CN103237727B - 张紧浮力塔 - Google Patents

Abstract

一种海上结构，该海上结构包括基部，该基部被构造成紧固至海床。此外，该海上结构还包括细长导杆，该细长导杆具有纵向轴线、远离该基部的第一端、以及以可枢转方式联接到该基部的第二端。另外，该海上结构还包括上部模块，该上部模块联接到导杆的第一端。该上部模块包括可变压载室。再者，该海上结构还包括第一压载控制管道，该第一压载控制管道与上部模块的可变压载室流体连通。该第一压载控制管道被构造成向上部模块的可变压载室供应气体以及将气体从上部模块的可变压载室中排出。此外，该海上结构还包括安装到上部模块的甲板。

Description

张紧浮力塔

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年4日提交的、发明名称为“张紧浮力塔（TensionBuoyantTower）”的美国临时专利申请No.61/389,577的优先权，该美国临时申请的全部内容在此通过引用的方式并入。

关于联邦资助研究或开发的声明

不适用

技术领域

本发明总体上涉及便于石油和天然气开采的海上结构。更具体地，本发明涉及浮力塔，该浮力塔以可拆卸方式联接到海床并构造成用于存储和卸下所开采的碳氢化合物。

背景技术

海上结构用于存储和卸下由水下油气井开采出的碳氢化合物（例如，石油和天然气）。通常，所采用的海上结构的类型将取决于油气井位置处的水深。例如，在深度小于约300英尺的水中，通常采用自升式平台作为开采结构；在深度约为300至800英尺之间的水中，通常采用固定式平台作为开采结构；而在深度大于约800英尺的水中，通常采用诸如半潜式平台的浮动系统作为开采结构。

自升式平台能够在不同的油气井和油气田之间移动，并且其高度是可调的。然而，自升式平台基本局限于不足约300英尺的水深。与自升式平台相比，固定式平台可用于更大的水深（最大约800英尺），但固定式平台不易移动且通常具有固定的高度。常规的浮动开采系统可以在深水中使用，但较难在不同的油气井之间移动。特别地，大多数浮动开采系统被设计成（经由多根系泊缆）较长时期地系泊在特定位置。这种系泊系统通常包括系泊缆，这些系泊缆利用打入到海床中的较大的桩而锚固到海床。这种桩难以在大水深的情况下搬运、运送及安装。此外，对于较小的边际油气田来说，大多数浮动开采系统相对昂贵且成本过高。

因此，在本领域中，仍然存在着对如下这种海上结构和系统的需求：该海上结构和系统被设计为在深度大于约800英尺的水中使用并能够在不同的海上位置之间容易地移动。如果此类海上开采系统对于较小的边际油气田来说经济可行，则它们将特别容易得到认可。

发明内容

在一个实施例中，通过一种海上结构来满足本领域中的这些及它需求。在一实施例中，该海上结构包括基部，该基部被构造成紧固至海床。此外，该海上结构还包括细长导杆，该细长导杆具有纵向轴线、远离该基部的第一端、以及以可枢转方式联接到该基部的第二端。另外，该海上结构还包括上部模块，该上部模块联接到导杆的第一端。该上部模块包括可变压载室。再者，该海上结构还包括第一压载控制管道，该第一压载控制管道与上部模块的可变压载室流体连通。该第一压载控制管道被构造成向上部模块的可变压载室供应气体以及将气体从上部模块的可变压载室中排出。此外，该海上结构还包括安装到上部模块的甲板。

在另一实施例中，通过一种用于开采一个或多个海上油气井的方法来满足本领域中的这些和其它需求。在一实施例中，该方法包括如下步骤：（a）在海上运送细长导杆和上部模块，其中，该上部模块包括可变压载室。另外，该方法还包括如下步骤：（b）使导杆从水平定向转换为竖直定向。另外，该方法还包括如下步骤：（c）将上部模块附接到导杆的上端，以形成塔。再者，该方法还包括如下步骤：（d）对该塔进行压载。此外，该方法还包括如下步骤：（e）在第一海上安装现场将该塔以可枢转方式联接到布置在海床上的锚。

