具有至少60英尺的跨度，倾斜的外周面（21）弯曲和折断与锥形打桩单脚架接触的冰块，否则该冰块将施加相当大的横向力。

Description

锥形打桩单脚架

技术领域

本发明涉及一种抗冰型平台，该抗冰型平台用于从冰块是潜在问题的海底地层中进行碳氢化合物资源的近海开采。

背景技术

在寻求将诸如原油和天然气之类的碳氢化合物新资源投放到市场的过程中，北冰洋和其他的易结冰区域是为数不多的相信能够发现大规模的碳氢化合物储备的区域之一。在北极区域，在漂浮冰块是多年积冰（也就是说，冰块在形成之后在夏季时间不会融化，并且在之后多年中变得更加结实和坚硬）的位置处发现了北极近海油气储备的绝大部分。在这样的环境下进行探测、钻探和生产的危险已被普遍意识到，但是还不存在经济有效的解决方案。在该工业领域公知的是，与资源位于陆上区域或者舒适的、非北极以及有人居住区域的情况相比，当资源位于近海区域或者偏僻艰苦区域中时，将碳氢化合物资源投放到市场上的成本更大。在北极近海工程中，成本由于这些因素的组合而非常庞大，且为了应付多年积冰进行的准备工作使得成本进一步增加。

北极近海开采项目中的主要成本之一是适合于抵抗由多年浮冰所施加的力的平台的成本。目前的传统技术包括基于重力的结构（GBS），该结构是巨大的钢结构或者加强混凝土结构，该结构从制造场所拖曳到开采位置并且被降至海底。使用特定的高比重矿物质——诸如赤铁矿（铁矿石矿物）——或金属丸来填充GBS中的腔室，直到结构的总重量足以抵抗任何可能由移动的浮冰施加在GBS上的滑动力和翻转力。传统地，GBS设有倾斜的外周面，从而当冰块与该结构接合时，冰块沿着该斜面向上滑动以被弯曲和折断。虽然冰块特别是厚度超过20米的多年积冰能够产生巨大的压力，但是冰块可被有效地偏离GBS。

典型地，GBS宽度比高度大一点。目前，根据水深、支承在平台上的钻机的数量以及预测的多年积冰的厚度，传统的GBS成本花费在5亿美元至10亿美元以上。海底准备工作是花费相当昂贵的项目，该项目典型地包括直接从GBS基底正下方移除大量的软且泥泞的物质，并且以成千上万吨的碎石替代之以形成坚硬的、水平的碎石床，从而用于在不允许大量沉陷的情况下安全地支承GBS。在一些情况下，特别是当水深超过20米时，设计考虑包括创建海床或者创建更高的GBS，各个替代方法都是很昂贵的。GBS的尺寸以及用于将它安装在易结冰近海位置的成本使得GBS只适合于已经证实了具有很大的储备且具有很高的生产率的场合。如果存在相当厚的极软土壤层（该土壤层必须被结实的碎石材料替代以保证GBS所支承于的土壤的安全且足够大的支承强度），则GBS的成本将过高。现在存在或者将来会发现能够作为石油和天然气的重要产出的场所，但是该产量还没有大到足以与GBS的巨大成本匹配。

发明内容

本发明更特别地包括一种用在易结冰近海环境中的锥形打桩单脚架，其中，所述锥形打桩单脚架包括主体以及位于底部的基底和位于顶部的顶甲板，其中所述基底包括用于将桩体压入到海底中的装置。在所述锥形打桩单脚架被安装以供使用时，肩部、颈线以及围绕所述主体从所述肩部延伸到所述颈线的倾斜的冰块接合表面使得所述冰块接合表面从位于所述肩部处的较宽下部区域倾斜到较窄的颈线，其中所述肩部设置在海面之下且所述颈线设置在海面之上。设置在所述主体的顶部的顶甲板具有至少60米的跨度（across），且所述锥形打桩单脚架结构具有小于约0.20吨/米³的密度。

本发明还涉及一种用于在易结冰近海环境中在碳氢化合物生产位置处提供一结构的方法，所述方法包括提供单脚架结构，该单脚架结构具有主体、位于底部的基底和位于顶部的甲板，所述甲板具有至少75米的跨度，其中，所述主体具有小于约0.20吨/米³的密度。将所述单脚架结构移动到碳氢化合物生产位置，其中在该碳氢化合物生产位置处，基本不需要在海底通过挖空、铲平或者将附加的替换用碎石结实材料添加到海底而进行准备工作。将所述基底下降到基本没有准备工作的海床上，其中所述顶甲板位于海面之上且是相对水平的。将所述桩体压入到海底中并附接到所述单脚架的基底上，以在抵抗风力、海浪力和冰块力的情况下将所述单脚架结构保持在适当位置。在单脚架上设置倾斜的冰块接合表面，该倾斜的冰块接合表面从海面之下延伸到海面之上，从而弯曲与所述单脚架结构接触的冰块并使得所述冰块折断，导致与竖直表面的情况相比减小作用在结构上的横向力。

