抗冰型自升式钻井单元和钻井方法 |
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| 申请号 | CN201180050455.9 | 申请日 | 2011-10-21 | 公开(公告)号 | CN103180513B | 公开(公告)日 | 2016-06-08 |
| 申请人 | 科诺科菲利浦公司; | 发明人 | R·S·沙弗尔; P·G·诺布尔; R·P·奥罗拉; T·E·拉姆齐; T·H·韦斯特曼; D·P·贝尔塔; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种抗 冰 型自升式钻井平台，所述钻井平台与锥形打桩单 脚架 一起作业以在易于结冰的 位置 钻井且生产 碳 氢化合物。本发明的钻井平台在无冰 水 面中在 船壳 提升到水面之上的情况下像传统的自升式钻井平台一样工作。然而，在发生结冰的情况下，所述桩腿通过嵌入到海底以抵抗所述钻井平台的横向移动的桩靴和嵌入到附接到所述锥形打桩单脚架上的托座中的桩靴而保持就位。所述船壳和所述锥形打桩单脚架都构型为具有冰 块 弯折表面以使与其 接触 的冰块弯曲和破裂。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于在近海区域在潜在结冰条件下钻探和生产碳氢化合物的抗冰型自升式钻井单元，所述抗冰型自升式钻井单元包括： |
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| 说明书全文 | 抗冰型自升式钻井单元和钻井方法技术领域背景技术[0002] 在对碳氢化合物永不停歇的探寻中，在过去的150年里已经发现了很多的油气储备。已经开发了很多技术以找到新的储备和资源，为了找寻新的发现，地球上的很多地区已经被探测。很少有人认为还可以在居住区及能很容易到达的地方找到任何大型的、未被发现的资源。然而，在更具挑战性和很难到达的区域中发现了新的大型储备。 [0003] 一种前景广阔的区域是北极近海区域。然而，北极遥远且寒冷，水面上的冰块对碳氢化合物的勘探和生产来说都形成相当大的挑战。多年以来，一般都认为为了找到每一个可盈利的油井，必须钻探六个不盈利的油井。如果这种情况属实，那么人们都希望不盈利油井的钻探不昂贵。然而，在北极，极少有什么是不昂贵的。 [0004] 现在，在像北极一样天气寒冷的地方的浅水水域中，自升式或可移动近海钻探单元(MODU)在时间较短的水面无冰(open water)的夏季可以使用45至90天。预测钻探季节的开始和结束时间是靠运气的游戏，并且必须付出很多努力以确定自升式钻井单元何时可以安全地拖曳到钻探位置且何时可以开始钻探。一旦开始钻探，尽快地完成钻井是相当紧急的事情，以避免在完成钻井之前由于发生了结冰而不得不中断和取消钻井。即使在水面无冰的几周时间内，在钻井平台就位的位置，浮冰对自升式钻井平台而言危害很大，自升式钻井平台的桩腿也暴露在外且极易受到损坏。 [0005] 自升式钻井平台是可移动的、自升式的、进行近海钻探和油井维护的平台，该钻井平台装配有桩腿，该桩腿设置成被降到海底且然后将船壳提升到水面之上。自升式钻井平台典型地包括钻探和/或油井维护装备、桩腿自升系统、船员起居室、装载和卸载设备、大型液态材料储存区域、直升机降落甲板以及其他相关设备和装备。 [0006] 自升式钻井平台设计成被拖曳到钻井现场并且提升到水面之上，从而海水的海浪作用力只影响具有相当小的横截面的桩腿，因此允许海浪作用力在不施加给自升式钻井平台显著动量的情况下从旁进过。然而，自升式钻井平台的桩腿对浮冰撞击几乎没有防御能力，任何有一定规模的浮冰都能对一个或多个桩腿造成结构性破坏和/或将钻井平台推离原位。如果在钻井作业暂停且已完成适当固定和废弃处置之前发生了此类型事件，那么将可能发生碳氢化合物泄漏。在石油和天然气工业中即使小风险的此类泄漏对监管者和公众来说都是全然不可接受的。 [0007] 因此，一旦确定已经开始在该时间较短的季节中钻探潜在可盈利油井之后，可能要引进很大型的、基于重力的生产系统或类似的结构，并且将它们设定在海底以用于钻探和生产碳氢化合物的长时间过程。