在另一实施例中，通过一种海上结构来满足本领域中的这些及其它需求。在一实施例中，该海上结构包括塔，该塔具有纵向轴线、上端、以及与该上端相反的下端。该塔包括：从下端延伸的细长导杆、联接到导杆的上部模块、以及在上端处安装到上部模块的甲板。该上部模块是净浮力的（netbuoyant）。此外，该海上结构还包括锚，该锚被构造成紧固至海床。该锚以可拆卸且可枢转的方式联接到所述塔的下端。

因此，本文所描述的实施例包括旨在克服与某些现有技术的装置、系统及方法相关联的各种缺点的特征和优点的组合。对本领域的技术人员而言，通过阅读以下详细描述并参照附图，上述各种特性以及其它特征将变得显而易见。

附图说明

为了详细描述本发明的优选实施例，现在将参照附图，在这些附图中：

图1是根据本文所描述的原理的一种海上结构的实施例的正视图；

图2是图1的海上结构的下部的放大正视图；

图3是图1的海上结构的导杆模块之一的顶视截面图；

图4是图1的海上结构的上部模块的示意性截面图；

图5是图1的海上结构的导杆模块之一的示意性截面图；

图6是图1的海上结构的锚的示意性截面图；

图7是图6的锚被推压到海床中或从海床中拔出的示意性截面图；

图8是图6的联接件被容纳在图1的导杆下端的空腔内的示意性局部截面图；

图9是图6的联接件被锁定在图1的导杆下端的空腔内的示意性局部截面图；

图10A是可用于将图1的海上结构和锚以可拆卸且可枢转的方式联接在一起的联接件的一个实施例的透视图；

图10B是图10的联接件的侧视图；

图11-16是连续示意图，示出了图1的海上结构的组装方法的一个实施例；

图17-22是连续示意图，示出了通过联接多个轴向相邻的模块来组装图1的海上结构的方法的一个实施例；

图23是图17的组装浮船的组装稳定装置的顶视图；

图24是图22的组装稳定装置的侧视图；

图25是图1的开采结构的一个导杆模块联接到图1的开采结构的第二导杆模块的示意性放大透视图；并且

图26和图27是图25的导杆模块与图25的联接组件以可拆卸方式联接在一起的局部透视图。

具体实施方式

下列讨论涉及本发明的各个实施例。虽然这些实施例中的一个或多个实施例可能是优选的，但是，所公开的实施例不应解释为或用作对本公开范围的限制，其范围应包括权利要求在内。此外，本领域的技术人员应当理解，下列描述具有广泛的适用性，并且，对于任何实施例的讨论仅为了举例说明该实施例，并非旨在暗示本公开的范围局限于该实施例，其范围应包括权利要求在内。

在下列描述和所有权利要求中使用的某些术语用以表示特定的特征或部件。本领域的技术人员将会理解，不同的人员可以用不同的名称表示相同的特征或部件。本文并不打算对名称而非功能不同的部件或特征进行区分。附图不一定按比例绘制。为了清晰和简明起见，本文的某些特征和部件可能按比例夸大或以某种程度的示意形式示出，并且可能未示出常规元件的某些细节。

在下列讨论及权利要求中，用语“包括”和“包含”以开放的形式使用，因此，其应解释为是指“包括但不限于...”。而且，用语“联接（couple）”或“联接（couples）”是指间接连接或直接连接。因此，如果第一装置联接到第二装置，则该连接可以通过直接连接来实现，或通过借助于其它装置、部件及连接件的间接连接来实现。另外，如本文所使用的，用语“轴向（axial）”和“轴向地（axially）”通常是指沿着中心轴线或平行于中心轴线（例如，本体或端口的中心轴线），而用语“径向（radial）”和“径向地（radially）”通常是指垂直于该中心轴线。例如，“轴向距离”是指沿着或平行于中心轴线测量到的距离，而“径向距离”是指垂直于该中心轴线测量到的距离。