附图说明

从以下参考附图进行的说明中，可以获得对本发明以及本发明的优点更加完整的理解，其中：

图1是与锥形打桩单脚架相关的本发明的第一实施例的正视图；

图2是适于深水的本发明的第二实施例的正视图；

图3是本发明的俯视图；

图4是示出桩体的特写局部视图，其中该桩体被压入到海床中且还未被安装到锥形打桩单脚架；

图5是示出桩体的特写局部视图，其中该桩体正在被安装到锥形打桩单脚架；以及

图6是示出桩体的特写局部视图，其中该桩体已经被安装到锥形打桩单脚架。

具体实施方式

现在转而对本发明的一个或多个优选结构布置进行详细说明，应当理解，在其他的结构布置中也可以体现本发明的特征和概念，本发明的范围不限于这里描述或图示的实施例。本发明的范围仅由下述权利要求的范围限定。

如图1所示，锥形打桩单脚架总体地由附图标记10表示。锥形打桩单脚架10是能够用在易于结冰的近海位置中的结构，与传统的GBS技术相比，该结构的成本更低。锥形打桩单脚架10包括主体15、基底17和顶甲板20。该基底17优选地具有法兰形状，围绕锥形打桩单脚架10的外周具有间隔开的孔或穿孔。基底17设置成靠置在海底5上。当锥形打桩单脚架10靠置在海底上时，锥形打桩单脚架的重量优选地由多个桩体18支承，该桩体18被深深地压入到海底5中并且然后附接到锥形打桩单脚架10。典型地，将桩体18压入到海床中大约35米至大约75米深，以将锥形打桩单脚架10永久地固定在其近海位置。桩体18典型地是像长钉一样起作用的结实的、但是中空的管件或者管状结构，且对于用于近海碳氢化合物钻探和生产作业的永久平台而言提供了结构上有效的布置。该桩体具有位于1米至3米之间的相对大的直径并且具有大约2cm至10cm的壁厚。本发明的一个特定优点是：在锥形打桩单脚架10的重力由桩体18支承的情况下，没有必要在安装之前进行海床准备工作或者进行很少的海床准备工作；如果存在海床准备工作的话，原则上需要形成一个水平的海底以在安装桩体18时将锥形打桩单脚架10设置在该水平的海底上。包含柔软泥泞材料的海床不太可能被挖空并用坚硬的材料来取代。

在锥形打桩单脚架10由桩体18支承的情况下，用于安装锥形打桩单脚架10的海底准备工作被最小化或者不存在。可选地，可以将一些碎石材料设置在海底以缓和非常斜的海底，并且当安装桩体18时，将基底17靠置在碎石材料之上，然而，海底准备工作是可避免的成本。一旦将桩体18压入到海底并且牢固地附接到基底17，桩体18抵抗如下的力：（a）导致结构沿着海底滑动的力；（b）导致结构翻转的力，诸如作用在结构的基底之上几米处的力；以及（c）导致向上和向下的竖直运动的力。对于上下运动或移动的抵抗性在抵抗可能由冰块施加的推翻力方面是很重要的。位于锥形打桩单脚架10前侧的桩体18抵抗可能由冰块在上游侧施加的提升力以抵制被推翻，而位于锥形打桩单脚架10的远侧或后侧或下游侧的桩体18抵抗可能允许后侧更深地侧倾到海底5中的向下运动。对于在易于结冰的近海冰块环境中进行的且必须抵抗相当大的冰负荷的全年作业而言，使用这种长桩体提供了结构上有效的基底。桩体像钉子一样将平台保持在正确位置并且在结构上比GBS的情况更加有效，在GBS的情况下，仅通过结构的尺寸和重力来提供对翻转的抵抗性。

一种已知的适用于将桩体18安装到基底17上的技术是型锻桩体。在图4、5和6中提供了简单的解释说明，其中如图4所示，型锻工具32插入到桩体18中。型锻工具32利用密封件33在桩体18内部自我密封，并且施加液压以使得桩体18变形而被压入到一个或多个外周通道31中。取出型锻工具32，并且将桩体附接到基底17上以抵抗锥形打桩单脚架10在任何方向上的移动。用于将桩体18固定到基底17上的另一方法包括化学粘合或者灌浆，从而在桩体18和基底17之间形成粘性粘合。其他技术也可适用于将桩体18固定到基底17。