这些基于重力的结构是很大型的和非常昂贵的，并且被建造成可全年经受冰载荷。任何安全地降低北极的开发成本的机会都可节省非常巨大数量的金钱。 发明内容[0008] 本发明更具体涉及一种系统，所述系统包括用于在近海区域在潜在结冰环境下钻探碳氢化合物的抗冰型自升式钻井平台，所述钻井平台包括：漂浮船壳，所述漂浮船壳具有位于其上部的相对平整的甲板。所述漂浮船壳还包括沿着其下部的且围绕所述船壳的外周向下和向内延伸的冰块弯折形状，其中所述冰块弯折形状从所述船壳的靠近甲板水平高度的区域延伸且向下延伸到所述船壳的底部附近。一冰块折向部被设置成围绕所述船壳的底部的外周延伸以围绕着所述船壳引导冰块而不是将其引导到所述船壳之下。至少三个桩腿被定位在所述漂浮船壳的底部的外周之内，其中，所述桩腿设置成能够提升离开海底从而能够将所述钻井平台拖曳经过浅水区域，并且所述桩腿也能够延伸到所述海底并且进一步延伸以将所述船壳局部或者全部提升到水面之上。自升装置与各个桩腿关联以便将所述桩腿从海底提升从而使得所述抗冰型自升式钻井平台能够通过所述船壳的浮力而漂浮，也以便将所述桩腿下推到海底中，并且当浮冰威胁到所述钻井平台时将所述船壳局部提升到水面之上，并且当不存在冰块时将所述船壳全部提升到水面之上。所述系统还包括具有一主体的锥形打桩单脚架，所述锥形打桩单脚架具有位于底部的基底和位于顶部的顶甲板，其中在安装所述锥形打桩单脚架以供使用时所述基底被附接到压入到海底中的桩体。所述锥形打桩单脚架的主体包括倾斜的冰块接合表面，所述冰块接合表面围绕所述主体且从较宽的下部区域延伸到较窄的上部区域，其中所述下部区域位于海面之下且所述上部区域位于海面之上。所述锥形打桩单脚架还包括带有托座的耳片，所述托座设计成接收位于待被安装和待被保持就位的桩腿中的至少一个上的桩脚以用于经由所述锥形打桩单脚架而进行钻探。所述钻井平台设置成通过将其船壳提升到海面之上而与所述锥形打桩单脚架一起作业，并且延伸到所述锥形打桩单脚架上方以经由所述锥形打桩单脚架进行钻探，并且设置成将其自身降到水中以采用冰块防御姿态从而当出现薄冰时冰块会与所述钻井平台的冰块弯折形状接触，并且当出现厚冰时移走所述钻井平台。 [0009] 本发明还涉及一种用于在易于结冰的水域中钻井的方法。所述方法包括提供具有一主体的锥形打桩单脚架，所述锥形打桩单脚架具有位于底部的基底、位于顶部的顶甲板和倾斜的冰块接合表面，所述冰块接合表面围绕所述主体且从较宽的下部区域延伸到较窄的上部区域，其中所述下部区域位于海面之下且所述上部区域位于海面之上，其中，所述锥形打桩单脚架包括至少一个带有托座的耳片，所述托座用于接收和保持自升式钻井平台的桩脚。将桩体压入海底并且将所述桩体附接到所述锥形打桩单脚架以将所述锥形打桩单脚架固定到海底。提供一钻井平台，所述钻井平台具有漂浮船壳，所述漂浮船壳具有位于其上部的相对平整的甲板，并且具有沿着其下部的冰块弯折形状，其中所述冰块弯折形状从所述船壳的靠近甲板水平高度的区域延伸且向下延伸到所述船壳的底部附近。一冰块折向部设置成围绕所述船壳的底部的外周延伸，以围绕着所述船壳引导冰块而不是将其引导到所述船壳之下。至少三个桩腿被定位在所述漂浮船壳的底部的外周之内。降下各个桩腿，以使得位于所述桩腿中的一个的底部上的至少一个桩脚与所述锥形打桩单脚架的所述耳片上的所述托座接合，并且剩下的桩脚与海底接合或者与耳片上的另一个托座接合，并且当在所述钻井平台在钻井现场钻井期间冰块对于所述钻井平台不构成威胁时，将所述船壳全部提升到水面之上。还将所述船壳降到水中以处于冰块防御构型中，从而使得所述冰块弯折形状在海面之上和之下延伸，以使碰撞到所述钻井平台的冰块弯折，以使得所述冰块下沉到水面之下且在所述冰块流过所述钻井平台的位置承受使冰块破裂的弯折力。在所述甲板的一侧从钻井平台并经由所述锥形打桩单脚架而向下钻井。