现在参照图1，根据本文所公开原理的海上开采结构或浮力塔10的实施例被示出为在海上现场布置在水体11中并以可拆卸方式联接到海床12。一般而言，海上结构10支持从水下油气井或井场开采出碳氢化合物（例如，石油和天然气）并支持这些碳氢化合物（例如，石油和天然气）的存储和卸下。结构10具有：中心轴线或纵向轴线15、在海面13处或邻近海面13的第一端或上端10a、以及由锚或基部30以可拆卸方式联接到海床12的第二端或下端10b。在本实施例中，结构10包括：上部模块20；甲板60，该甲板60在上端10a处安装到模块20；以及细长导杆40，该细长导杆40从下端10b延伸到上部模块20。

结构10具有在上端10a和下端10b之间沿轴向测量的长度L10。在本实施例中，上部模块20延伸到高于海面13，因此，长度L10大于水的深度。然而，在其它实施例中，可以将上部模块（例如，上部模块20）和/或甲板（例如，甲板60）布置成大体靠近海面13但在海面13下方，在这种情况下，该结构的轴向长度（例如，结构10的长度L10）小于水的深度。

现在参照图1和图2，在本实施例中，导杆40包括以端对端的方式连接在一起的、多个同轴对准的细长圆柱形导杆模块41。特别地，每个导杆模块41均具有：与轴线15同轴对准的中心轴线或纵向轴线45、第一端或上端41a、以及与第一端或上端41a相反的第二端或下端41b。除了最下方的导杆模块41在其下端41b处以可枢转方式联接到基部30并且最上方的导杆模块41在其上端41a处联接到过渡模块50之外，其余的每个导杆模块41的上端41a均联接到与其轴向相邻的导杆模块41的下端41b。一般而言，这些轴向相邻的导杆模块41可以通过任何适当的手段以端对端的方式联接，这些手段包括但不限于：焊接接头、螺栓等。然而，在本文所描述的实施例中，优选以可拆卸方式联接这些相邻的导杆模块41，从而可以相对容易地将一个或多个模块41添加到导杆40上或从导杆40移除，以基于安装位置和相关的水深11来加长或缩短该导杆40。

现在参照图1-3，多个开采立管或开采管道70沿着该结构10的外侧、从海床12处的海底输出立管71延伸到甲板60。为每个输出立管71提供一个开采立管70。每个开采立管70包括阀74，该阀74控制所开采出的碳氢化合物通过开采立管70的流动。阀74可以从甲板60处被致动或远程致动。为了清晰起见，图1和图2中仅示出了一个输出立管71和对应的开采立管70。然而，如图3所示，该结构10可以支撑多个开采管道70。

如图2和图3中最佳地示出的，多个开采立管70在结构10的外周上沿周向隔开并利用立管联接件或引导件72联接到结构10。换句话说，每个模块41包括多个周向隔开的引导件72，所述开采立管70在线路上从海床12和输出立管71延伸穿过这些引导件72而到达甲板60。每个引导件72均从其对应的模块41径向向外延伸并包括收容一个管道70的通孔73。虽然图3仅示出了从一个示例性导杆41延伸的多个周向隔开的引导件72，但其余的模块41具有同样的构造，每个模块41均包括用于支撑所述管道70的、多个周向隔开的引导件72。上部模块20也可以包括多个周向隔开的引导件72。彼此相邻的模块20、41上的引导件72被周向对准，以减少和/或消除立管70中的弯曲。

