專利名稱：固定到海底的抗冰型自升式鉆井單元的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于在典型的深度小于400英尺的淺水中鉆探碳氫化合物的可移動的近海鉆井單元(海上鉆井單元)，經(jīng)常稱為“自升式”鉆井單元或者鉆井平臺。
背景技術：
在對碳氫化合物永不停歇的探尋中，在過去的150年里已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了很多的油氣儲備。已經(jīng)開發(fā)了很多技術以找到新的儲備和資源，為了找尋新的發(fā)現(xiàn)，地球上的很多地區(qū)已經(jīng)被探測。很少有人認為還可以在居住區(qū)及能很容易到達的地方找到任何大型的、未被發(fā)現(xiàn)的資源。然而，在更具挑戰(zhàn)性和很難到達的區(qū)域中發(fā)現(xiàn)了新的大型儲備。一種前景廣闊的區(qū)域是北極近海區(qū)域。然而，北極遙遠且寒冷，水面上的冰塊對碳氫化合物的勘探和生產(chǎn)來說都形成了相當大的挑戰(zhàn)。多年以來，一般都認為為了找到一個可盈利的油井，必須鉆探六個不盈利的油井。如果這種情況屬實，那么人們都希望不盈利油井的鉆探不昂貴。然而，在北極，極少有什么是不昂貴的?，F(xiàn)在，在像北極一樣天氣寒冷的地方的淺水域中，自升式或可移動近海鉆探單元(MODU)在時間較短的水面無冰(open water)的夏季可以使用45至90天。預測鉆探季節(jié)的開始和結束的時間是靠運氣的游戲，并且必須付出很多努力以確定自升式鉆井單元何時可以安全地拖曳到鉆探位置且何時可以開始鉆探。一旦開始鉆探，盡快地完成鉆井是相當緊急的事情，以避免在完成鉆井之前由于發(fā)生了結冰而不得不中斷和取消鉆井。即使在水面無冰的幾周時間內(nèi)，在鉆井平臺就位的位置，浮冰對自升式鉆井平臺而言危害很大，自升式鉆井平臺的樁腿也暴露在外且極易受到損壞。自升式鉆井平臺是可移動的、自升式的、進行近海鉆探和油井維護的平臺，該鉆井平臺裝配有樁腿，該樁腿設置成被降到海底且然后將船殼提升到水面之上。自升式鉆井平臺典型地包括鉆探和/或油井維護裝備、樁腿自升系統(tǒng)、船員起居室、裝載和卸載設備、大型液態(tài)材料儲存區(qū)域、直升機降落甲板以及其他相關設備和裝備。自升式鉆井平臺設計成被拖曳到鉆井現(xiàn)場并且提升到水面之上，從而使得海水的海浪作用力只影響具有較小的橫截面的樁腿，因此允許海浪作用力在不施加給自升式鉆井平臺顯著動量的情況下從旁經(jīng)過。然而，自升式鉆井平臺的樁腿幾乎沒有對浮冰撞擊的防御能力，任何有一定規(guī)模的浮冰都能對一個或多個樁腿造成結構性破壞和/或將鉆井平臺推離原位。如果在鉆井作業(yè)暫停且已完成適當固定和廢棄處置之前發(fā)生此類型事件，那么將可能發(fā)生碳氫化合物泄漏。在石油和天然氣工業(yè)中即使小風險的此類泄漏對監(jiān)管者和公眾來說都是全然不可接受的。因此，一旦確定已在該時間較短的季節(jié)中鉆探潛在可盈利油井之后，可能要引進很大型的、基于重力的生產(chǎn)系統(tǒng)或類似的結構，并且將它們設定在海底以用于鉆探和生產(chǎn)碳氫化合物的長時間過程。這種基于重力的結構是很大型的和非常昂貴的，并且被建造成可全年經(jīng)受冰載荷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明更具體地涉及一種用于在近海區(qū)域在可能結冰的條件下鉆探碳氫化合物的抗冰型自升式鉆井平臺(ice worthy jack-up rig),所述鉆井平臺包括漂浮船殼,所述漂浮船殼具有包括位于其上部的相對平整的甲板。所述漂浮船殼還包括沿著其下部且圍繞所述船殼的外周延伸的冰塊彎折形狀，其中所述冰塊彎折形狀從所述船殼的靠近甲板水平高度的區(qū)域延伸且向下延伸到所述船殼的底部附近，以及一冰塊折向部，所述冰塊折向部圍繞所述船殼的底部的外周延伸，以圍繞著所述船殼引導冰塊而不是將其引導到所述船殼之下。