附图说明 [0010] 参考以下结合附图而进行的说明，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： [0011] 图1是本发明的正视图，其中钻井平台漂浮在水中，并且能够被拖曳到钻井现场； [0012] 图2是本发明的正视图，其中钻井平台提升到水面之上； [0013] 图3是本发明的第一实施例的处于用于在潜在结冰环境期间钻井的防御构型中的正视图，其中，钻井平台已经局部地下降到冰/水分界面中，但是依旧由它的桩腿支承； [0014] 图4是局部放大正视图，其示出了处于图3构型中的本发明的第一实施例的一端，其中冰块正迎着该钻井平台移动； [0015] 图5是示出了钻井平台的正视图，该钻井平台正在移向锥形打桩单脚架以经由锥形打桩单脚架向下钻探； [0016] 图6是示出了钻井平台的正视图，该钻井平台设置在锥形打桩单脚架之上以经由锥形打桩单脚架向下钻探； [0017] 图7是示出了钻井平台的正视图，其中，该钻井平台在其冰块防御构型中设置成靠近锥形打桩单脚架；以及 [0018] 图8是俯视图，其示出了定位成经由锥形打桩单脚架而向下钻探的钻井平台。 具体实施方式[0019] 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说明的实施例。本发明的范围仅由下述权利要求的范围限定。 [0020] 如图1所示，抗冰型自升式钻井平台总体上由箭头10表示。在图1中自升式钻井平台10示出为其船壳20漂浮在大海中且其桩腿25处于提升结构布置中，其中在该提升结构布置中桩腿25长度的大部分在船壳20的甲板21上方延伸。在甲板21之上的是安装到钻井悬架24且带有其他传统的装备和系统的井架30，这有利于井的钻探。在如图1所示的构型中，自升式钻井平台10可以从一钻井现场拖曳到另一钻井现场以及从一海岸基地拖曳到另一海岸基地以用于维护和其他海岸服务。 [0021] 当自升式钻井平台10被拖曳到位于一般的浅水中的钻井现场时，桩腿25经由船壳20中的槽口(围井)27而被降下直到位于桩腿25的底端的桩脚26如图2所示与海底15接合。 在优选的实施例中，桩脚26连接到桩靴28以将钻井平台10固定到海底。一旦桩脚26与海底 15接合，在槽口27中的举升钻架(jacking rig)将桩腿25向下推，因此船壳20被提升到水面之上。在船壳20完全地提升到水面之上的情况下，与撞击类似于船壳20这样的大型漂浮物体的海浪效应相比，任何海浪作用力和巨浪都更容易冲过桩腿25。 [0022] 当在海面12上开始结冰时，对于传统的自升式钻井平台而言，浮冰与桩腿25接触并且损坏桩腿25或者轻易地将自升式钻井平台10推离钻井现场的风险成为一个重大隐患，并且这种钻井平台典型地直到水面无冰季节结束时才移离钻井现场。本发明的抗冰型自升式钻井平台10设计成通过采用如图3所示的冰块防御型、船壳位于水中的构型来防御浮冰。在图3中，冰块趋向于抑制海浪和巨浪，所以海面12看起来危险性不高，然而，海洋环境的危险因子仅仅是改变了而没有减弱。 [0023] 当抗冰型自升式钻井平台10采用其冰块防御型、船壳位于水中的构型时，船壳20被降到水中以与水接触，但是没有降到船壳20能够开始漂浮的程度。钻井平台10的大部分重量优选地保持在桩腿25上，以抵抗浮冰可能导致的任何压力而将钻井平台10的位置保持在钻井现场。钻井平台10被降下，从而使得从图4中最清楚地看出向内倾斜的冰块弯折表面41跨过海面12以与任何可能碰触钻井平台10的浮冰接合。 [0024] 倾斜的冰块弯折表面41从位于甲板26的边缘处的肩部42向下延伸到颈线44。冰块折向器45(ice deflector)从颈线44向下延伸。因此，当诸如51所示的浮冰碰触到钻井平台10时，冰块弯折表面41使得浮冰51的前缘下沉到海面12之下并且向其施加相当大的弯折力，该相当大的弯折力使得大块浮冰折断成尺寸较小的、破坏力较小的、危害系数较低的小冰块。例如，可想到几百英尺甚至可能几英里那么大的浮冰会碰触到钻井平台10。如果浮冰折断成最长尺寸小于20英尺的小块，那么这种小块可以从钻井平台10四周经过，隐患明显较小。 [0025] 在图5中，总体地由附图标记60表示的锥形打桩单脚架已经被预安装到海底。该锥形打桩单脚架60是能够用在易于结冰的近海位置中的结构，与传统的基于重力结构(GBS)相比，该结构的成本更低。锥形打桩单脚架60包括主体65、基底67和顶甲板70。该基底67优选地具有法兰形状，该法兰形状带有围绕锥形打桩单脚架60的外周而间隔开的孔或穿孔。