再次参照图1，在海上开采操作期间，所开采出的碳氢化合物从输出立管71通过开采管道70流至甲板60。在阀74打开的情况下，所开采出的碳氢化合物可以经由开采管道70卸到油轮或装卸浮船、开采平台或其组合。例如，结构10可以将所开采的碳氢化合物卸到附近的浮式采油平台上，该浮式采油平台能够临时存储所开采的碳氢化合物并将所开采的碳氢化合物卸到油轮上。替代地，结构10也可将所开采的碳氢化合物直接卸到油轮上。例如，油轮可以位于甲板60旁边，并放置成与从甲板60延伸的开采管道70流体连通。如果上部模块20和甲板60布置在水下（即，低于海面13），则该油轮可直接位于甲板（例如甲板60）上方并放置成与这些开采管道（例如，开采管道70）流体连通。还应理解的是，也可以使所开采的碳氢化合物流到碳氢化合物储罐（布置在水下或海面上），然后将所开采的碳氢化合物从该储罐卸到装卸浮船、开采平台等。

现在参照图1和图4，上部模块20具有：与轴线15同轴对准的中心轴线或纵向轴线25、联接到甲板60的第一端或上端20a、以及联接到导杆40的第二端或下端20b。在本实施例中，上部模块20包括在上端20a和下端20b之间延伸的径向外管21。管21被划分为从上端20a延伸的第一圆柱形部或上侧圆柱形部21a、以及从下端20b延伸到圆柱形部21a的第二截头圆锥形部或下侧截头圆锥形部21b。此外，上部模块20还包括：分别位于上端20a和下端20b处的上端壁或端盖22和下端壁或端盖22；以及，在圆柱形部21a和截头圆锥形部21b的交叉点处定位在管21内的隔板23。端盖22和隔板23均被定向成垂直于轴线25。管21、端壁22和隔板23在模块20内一起限定了多个轴向堆叠的隔室或单元：即，在上侧圆柱形部21a内的可变压载室或压载可调室26（轴向布置在上盖22与隔板23之间）；以及布置在截头圆锥形部21b内的浮力室27（轴向布置在下盖22与隔板23之间）。

端盖22将模块20的上端20a和下端20b封闭，从而防止流体分别经由上端20a和下端20b流入到室26、27中。隔板23布置在室26、27之间，从而防止相邻的室26、27之间的流体连通。因此，每个室26、27均与模块20中的其它室26、27隔离。

上部模块20具有在上端20a和下端20b之间轴向测量到的长度L20，并且圆柱形部21a具有直径D21a以及在上端20a与截头圆锥形部21b之间轴向测量到的长度L21a。对于布置在1,000英尺的水中并具有1,000英尺长度L10的示例性结构10来说，长度L20是250英尺，直径D21a是25英尺，长度L21a是200英尺。然而，根据该结构10的特定安装位置和期望的动力学特性，可以适当地改变和调节上述长度L20、L21a和直径D21a。

室27填充有气体16并与周围环境（例如，水11）隔离，因此在模块20的海上运送和安装期间以及在结构10的操作期间，为上部模块20提供了浮力。因此，室27也可以称为“浮力室”。在本实施例中，气体16是空气，因此，它也可以称为空气16。如下面将更详细描述的，在上部模块20的海上运送期间，可变压载室26也填充有空气16，从而有助于增加模块20的浮力。然而，在模块20的安装以及结构10的操作期间，可变压载18能够以可控方式添加到压载可调室26中，以减小模块20和结构10的浮力。在本实施例中，上述可变压载18是水11，因此，可变压载18也可以称为水18。

虽然在本实施例中模块20包括两个室26、27，但一般而言，模块20可以包括任何适当数量的室。优选地，至少一个室是中空的浮力室，并且至少一个室是压载可调室。此外，虽然端盖22和隔板23被描述为在室26、27的端部处提供不透流体的密封，但应当理解，一个或多个端盖22和/或隔板23可以包括可关闭且可密封的检修口（例如，人孔盖），该检修口允许受控地进入一个或多个室26、27，以便维护、修理以及/或保养。