所述鉆井平臺包括至少三個樁腿，所述樁腿定位在所述漂浮船殼的底部的外周之內(nèi)，其中，所述樁腿設置成能夠被提升離開海底，從而使得能夠將所述鉆井平臺拖曳經(jīng)過淺水區(qū)域，并且所述樁腿也能夠延伸到所述海底并且進一步延伸以將所述船殼局部或者全部提升到水面之上。自升裝置與各個樁腿關聯(lián)以便將所述樁腿提升離開海底從而使得所述抗冰型自升式鉆井平臺能夠通過所述船殼的浮力而漂浮，也以便將所述樁腿下推到海底，并且當浮冰威脅到所述鉆井平臺時將所述船殼局部提升到水面之上，并且當不存在冰塊時將所述船殼全部提升到水面之上。多個打樁托座被固定到海底并且設置成當所述樁腿延伸到海底時接收和夾緊所述樁腿。本發(fā)明還涉及一種用于在易于結冰的水域中鉆井的方法，所述方法包括:提供一漂浮船殼，所述漂浮船殼具有位于其上部的相對平整的甲板，并且具有沿著其下部的冰塊彎折形狀，其中所述冰塊彎折形狀從所述船殼的靠近甲板水平高度的區(qū)域延伸且向下延伸到所述船殼的底部附近，以及一冰塊折向部，所述冰塊折向部圍繞所述船殼的底部的外周延伸以圍繞著所述船殼弓I導冰塊而不是將其引導到所述船殼之下。至少三個樁腿被定位在所述船殼的底部的外周之內(nèi)。降下各個樁腿，使得所述樁腿底部上的樁腳與固定到海底的托座接合，并且當在所述鉆井平臺在鉆井現(xiàn)場鉆井期間冰塊對于所述鉆井平臺不構成威脅時，將所述船殼全部提升到水面之上。進一步將所述船殼降到水中以處于冰塊防御構型中，從而使得所述冰塊彎折形狀在海面上下延伸以使碰撞到所述鉆井平臺的冰塊彎折，以使所述冰塊下沉到水面之下并且在冰塊流過所述鉆井平臺的位置承受使冰塊破裂的彎折力。


參考以下結合附圖而進行的說明，可以獲得對本發(fā)明以及本發(fā)明的優(yōu)點更加完整的理解，其中:圖1是本發(fā)明的第一實施例的正視圖，其中鉆井平臺漂浮在水中，并且能夠被拖曳到鉆井現(xiàn)場；圖2是本發(fā)明的第一實施例的正視圖，其中鉆井平臺漂浮在水中，并且樁腿已經(jīng)被降下以與固定到海底的打樁托座(piled socket)連接；圖3是本發(fā)明的第一實施例的正視圖，其中鉆井平臺被提升到水面之上以用于經(jīng)由月池(船阱)在無冰水面上進行鉆探；圖4是本發(fā)明的第一實施例的處于用于在潛在結冰環(huán)境期間鉆井的防御構型中的正視圖，其中，鉆井平臺已經(jīng)局部地下降到冰/水分界面中，但是依舊由它的樁腿支承；以及圖5是局部放大正視圖，其示出了處于圖3構型中的本發(fā)明的第一實施例的一端，其中冰塊迎著該鉆井平臺移動。
具體實施例方式現(xiàn)在轉而對本發(fā)明的裝置或優(yōu)選裝置進行詳細說明，應當理解，在其他的結構布置中也可以體現(xiàn)本發(fā)明的特征和概念，本發(fā)明的范圍不限于這里描述或說明的實施例。本發(fā)明的范圍僅由下述權利要求的范圍限定。如圖1所示，抗冰型自升式鉆井平臺總體上由箭頭10表示。在圖1中自升式鉆井平臺10示出為其船殼20漂浮在大海中且其樁腿25處于提升結構布置中，其中在該提升結構布置中樁腿25長度的大部分在船殼20的甲板21上方延伸。在甲板21之上的是用于鉆井的井架30。在如圖1所示的構型中，自升式鉆井平臺10可以從一勘探場地拖曳到另一勘探場地以及從一海岸基地拖曳到另一海岸基地以用于維護和其他海岸服務。當自升式鉆井平臺10被拖曳到位于一般的淺水中的鉆井現(xiàn)場時，樁腿25經(jīng)由船殼20中的槽口(圍井)27而被降下直到位于樁腿25的底端的樁腳26如圖2所示與預定位在海底15上的打樁托座35接合。在優(yōu)選的實施例中，樁腳26具有固定到樁腳26上的樁靴28，該樁靴28設置成直接靠置到海底。然而，在本發(fā)明中，樁靴28與錨定到海底的打樁托座35直接連接。打樁托座35在已被相當精確地定位在海底15之后通過防止托座35上升或者向海底15進一步下沉的樁結構36而被固定到海底。