通过预测的竖向力和横向力的大小以及桩体18所压入的土壤层的强度来确定桩体18的长度和数量。优选地，桩体18战略上设置成围绕基底17的周围以便以最大的结构有效性来抵抗滑动力和翻转力。该基底可包括围绕外周以将最大化结构有效性并形成桩体簇的间隔存在的至少8个桩体、优选地至少16个桩体、且可多达64个桩体，其中大量的桩体一起工作以抵抗横向力并且支承锥形打桩单脚架10。根据预测的负载和土壤的强度特性，桩体18典型地延伸到海床中35米至75米深。在图1中，锥形打桩单脚架10示出为八面结构，在图3中更好地示出了该八面结构。也可以采用类圆或圆形构型。优选地，为了便于制造，结构具有6、8或甚至12个边，优选地各个边尺寸相等且锥形打桩单脚架10的结构对称。

锥形打桩单脚架10的主体15包括从肩部22延伸到颈线23的倾斜的冰块接合表面21。肩部22位于海面4之下，颈线23位于海面4之上，从而海中的冰块特别是浮冰与主体15在倾斜的冰块接合表面21处接合。冰块接合表面21围绕锥形打桩单脚架10的外周延伸，从而来自任何方向的冰块都与主体15在冰块接合表面21上接触。冰块接合表面21的斜坡使得任意一片冰块都能沿着斜坡上升并且弯曲到折断点，并且该冰块接合表面21的斜坡典型地与水平方向成40度至60度之间的角，更优选地与水平方向成大致55度角。折断的大冰块（称为碎冰块）将在洋流和风的作用下围绕着主体15移动。在颈线23之上的是延伸到甲板的高度处的颈部25，但是优选地该颈部25具有向外翻的领部26，从而使得沿着倾斜的冰块接合表面21向上滑动过颈部25的全高的冰块转向。与领部26接合的冰块的完全弯曲将折断该冰块，即使是非常结实的大块冰块。

锥形打桩单脚架10是相当大的结构，在该结构中，典型地顶部甲板的尺寸大于75米的跨度。锥形打桩单脚架10具有足够的强度和甲板尺寸以支持碳氢化合物的整个钻探和生产。锥形打桩单脚架在庞大和结实的同时，锥形打桩单脚架的优于基于重力的结构的一个优点是在任何水压载之前，重量一般较轻或者更具体地是密度较小。对于锥形打桩单脚架而言，固体压舱材料一般是不需要的。基于重力的结构（GBS）典型地具有0.21吨/米³至0.25吨/米³的密度，而锥形打桩单脚架10可以构造为密度在0.20吨/米³以下至大约0.18吨/米³。经常地，GBS可能需要固体压舱物以增加其重量从而提供对滑动和翻转的抵抗性。通过使用桩体18或者桩体簇，锥形打桩单脚架10可设计得具有更轻的重量。除了由于用于制备用于大型GBS系统的海底和用于经常加入到GBS中的高密度压舱物材料的场所准备成本的免除所导致的较低安装成本之外，锥形打桩单脚架10更轻的密度还可表现为更低的制造和运输成本。

转而参考图2，锥形打桩单脚架110可以用在一些更深的海水中，其带有更长的锥形打桩单脚架主体115。更长的锥形打桩单脚架主体115可优选地设计成：与用于近海中的锥形打桩单脚架10相比，宽度尺寸具有一些可测量的增大，但是与竖直尺寸的增加相比，宽度或者横向尺寸的增加可能比例上较小。基底117与近海设计的占地面积相比可能更大。锥形打桩单脚架10和110的重量和宽度尺寸都比GBS结构布置小得多，因为上述两者主要依靠桩体来抵抗可能由生产场所中的最大可预测尺寸的浮冰施加在系统上的横向力。

通过将锥形打桩单脚架10作为漂浮物体而拖曳运输或者将锥形打桩单脚架10放置在大型驳船上并且然后使得该驳船在海水中航行从而运输锥形打桩单脚架10，以此来将锥形打桩单脚架10安装在钻探现场。一旦在钻探位置上将锥形打桩单脚架10从驳船上卸载或者将锥形打桩单脚架10拖航到钻探位置，允许用水填充结构中的腔体或隔室，从而将锥形打桩单脚架压入到海底5。桩体18被压入到海底5中大约35米至大约75米的深度，然后被附接到基底17。最后，锥形打桩单脚架10的重力由深埋安装的桩体18支承。

如上所述，锥形打桩单脚架10具有有助于减小冰负荷的平台几何结构，其具有窄顶部和宽基部的截头锥形形状。该锥形结构的与移动冰块接触的表面的大部分是倾斜的。该倾斜表面迫使移动冰块在其在与平台结构接触之际向上移动时不能弯曲。其次，锥形打桩单脚架10依靠深深地压入到海底的桩体从而利用大直径桩体（该桩体深深地压入到海底且围绕平台的外周而一体地或者牢固地附接到平台）结构性地抵抗在该结构的基底处的翻转和滑动趋势。将该桩体足够深地压入到海底，从而在海底之上的高度处作用在结构上的移动冰块力不会将该桩体连根拔起。这些钢制桩体作用为桩簇，并且在对由作用在平台上的冰块力而引起的滑动和翻转提供显著的抵抗性方面是结构上非常有效的。第三，锥形打桩单脚架10消除了对移除该结构的基底正下方的海底上的软土以及使用碎石或其他的硬质材料取代该软土的需求以及相应的成本。