仍然参照图1和图4，与密封的浮力室27不同，室26是压载可调的室。在本实施例中，压载控制系统80和端口81使得能够调整室26中的气体16和可变压载18的相对体积。更具体地，端口81是管21的圆柱形部21a中的靠近隔板23的开口或孔。当在海上安装结构10时，室26潜没在水11中，因此，端口81允许水11、18移动到室26中以及从室26中移出。在本实施例中，通过端口81的流动不由阀或其它流量调节装置控制，因此，端口81允许水11、18自由流入到室26中以及从室26中流出。然而，在其它实施例中，通过端口81的流动可以利用阀而受到控制，该阀被构造成在阀两端的预定压差（室26内的位于端口81附近的水18与模块20外侧的位于端口81附近的水11之间的压差）下打开。一般而言，可以采用本领域已知的任何适当的双向止回阀来控制流体（例如，水11、18或空气16）通过端口81的双向流动。这种阀优选被构造成在大约5与300psi之间、更优选在50与150psi之间的较小压差下允许双向流动。通过在端口81内包括这种阀，当端口81两端的压差不足时，限制和/或防止了水11、18通过端口81循环到室26中并从室26流出中的循环，从而提供了减小和/或消除所述室26中的空气16的损失的可能性，该空气16可以随着时间的流逝而溶解到室26内的水11、18中，然后连同该空气16所溶解到的水11、18一起循环到室26外部。通常，被吸入到室26内的水11、18中的空气16很少，然而，在非常长的时段内，可能被吸入到室26内的水11、18中并然后由于循环到室26外部而损失的空气16的量可能很大。

压载控制系统80包括空气管道82、空气供应管线83、连接到供应管线83的空气压缩机或泵84、沿着管线83的第一阀85、以及沿着管道82的第二阀86。管道82在水下延伸到室26中，并具有在海面13上方且在室26外部的排出端82a以及在室26内布置在上盖22附近的敞口端82b。阀86控制空气16通过管道82在端部82a、82b之间的流动，并且阀85控制空气16从压缩机84到室26的流动。控制系统80允许控制并改变室26中的空气16和水11、18的相对体积，从而能够控制并改变室26和与之关联的模块20的浮力。特别地，在阀86打开且阀85关闭的情况下，空气16从室26中排出，而在阀85打开且阀86关闭的情况下，空气16从压缩机84泵送到室26中。因此，端部82a用作空气出口，而端部82b既用作空气入口又用作空气出口。在阀85关闭的情况下，空气16不能泵送到室26中，并且，在阀85、86关闭的情况下，空气16不能从室26中排出。

在本实施例中，敞口端82b布置成靠近室26的上端，并且端口81被定位成靠近室26的下端。敞口端82b的这种定位使得：当该柱体处于大致竖直的直立位置（例如，在安装之后）时，空气16能够从室26中排出。特别地，由于浮力控制空气16（例如，空气）的密度比水11小，所以当模块20竖立时，室26中的任何浮力控制空气16自然会上升到室26的上部而位于所有水11、18的上方。因此，通过将端部82b定位在室26的上端处或靠近该上端，允许直接获取该室26中的任何空气16。此外，由于室26中的水11、18将处于室26中的任何空气16下方，所以，通过将端口81定位成靠近室26的下端，在限制和/或防止通过端口81的任何空气16损失的同时允许水11、18的进出。一般而言，当室26在从室26的上端到端口81的范围内均填充有空气16时，空气16将仅通过端口81离开该室26。通过将端口81定位成靠近室26的下端，也使得能够将足够体积的空气16泵送到室26中。特别地，随着室26中的空气16的体积增加，由于室26中的体积增加的空气16将排出室26中的水11、18，所以，水11、18与空气16之间的界面将在室26内向下移动，从而允许水11、18通过端口81离开该室26。然而，一旦水11、18与空气16的界面到达端口81处，室26中的空气16的体积无法进一步增加，因为任何额外的空气16都将只是通过端口81离开该室26。因此，端口81离室26的下端越近，能够泵送到室26中的空气16的体积就越大，端口81离室26的下端越远，能够泵送到室26中的空气16的体积就越小。因此，优选地，端口81沿着室26的轴向位置被选择为使得能够实现室26的最大期望浮力。