一旦樁靴28與托座35接合，夾緊件38在樁靴28的頂部部分上閉合以將樁靴28鎖定到托座35。打樁托座35額外確保鉆井平臺10在冰塊與船殼20接合并且推擠船殼20時依舊能夠保持在鉆探位置上。在樁靴28被鎖定在打樁托座35的情況下，船殼20如圖3所示提升到水面之上。在船殼20完全地提升到水面之上的情況下，與撞擊類似于船殼20這樣的大型漂浮物體的海浪效應相比，任何海浪作用力和巨浪都更容易沖過樁腿25。當該區(qū)域中沒有冰塊時可以以常規(guī)過程開始鉆井作業(yè)。通過采用如圖4所示的冰塊防御型、船殼位于水中的構型，抗冰型自升式鉆井平臺10也設計為能夠防御浮冰。在圖4中，冰塊趨向于抑制海浪和巨浪，所以海面12看起來危險性不高，然而，海洋環(huán)境的危險因子僅僅是改變了而沒有減弱。當抗冰型自升式鉆井平臺10采用其冰塊防御型、船殼位于水中的構型時，船殼20被降到水中以與水接觸，但是沒有降到船殼20能夠開始漂浮的程度。鉆井平臺10的大部分重量優(yōu)選地保持在樁腿25上，以抵抗冰流可能導致的任何壓力將鉆井平臺10的位置保持在鉆井現(xiàn)場上。鉆井平臺10被降下，從而使得向內(nèi)傾斜的冰塊彎折表面41跨過海面12或冰/水分界面以與任何可能碰觸鉆井平臺10的浮冰接合。傾斜的冰塊彎折表面41從位于甲板26的邊緣處的肩部42向下延伸到頸線44。冰塊折向器45從頸線44向下延伸。因此，當諸如51所示的浮冰碰觸到鉆井平臺10時，冰塊彎折表面41使得浮冰51的前緣下沉到海面12之下并且向其施加相當大的彎折力，該相當大的彎折力使得大塊浮冰斷裂成尺寸較小的、破壞力較小的、危害系數(shù)較低的小冰塊。例如，可想到幾百英尺甚至可能幾英里那么大的浮冰會碰觸到鉆井平臺10。如果浮冰斷裂成最長尺寸小于20英尺的小塊，那么這種小塊可以從鉆井平臺10四周經(jīng)過，隱患明顯較小。冰塊具有處于4至12MPa范圍內(nèi)的巨大壓縮強度，但是抗彎折性較小，典型地抗彎強度位于0.3至0.5MPa范圍內(nèi)。如所示，沿著海面12移動的浮冰51的力使得其前緣滑動到海面12之下并且使得區(qū)段52斷裂。在浮冰51斷裂成諸如區(qū)段52和小冰塊53的較小浮冰的情況下，較小區(qū)段趨向于在不施加大塊浮冰的影響或力的情況下漂過鉆井平臺10且在鉆井平臺10的周圍漂浮。優(yōu)選地，冰塊不被壓迫到船殼20的底部的平整部之下，冰塊折向器45使冰塊轉向以在船殼20的側邊周圍漂流。如果冰塊確實厚的話，冰塊折向器45設置成以比冰塊彎折表面41更陡峭的角度向下延伸，并將增大作用在浮冰上的彎折力。在冰塊折向器45處，冰塊折向器定位成從船殼20的底部的平整部向下延伸。在可選的結構布置中，舭部彎曲處是在冰塊折向器45的底端處底部的平整部。為了進一步抵抗浮冰可能施加到鉆井平臺10上的力，樁腿的樁腳26可以設置成與設置在海底的樁靴28連接，從而使得當浮冰碰撞冰塊彎折表面41時，樁腿25實際上將牽制船殼20且迫使浮冰彎折且抵抗浮冰的提升力——該浮冰的提升力在極端的情況下可能抬起鉆井平臺10的近側，并且通過以鉆井平臺10的相對側的樁腳26作為支點或者樞軸而將鉆井平臺推翻。海底中的樁靴已知用于其他應用，樁腳26可包括適當?shù)倪B接件以按要求連接到樁靴上以及從樁靴上拆卸下來。可能應當注意到:根據(jù)當時正進行的鉆探進展，從如圖3所示的傳統(tǒng)無冰水面鉆井構型轉換到如圖4所示的船殼在水中的冰塊防御構型需要較大規(guī)模的規(guī)劃和調(diào)整。雖然一些裝備能夠適應甲板21高度的改變，但是也需要拆卸或者重構其他裝備以適應距離海底15的新高度?？贡妥陨姐@井平臺10設計為像無冰海面中的傳統(tǒng)自升式鉆井平臺一樣操作，但是也設計為以冰塊防御位置下沉到水中，然后當海浪作用力成為隱患時重新獲取傳統(tǒng)的姿態(tài)或構型。由船殼20的形狀(還有船殼20的強度)來提供冰塊彎折和斷裂的可能性。船殼20優(yōu)選地具有多面或多邊的形狀，這樣的形狀具有圓形或者橢圓形的優(yōu)勢，并且可更加便宜構造。