一种水下组合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组合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、内层浮筒、外围横撑、内部横撑、导向环板和限位板。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】
一种水下组合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组合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：一种水下组合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、内层浮筒、外围横撑、内部横撑、导向环板和限位板；所述的外层浮筒共有四个，均为圆柱形，四个外层浮筒通过外围横撑连接构成外层浮筒组件；所述的外层浮筒组件为矩形框架，四个外层浮筒竖直安装在矩形框架水平面的四个角上，且四个外层浮筒的轴线互相平行；四个外层浮筒分别由四根系泊缆绳系泊在海床的桩基上；所述的导向环板共有2N个，分上下两层、每层N个，通过内部横撑连接安装在外层浮筒组件内，构成两层导向环板组件，两层导向环板组件结构相同；每个导向环板组件中，一个导向环板安装在矩形框架水平面的中心，其余导向环板安装在矩形框架水平面的中心与四个角之间的连线上；所述的内层浮筒共有N个，分别竖直安装在两层导向环板组件对应的两个导向环板中；所述的导向环板的内径比内层浮筒外径大0.2至0.4米，内层浮筒与导向环板在竖直方向上滑动接触，导向环板内壁设置耐磨损的承压垫，以减小导向环板和内层浮筒接触部位的磨损；所述的限位板由两块半环板拼成，安装在内层浮筒外围形成一个环形板，其外径大于导向环板的内径；所述的外层浮筒组件和导向环板组件构成外围主体。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，所述的组合浮筒浸没于海面下30～200m深度处。进一步地，所述的内层浮筒上沿轴向安装有三个相同结构的限位板，相邻的两个限位板之间的距离相等，且相邻两个限位板下端之间的距离与两个导向环板下端之间的距离相等；当内层浮筒和外层浮筒的中心等高时，各限位板与相邻的导向环板之间留有1至2米的距离。进一步地，所述的内层浮筒上安装限位板的部位，预先设计有深度H小于限位板环宽H1、宽度B与限位板厚度B1相等的环形凹槽。进一步地，所述的外围横撑共有八个，分上下两层、每层四个；上层的外围横撑与上层的内部横撑在同一个水平面上，下层的外围横撑与下层的内部横撑在同一个水平面上。进一步地，所述的外层浮筒组件的水平面投影为正方形。进一步地，所述的内层浮筒有五个，所述的导向环板组件中，一个导向环板安装在矩形框架水平面的中心，另四个导向环板安装在矩形框架水平面的中心与四个角之间的连线的中心位置上。一种水下组合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：在岸上将外层浮筒、外围横撑、内部横撑和导向环板焊接完成，组成外围主体；将未安装限位板的各个内层浮筒依次吊入导向环板内部就位；在各个内层浮筒的环形凹槽处嵌入安装限位板，外层浮筒和内层浮筒在岸上组合完成，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运至安装地点，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、同时向各个内层浮筒压载舱内注水，内层浮筒在重力作用下缓慢下沉，直至限位板下端与导向环板上端接触，内层浮筒在导向环板的支撑下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水下组合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)、内层浮筒(5)、外围横撑(2)、内部横撑(3)、导向环板(4)和限位板(6)；所述的外层浮筒(1)共有四个，均为圆柱形，四个外层浮筒(1)通过外围横撑(2)连接构成外层浮筒组件；所述的外层浮筒组件为矩形框架，四个外层浮筒(1)竖直安装在矩形框架水平面的四个角上，且四个外层浮筒(1)的轴线互相平行；四个外层浮筒(1)分别由四根系泊缆绳系泊在海床(21)的桩基上；所述的导向环板(4)共有2N个，分上下两层、每层N个，通过内部横撑(3)连接安装在外层浮筒组件内，构成两层导向环板组件，两层导向环板组件结构相同；每个导向环板组件中，一个导向环板(4)安装在矩形框架水平面的中心，其余导向环板(4)安装在矩形框架水平面的中心与四个角之间的连线上；所述的内层浮筒(5)共有N个，分别竖直安装在两层导向环板组件对应的两个导向环板(4)中；所述的导向环板(4)的内径比内层浮筒(5)外径大0.2至0.4米，内层浮筒(5)与导向环板(4)在竖直方向上滑动接触，导向环板(4)内壁设置耐磨损的承压垫，以减小导向环板(4)和内层浮筒(5)接触部位的磨损；所述的限位板(6)由两块半环板拼成，安装在内层浮筒(5)外围形成一个环形板，其外径大于导向环板(4)的内径；所述的外层浮筒组件和导向环板组件构成外围主体；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)的顶端与海床(22)连接；所述的海床(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】
1.一种水下组合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)、内层浮筒(5)、外围横撑(2)、内部横撑(3)、导向环板(4)和限位板(6)；所述的外层浮筒(1)共有四个，均为圆柱形，四个外层浮筒(1)通过外围横撑(2)连接构成外层浮筒组件；所述的外层浮筒组件为矩形框架，四个外层浮筒(1)竖直安装在矩形框架水平面的四个角上，且四个外层浮筒(1)的轴线互相平行；四个外层浮筒(1)分别由四根系泊缆绳系泊在海床(21)的桩基上；所述的导向环板(4)共有2N个，分上下两层、每层N个，通过内部横撑(3)连接安装在外层浮筒组件内，构成两层导向环板组件，两层导向环板组件结构相同；每个导向环板组件中，一个导向环板(4)安装在矩形框架水平面的中心，其余导向环板(4)安装在矩形框架水平面的中心与四个角之间的连线上；所述的内层浮筒(5)共有N个，分别竖直安装在两层导向环板组件对应的两个导向环板(4)中；所述的导向环板(4)的内径比内层浮筒(5)外径大0.2至0.4米，内层浮筒(5)与导向环板(4)在竖直方向上滑动接触，导向环板(4)内壁设置耐磨损的承压垫，以减小导向环板(4)和内层浮筒(5)接触部位的磨损；所述的限位板(6)由两块半环板拼成，安装在内层浮筒(5)外围形成一个环形板，其外径大于导向环板(4)的内径；所述的外层浮筒组件和导向环板组件构成外围主体；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)的顶端与海床(22)连接；所述的海床(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所述的一种水下组合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所述的一种水下组合式生产输送立管系统，其特征在于：所述的组合浮筒(15)浸没于海面(20)下30～200m深度处。4.根据权利要求1所述的一种水下组合式生产输送立管系统，其特征在于：所述的内层浮筒(5)上沿轴向安装有三个相同结构的限位板(6)，相邻的两个限位板(6)之间的距离相等，且相邻两个限位板(6)下端之间的距离与两个导向环板(4)下端之间的距离相等；当内层浮筒(5)和外层浮筒(1)的中心等高时，各限位板(6)与相邻的导向环板(4)之间留有1至2米的距离。5.根据权利要求1所述的一种水下组合式生产输送立管系统，其特征在于：所述的内层浮筒(5)上安装限位板(6)的部位，预先设计有深度H小于限位板(6)环宽H1、宽度B与限位板(6)厚度B1相等的环形凹槽(7)。6.根据权利要求1所述的一种水下组合式生产输送立管系统，其特征在于：所述的外围横撑(2)共有八个，分上下两层、每层四个；上层的外围横撑(2)与上层的内部横撑(3)在同一个水平面上，下层的外围横撑(2)与下层的内部横撑(3)在同一个水平面上。7.根据权利要求1所述的一...

【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