基底67设置成放置在海底15上。当锥形打桩单脚架60设置在海底上时，锥形打桩单脚架的重量优选地由多个桩体68支撑，该桩体68被深深地压入到海底15中并且然后附接到锥形打桩单脚架60。典型地，将桩体68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 60永久地固定在其近海位置。桩体68典型地为像长钉一样起作用的结实的、但是中空的管或者管件类似结构并且，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的厚度。本发明的一个特定优点是：在锥形打桩单脚架60的重力由桩体68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68时将锥形打桩单脚架60设置在该水平的海底上。包含柔软泥泞材料的海底不太可能被挖空并且不太可能用坚硬的材料来取代之。 [0026] 在锥形打桩单脚架60由桩体68支承的情况下，用于安装锥形打桩单脚架60的海底准备工作被最小化或者不存在。一旦将桩体68压入到海底并且牢固地附接到基底67，桩体68向如下的力提供抵抗：(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60前侧的桩体68抵抗可能由冰块在上游侧施加的提升力以抵制被推翻，同时位于锥形打桩单脚架60的远侧或后侧或下游侧的桩体68抵抗可能允许后侧更深地侧倾到海底15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，使用此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。 [0027] 通过预测的竖向力和横向力的大小以及桩体68所压入的土壤层的强度来确定桩体68的长度和数量。优选地，桩体68战略上设置成围绕基底67的四周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的彼此之间存在一定间隔的至少8个桩体、优选地至少16个桩体、至多64个桩体，这样将最大化结构有效性并且形成桩体簇，在该桩体簇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60。根据预测负载和土壤的强度特性，桩体68典型地延伸到海床35米至75米深。锥形打桩单脚架60示出为八面结构，但是类圆或圆形构型也是可以采用的。优选地，为了便于制造，优选地结构具有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60的结构对称。 [0028] 锥形打桩单脚架60的主体65包括从海面12之下延伸到海面12之上的倾斜的冰块接合表面72，从而海中的冰块特别是浮冰与主体65在倾斜的冰块接合表面72上接合。冰块接合表面72围绕锥形打桩单脚架60的外周延伸，从而来自各个方向的冰块都与主体65在冰块接合表面72上接触。冰块接合表面72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72的斜坡典型地与水平方向成40°至60°之间的角，更优选地与水平方向成大致55°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65移动。在冰块接合表面72上方，锥形打桩单脚架60包括一形状，以使沿着冰块接合表面72一路向上推的冰块离开。甲板70位于锥形打桩单脚架60的顶端，该甲板70可以装配有用于钻探很多井的钻井基盘(drilling template)。 [0029] 锥形打桩单脚架60是相当大的结构：在该结构中，典型地甲板70的尺寸大于75米的跨度。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结构的一个优点是在任何水压载之前，重量大体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。基于重力结构(GBS)典型地具有0.21吨/m3至0.25吨/m3的密度，而锥形打桩单脚架60可以构造为0.20吨/m3以下至大约0.18吨/m3。