構成船殼的板可由平板形成，從而整個結構包括平整材料諸如鋼板的區(qū)段，可能需要較低復雜度。意識到水平面可隨著退漲潮、風暴以及其他可能因素而上升和下降，冰塊彎折表面優(yōu)選地延伸到水平面之上至少5米。水平面之上的高度可以適應相當厚或者具有充分地延伸到海面12之上的脊突的浮冰，但是因為肩部42的高度充分地位于海面12之上，所以高浮冰當碰觸到鉆井平臺10時將被迫向下。同時，位于船殼20頂部的甲板21距離吃水線應該足夠遠，從而使得波浪不會沖洗到甲板。如此，甲板25優(yōu)選地位于海面12之上至少7至8米。相反地，頸線42優(yōu)選地位于海面12之下至少4至8米以充分地彎折浮冰以使之斷裂成更多的無危害的小冰塊。因此，船殼20的從底部的平整部到甲板20的高度優(yōu)選地處于5至16米的范圍內(nèi)，更加優(yōu)選地，處于8至16米的范圍內(nèi)或者11至16米的范圍內(nèi)。也應當注意樁腿25和槽口 27 (其中，樁腿25通過槽口 27而連接到船殼20)都位于冰塊折向器45的外周之內(nèi)，從而當鉆井平臺10處于如圖4所示的冰塊防御狀態(tài)構型(有時也稱為船殼位于水中的構型)時，浮冰不太可能接觸到樁腿。此外，鉆井平臺10不必處理每一個浮冰威脅，這顯著地提高了石油和燃氣公司的利潤。如果鉆井平臺10可將鉆探季節(jié)延長短短的一個月，那么在一些易于結冰的區(qū)域將是50%的提高，因此向該產(chǎn)業(yè)提供了實實在在地節(jié)約成本的益處。最后，應當注意對任何參考資料的討論并不是承認其是本發(fā)明的現(xiàn)有技術，特別是
公開日期在本申請的優(yōu)先權日之后的參考資料。同時，以下的各項和各條權利要求特此納入到該詳細描述或說明中以作為本發(fā)明的附加實施例。雖然這里已經(jīng)詳細描述了一些系統(tǒng)和處理，但是應當理解在不脫離由以下的權利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的基礎上可以進行多種修改、替換和變更。本領域中的技術人員可以研究優(yōu)選的實施例，并且認識到與本文中所述并非完全一樣的實現(xiàn)本發(fā)明的其他方式。發(fā)明人的意圖是將本發(fā)明的變型和等同方案都納入到權利要求的范圍之內(nèi)，同時說明書、摘要和附圖并不用于限定本發(fā)明的范圍。本發(fā)明特別地試圖擴展為與以下的權利要求和它們的等同方案一樣寬泛。
權利要求
1.一種用于在近海區(qū)域在潛在結冰條件下鉆探碳氫化合物的抗冰型自升式鉆井平臺，所述鉆井平臺包括: 漂浮船殼，所述漂浮船殼具有位于其上部的相對平整的甲板，并且具有沿著其下部的且圍繞所述船殼的外周向下和向內(nèi)延伸的冰塊彎折形狀，其中所述冰塊彎折形狀從所述船殼的靠近甲板水平高度的區(qū)域延伸且向下延伸到所述船殼的底部附近； 冰塊折向部，所述冰塊折向部圍繞所述船殼的底部的外周延伸，以圍繞著所述船殼引導冰塊而不是將其引導到所述船殼之下； 至少三個樁腿，所述樁腿定位在所述漂浮船殼的底部的外周之內(nèi)，其中，所述樁腿設置成能夠提升離開海底，從而使得能夠將所述鉆井平臺拖曳經(jīng)過淺水區(qū)域，并且所述樁腿也能夠延伸到海底并且進一步延伸以將所述船殼局部或者全部提升到水面之上； 自升裝置，所述自升裝置與各個樁腿關聯(lián)，以便將所述樁腿提升離開海底，從而使得所述抗冰型自升式鉆井平臺能夠通過所述船殼的浮力而漂浮，也以便將所述樁腿下推到海底，并且當浮冰威脅到所述鉆井平臺時將所述船殼局部提升到水面之上，并且當不存在冰塊時將所述船殼全部提升到水面之上；以及 多個打樁托座，所述打樁托座固定到海底并且設置成當所述樁腿延伸到海底時接收和夾緊所述樁腿。