最后，应当注意，对任何参考资料的讨论并不是承认其是本发明的现有技术，特别是公开日期在本申请的优先权日之后的参考资料。同时，以下的各项和各条权利要求特此纳入到该详细描述或说明中以作为本发明的附加实施例。

虽然已经详细描述了这里所述的系统和处理，但是应当理解在不脱离由以下的权利要求所限定的本发明的精神和范围的基础上可以进行多种修改、替换和变更。本领域中的技术人员可以研究优选的实施例，并且认识到与这里所述的并非完全一样的实现本发明的其他方式。发明人的意图是将本发明的变型和等同方案都纳入到权利要求的范围之内，同时说明书、摘要和附图并不用于限定本发明的范围。本发明特别地试图扩展为与以下的权利要求和它们的等同方案一样宽泛。

Claims (14)

1.一种用在易结冰近海环境中的锥形打桩单脚架结构，其中，所述锥形打桩单脚架包括：主体以及位于底部的基底和位于顶部的顶甲板，其中在所述锥形打桩单脚架结构被安装以供使用时，所述基底被附接到压入到海底中的桩体上；一肩部、一颈线以及一围绕所述主体从所述肩部延伸到所述颈线的倾斜的冰块接合表面，所述冰块接合表面从位于所述肩部处的较宽下部区域倾斜到较窄的颈线，所述肩部设置在海面之下且所述颈线设置在海面之上，其中，位于所述主体的顶部的顶甲板具有至少60米的跨度，且所述单脚架结构具有小于约0.20吨/米³的密度。

2.根据权利要求1所述的锥形打桩单脚架结构，其特征在于，所述桩体位于所述基底下方35米或更深。

3.根据权利要求1所述的锥形打桩单脚架结构，其特征在于，所述桩体位于所述基底下方50米或更深。

4.根据权利要求1所述的锥形打桩单脚架结构，其特征在于，所述桩体位于所述基底下方60米或更深。

5.根据权利要求1所述的锥形打桩单脚架结构，其特征在于，所述甲板具有至少65米的跨度。

6.根据权利要求1所述的锥形打桩单脚架结构，其特征在于，所述甲板具有至少70米的跨度。

7.根据权利要求1所述的锥形打桩单脚架结构，其特征在于，所述甲板具有至少75米的跨度。

8.根据权利要求1所述的锥形打桩单脚架结构，其特征在于，所述桩体的直径大于或者等于1米。

9.根据权利要求1所述的锥形打桩单脚架结构，其特征在于，所述桩体的直径大于或者等于1.5米。

10.根据权利要求1所述的锥形打桩单脚架结构，其特征在于，所述桩体的直径大于或者等于2米。

11.一种用于在易结冰近海环境中在碳氢化合物生产位置处提供一结构的方法，所述方法包括：

提供单脚架结构，所述单脚架结构具有主体、位于底部的基底和位于顶部的甲板，所述甲板具有至少75米的跨度，其中，所述主体具有小于约0.20吨/米³的密度；

在碳氢化合物生产位置处，基本不需要通过挖空、铲平或者将附加材料添加到海底而在海底进行准备工作；

将所述单脚架结构漂移到所述碳氢化合物生产位置；

将所述基底下降到水平的且坚固的海床上，其中所述主体是相对竖直竖立的，且所述甲板位于海面之上且是相对水平的；

经由孔口将桩体压入到所述基底中以抵抗风力、海浪力和冰块力将所述单脚架结构保持在适当位置；以及

将倾斜的冰块接合表面设置成从海面之下延伸到海面之上，从而弯曲与所述单脚架结构接触的冰块并使该冰块折断，导致与竖直表面的情况相比作用在所述单脚架结构上的横向力减小。

12.根据权利要求11所述的用于在易结冰近海环境中在碳氢化合物生产位置处提供一结构的方法，其特征在于，所述桩体延伸到海底中35米或更深，可选地延伸到海底中50米或更深，可选地延伸到海底中60米或更深。

13.根据权利要求11所述的用于在易结冰近海环境中在碳氢化合物生产位置处提供一结构的方法，其特征在于，所述甲板具有至少65米的跨度，可选地至少70米的跨度，可选地至少75米的跨度。

14.根据权利要求11所述的用于在易结冰近海环境中在碳氢化合物生产位置处提供一结构的方法，其特征在于，所述桩体的直径大于或等于1米，可选地大于或等于1.5米，可选地大于或等于2米。

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