在本实施例中，管道82径向延伸穿过管21。然而，一般而言，该管道（例如，管道82）也可以延伸穿过此模块（例如，模块20）的其它部分。例如，该管道可以在通向所述压载可调室（例如，室26）的路线上轴向延伸穿过此模块（例如，穿过上端20a处的盖22或穿过隔板23）。从隔板或盖中延伸穿过的任何通道优选被完全密封。

应当理解，当端部82a、82b流体连通时，空气16将从室26中自动排出。特别地，室26中的空气16由于水11、18的静水压力而受到压缩。端部82b位于海面13处（即，在约1个大气压下）。因此，当端部82b与室26中的压缩空气16流体连通时，压缩空气16将自然地从高压区域（室26）流到低压区（端部82b），从而允许水11、18通过端口81涌入该室26中。

在不受该理论或任何特定理论限制的情况下，水11、18通过端口81的流动将取决于室26的深度和水11在该深度处的相关静水压力、以及室26中的空气16的压力（如果存在的话）。如果空气16的压力小于室26中的水11、18的压力，则空气16将受到压缩，并且额外的水11、18将通过端口81流入到室26中。然而，如果室26中的空气16的压力大于室26中的水11、18的压力，则空气16将膨胀并推压水11、18而使水11、18通过端口81排出到室26之外。因此，室26内的空气16将基于室26中的空气16与水11、18之间的任何压差而压缩和膨胀。

在本实施例中，管道82已经被描述为向室26中供应空气16以及将空气16从室26中排出。然而，如果管道82一直充满空气16，则管道82中的水下裂纹或穿孔可能导致室26中的压缩空气16通过管道82中的裂纹或穿孔而不受控制地排出，从而减小了上部模块20的浮力并潜在地影响了结构10的总体稳定性。因此，当空气16被非有意地泵送到室26中或通过阀86和端部82b从室26中排出时，管道82优选填充有最大可达端部82b处的水。管道82中的水柱与室16中的压缩空气16处于压力平衡。在不受该理论或任何特定理论限制的情况下，管道82中的水柱的静水压力将与端口81处及室26中的水11、18的静水压力相同或基本相同。如上所述，室26中的水11、18的静水压力由室26中的空气的压力平衡。因此，管道82中的水柱的静水压力也由室26中的空气的压力平衡。如果室26中的空气16的压力小于管道82中的水的静水压力，因此小于端口81处的水11的静水压力，那么，空气16将被压缩，且管道82中的水柱的高度变长，并且水11将通过端口81流入到室26中。然而，如果室26中的空气16的压力大于管道82中的水的静水压力，且因此大于端口81处的水11的静水压力，则空气16将膨胀并推压水11、18以使其通过端口81排出到室26之外，并将管道82中的水柱向上推。因此，当水在管道82中时，管道82的作用类似于U形管压力计。另外，管道82中的水柱的静水压力与管道82周围的给定深度处的水11相同或基本相同。因此，管道82中的裂纹或穿孔使得管道82内的水与管道82外侧的水流体连通，这将不会导致管道82内的水的净流入或净流出，因此，将不会扰乱管道82中的水柱高度。由于管道82中的水柱高度将保持不变，所以，即使在管道82中存在水下裂纹或穿孔的情况下，也能维持管道82中的水柱的静水压力与室26中的空气16的平衡，从而限制和/或防止了室26中的空气16通过管道82排出。为了将水从管道82中去除以向室26内可控制地供应空气16或将空气16从室26经由管道82排出，可以通过经由泵84沿着管道82泵送空气而将管道82中的水简单地吹送到室26中，或者替代地，也可使用水泵来将水从管道82中泵送出去。