经常地，GBS可能需要固体压舱物已增加其重量以提供对滑动和翻转的抵抗性。通过使用桩体68或者桩体68簇，锥形打桩单脚架60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现场准备成本的免除而导致的较低安装成本之外，锥形打桩单脚架60更轻的密度还可表现为更低的制造和运输成本。 [0030] 虽然锥形打桩单脚架60可能装配有用于钻井的井架和系统，但是如果能够通过自升式钻井平台来钻井的话还是存在成本节约的——因为锥形打桩单脚架尺寸能够稍微小点，所以当然单单在尺寸方面就具有成本节约，更不用提及所有钻井相关装备和系统的成本节约。经由锥形打桩单脚架利用诸如平台10的抗冰型钻井平台而进行的钻井提供额外的成本节约，原因在于：在刚有结冰迹象的时候，不必一定要将钻井平台拖离。每年可以利用抗冰型钻井平台10钻探更多的井，该抗冰型钻井平台10能够较长时间保持就位直到期间其他钻井平台早已经撤离的秋季。 [0031] 在将锥形打桩单脚架60固定到海底15的情况下，钻井平台10如图5所示移入，并且安装以如图6所示经由锥形打桩单脚架60向下钻探。本发明的一个特定方面是从包括待固定到海底15上的桩体68的基底67延伸出的耳片75。离锥形打桩单脚架60最近的桩靴28对准以接合到耳片75顶部的托座中并且通过夹紧件78保持就位。因此，通过将钻井平台10附接到锥形打桩单脚架而向钻井平台10提供了额外的对由冰压而引起的移动的抵抗性。这种结构布置已被称为“亚哈托座”，参考《白鲸记》中的船长将他的木质义肢插入到船中的节孔中以在捕鲸的同时稳定自身。 [0032] 抗冰型钻井平台10的桩腿25一旦固定到托座上就能够承受有限的冰威胁，其中该桩腿25将构造为比传统的用于自升式钻井平台的桩腿更加结实。然而，在更显著的冰威胁自现的情况下，抗冰型钻井平台10可以选择呆在原地，暂停钻井作业并且采用如图7所示的冰块防御构型。在该姿态中，接触到钻井平台10和锥形打桩单脚架60的其中之一或两者的冰块将被折断并且被引导从系统周围漂过。当冰块减少时，可以重新开始钻井，当冰块变得太厚时，可将钻井平台10完全移离现场直到下一个钻探季节开始。由船壳20的形状(还有船壳20的强度)提供冰块弯曲和折断的能力，并且延长了钻探时间窗口，这显著降低了在易于结冰位置进行钻探的成本。虽然优选地如图8所示钻井平台10设置为靠近锥形打桩单脚架的多个面的其中之一，但是该钻井平台10可如20A所示从任意方向接近锥形打桩单脚架。 [0033] 船壳20优选地具有多面或多边的提供圆形或者椭圆形的优势的形状，并且可更加便宜构造。构成船壳的板可由平板形成，从而整个结构包括平整材料诸如钢板得区段，可能需要较低复杂度。意识到水位可随着退涨潮和风暴以及其他可能因素而上升和下降，冰块弯折表面优选地延伸到水位之上至少约5米。水位之上的高度可以适应相当厚或者具有充分地延伸到海面12之上的脊突的浮冰，但是因为肩部42的高度充分地位于海面12之上，所以高浮冰当它们碰触到钻井平台10时将被迫向下。同时，位于船壳20的顶部的甲板21应距离吃水线足够远，从而使得波浪不会冲洗到甲板。如此，甲板25优选地位于海面12之上至少7至8米。相反地，颈线42优选地位于海面12之下至少4至8米以充分地弯折浮冰以使之折断成更多的无危害的小冰块。因此，船壳20的从底板的平整部到甲板20的高度优选地处于5至 16米的范围内，更加优选地，处于8至16米的范围内或者11至16米的范围内。 [0034] 也应当注意桩腿25和槽口27(其中，桩腿25通过槽口27而连接到船壳20)都位于冰块折向器45的外周之内，从而当钻井平台10处于如图3所示的冰块防御状态构型(有时也称为船壳位于水中的构型)时，浮冰不太可能接触到桩腿。此外，钻井平台10不必处理每一个浮冰威胁，这显著地提高了石油和燃气公司的利润。如果钻井平台10能够延长钻探季节短短的一个月，那么在一些易于结冰的区域将是50％的提高，因此向该产业提供实实在在的节约成本的益处。 |
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