2.根據(jù)權利要求1所述的抗冰型自升式鉆井平臺，還包括錨定機構，所述錨定機構與各個樁腿的樁腳關聯(lián)以額外地抵抗浮冰施加到所述鉆井平臺的力。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的抗冰型自升式鉆井平臺，其特征在于，所述冰塊彎折表面從尺寸較小的頸線向上和向外傾斜到尺寸較大的肩部。
4.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的抗冰型自升式鉆井平臺，其特征在于，所述冰塊彎折表面在豎直方向上延伸至少8至10米或更多。
5.根據(jù)權利要求4所述的抗冰型自升式鉆井平臺，其特征在于，所述冰塊彎折表面與豎直方向所成的角度處于30°至60°的范圍內(nèi)。
6.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的抗冰型自升式鉆井平臺，其特征在于，所述冰塊彎折表面包括圍繞所述鉆井平臺的外周延伸的多個相對平整的、傾斜的區(qū)段。
7.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的抗冰型自升式鉆井平臺，其特征在于，各個樁腿設置成由打樁托座夾緊，并且各個打樁托座經(jīng)由一個或多個樁結構被固定到海底以抵制所述打樁托座在各個方向上的移動。
8.一種用于在易于結冰的水域中鉆井的方法，所述方法包括: 提供一鉆井平臺，所述鉆井平臺具有漂浮船殼以及冰塊折向部，所述漂浮船殼具有位于其上部的相對平整的甲板和沿著其下部的冰塊彎折形狀，其中所述冰塊彎折形狀從所述船殼的靠近甲板水平高度的區(qū)域延伸且向下延伸到所述船殼的底部附近，所述冰塊折向部圍繞所述船殼的底部的外周延伸以圍繞著所述船殼引導冰塊而不是將冰塊引導到所述船殼之下； 提供至少三個樁腿，所述樁腿定位在所述船殼的底部的外周之內(nèi)， 降下各個樁腿，使得所述樁腿底部上的樁腳與固定到海底的托座接合，并且當在所述鉆井平臺在鉆井現(xiàn)場鉆井期間冰塊對于所述鉆井平臺不構成威脅時，將所述船殼全部提升到水面之上；將所述船殼降到水中以處于冰塊防御構型中，從而使得所述冰塊彎折形狀在海面之上和之下延伸，以使碰撞到所述鉆井平臺的冰塊彎折，以使所述冰塊下沉到水面之下，并且在冰塊流過所述鉆井平臺的位置承受使冰塊破裂的彎折力；以及 經(jīng)由所述鉆井平臺 鉆井。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，還包括通過一個或多個樁結構將所述托座固定到海底的步驟。
10.根據(jù)權利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述冰塊彎折表面從肩部延伸到頸線，將所述船殼降到水中的步驟更具體地包括將所述船殼降到水中以使得所述頸線位于海面之下至少4米且所述肩部位于海面之上至少7米。
11.根據(jù)權利要求8至10中的任一項所述的方法，還包括當浮冰的危害性降低時將所述船殼提升到水面之上的步驟。
12.一種用于在易于結冰的水域中進行鉆探的方法，所述方法包括使用根據(jù)權利要求1至7中的任一項所述的鉆井平臺。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種抗冰型自升式鉆井平臺，該鉆井平臺可以延長北極近海淺水區(qū)域或易于結冰區(qū)域中的鉆探季節(jié)。在水面無冰時，在將船殼提升到水面之上的情況下，本發(fā)明的自升式鉆井平臺能夠像傳統(tǒng)自升式鉆井平臺一樣工作。然而，如果結冰的話，樁腿通過嵌入到海底的樁靴而保持就位，以抵制鉆井平臺的橫向移動，并且船殼被降到水中以處于冰塊防御構型。該船殼特別地構型為具有冰塊彎折表面，以在處于冰塊防御構型時彎折和斷裂與船殼接觸的冰塊。
文檔編號E02B1/00GK103168134SQ201180050458
公開日2013年6月19日 申請日期2011年10月21日 優(yōu)先權日2010年10月21日
發(fā)明者P·G·諾布爾, R·S·沙弗爾, D·P·貝爾塔 申請人:科諾科菲利浦公司