现在参照图1和图5，仅示出了一个示例性模块41，当应理解为每个模块41的构造是相同的。如上文所讨论的，模块41具有：与轴线15同轴对准的中心轴线45、第一端或上端41a、以及与第一端或上端41a相反的第二端或下端41b。此外，模块41包括在上端41a和下端41b之间轴向延伸的径向外圆柱形管42、以及在每个端部41a、b处的端壁或端盖43。端盖43在每个端部41a、41b处封闭并密封该模块41。端盖43均被定向成垂直于轴线45。管42和端壁43在模块41内一起限定了可变压载室44。端盖43封闭该模块41的端部41a、41b，从而防止流体通过端部41a、41b流到室44中。因此，每个室44均与结构10中的其它室26、27、44隔离。

模块41具有在端部41a、41b之间轴向测量到的长度L41以及比D21a小的直径D41。对于布置在2,000英尺的水中并具有2,000英尺长度L10的示例性结构10来说，上部模块20具有250英尺的长度L20，并且导杆40由二十个模块41构成，每个模块41具有87.5英尺的长度L41和6至10英尺的直径D41。然而，根据该结构10的特定安装位置和期望的动力学特性，可以适当地改变和调节模块41的数量、每个模块41的长度L41和直径D41。虽然该示例被设计用于布置在2,000英尺的水中，但是一般而言，可以根据环境状况和甲板60的载重量来加长该结构10，以布置于更大的水深（例如，5,000英尺）。

在模块41的海上运送期间，可变压载室44填充有空气16，从而有助于增加每个模块41的浮力。然而，在导杆40的安装和结构10的操作期间，压载18能够以可控方式添加到任何一个或多个压载可调室44中，以减小相应的模块41、导杆40以及结构10的浮力。

仍然参照图1和图5，每个模块41中的压载控制系统100和端口101使得能够调整所选定的室44中的可变压载18的体积。更具体地，端口101是每个管42中的邻近其下端41b的开口或孔。当在海上安装结构10时，模块41潜没在水11中，因此，端口81允许水11、18移动到室44中以及从室44中移出。在本实施例中，通过端口101的流动不由阀或其它流量调节装置控制，因此，端口101允许水11、18自由流入到室44中以及从室44中流出。然而，在其它实施例中，每个端口101可以包括阀，该阀被构造成在阀两端的预定压差（室44内的位于端口101附近的水18与模块41外侧的位于端口101附近的水11之间的压差）下打开。一般而言，可以采用本领域已知的任何适当的双向止回阀来控制流体（例如，水11、18或空气16）通过端口101的双向流动。这种阀优选被构造成在大约5与300psi之间、更优选在50与150psi之间的较小压差下允许双向流动。通过在每个端口101中包括这种阀，当该端口101两端的压差不足时，限制和/或防止了水11、18通过对应的端口101流入每个室44中并从每个室44中流出的循环。这提供了减小或消除所述室44中的空气16的损失的可能性，该空气16可以随着时间的流逝而溶解到室44内的水11、18中，然后连同该空气16所溶解到的水11、18一起循环到室44外部。

压载控制系统100包括：安装在卷轴103上的空气管道102、从卷轴103延伸的空气管线104、通过空气供给管道106联接到管线103的空气压缩机或泵105、沿着管线104的第一阀107、以及沿着管道106的第二阀108。管线104与管道102流体连通并具有敞口端或排出端104b。阀107控制空气16在管道102与端部104b之间的流动，并且阀108控制空气16从压缩机104通过管线106、104到管道102中的流动。管道102从卷轴103沿着结构10在水下延伸并具有靠近其水下端或下端112a的开口或端口109。在本实施例中，管道102是能够在同时承受诸如挠性管的压缩负载和拉伸负载的同时被弯曲或折曲的半刚性软管或管线。管道102利用管道联接构件110以可移动方式联接到模块41。在该管道（例如，管道102）不需要曲折或弯曲的其它实施例中，该管道可以是包括多个刚性管接头的管柱。一个管道联接构件110从每个模块41径向延伸，在管道102沿着结构10上下移动时引导该管道102，并使得管道102能够向室44中提供气体。

现在参照图5，仅示出了一个示例性管道联接构件，但应理解为每个联接构件110的构造是相同的。联接构件110包括：引导管112，该引导管112紧固至模块的管42；和连接管道113，该连接管道113在引导管112与模块的管42之间径向延伸。引导管112在模块41的几乎整个轴向长度L41上延伸。换句话说，引导管112从上端41a处或上端41a附近的第一端或上端112a延伸到下端41b处或下端41b附近的第二端或下端112b。端部112a、112b呈喇叭状（即，具有逐渐扩大的内径），以随着管112被推动或拉动经过该端部112a、112b而帮助将管道102引导至管112中并通过管112。此外，引导管112包括端口114，该端口114布置在端部112a、112b之间并与连接管道113流体连通。连接管道113在引导管端口114与气体管线115之间提供了流动路径，该气体管线115延伸穿过管42而到达室44中。气体管线115具有联接到管道113的第一端115a和布置在室44的上部内的第二端115b。

一对环状密封件116在端口114的两个相反侧从引导管112径向向内延伸，即，一个密封件116位于端口114上方，另一个密封件116位于端口114下方。密封件116以密封方式接合管112，并在管道102延伸穿过引导管112时以密封方式接合该管道102。特别地，密封件116与管112形成环状静态密封，并与管道102形成环状动态密封。在管道102移动穿过管112时，为了确保管道102在管112中、在环状密封件116内居于中心，把具有截头圆锥形引导表面或凸轮表面118的一对环状斜面117在管112内布置在密封件116的两个相反侧，即，一个斜面117沿轴向靠近上密封件116并在上密封件16上方，另一个斜面117沿轴向靠近下密封件116相邻并在下密封件16下方。

管道102中的端口109可以定位在管112内，以使管道102经由端口114、管道113和管线115而与室44流体连通。特别地，使管道102沿轴向前进通过管112或从管112中回撤，以将管道的端口109轴向定位在环状密封件116之间，从而将管道102放置成经由端口114、管道113和管线115而与室44流体连通。

控制系统100允许控制并改变该室44中的空气16和水11、18的相对体积，从而能够调节该室44和与之关联的模块41的浮力。特别地，在阀107打开且阀108关闭的情况下，空气16可以从室44中排出，从而允许水11、18经由端口101流入到室44中（即，减少了室44中的空气16的体积，但增加了室44中的水11、18的体积）；而在阀108打开且阀107关闭的情况下，空气16可以从压缩机105泵送至室44中，从而迫使空气16进入室44中并将水11、18经由端口101推出到室44之外（即，增加了室44中的空气16的体积，但减小了室44中的水11、18的体积）。因此，端部104b用作空气出口，而端部115b既用作空气入口又用作空气出口。在阀108关闭的情况下，空气16不能泵送到室44中，并且，在阀107、108关闭的情况下，空气16不能从室44中排出。

在本实施例中，敞口端115b布置成靠近室44的上端，并且端口101被定位成靠近室44的下端。敞口端115b的这种定位使得：当该柱体处于大致竖直的直立位置时，空气16能够从室44中排出。特别地，由于浮力控制气体16（例如，空气）的密度比水11小，所以当模块41大致竖立时，室44中的任何空气16自然会上升到室44的上部而位于所有水11、18的上方。因此，通过将端部115b定位在室44的上端处或靠近该上端，允许直接获取该室44中的任何空气16。此外，由于室44中的水11、18将处于室44中的任何空气16下方，所以，通过将端口101定位成靠近室44的下端，在限制和/或防止通过端口101的任何空气16损失的同时允许水11、18的进出。一般而言，当室44在从室44的上端到端口101的范围内均填充有空气16时，空气16将仅通过端口101离开该室44。通过将端口101定位成靠近室44的下端，也使得能够将足够体积的空气16泵送到室44中。特别地，随着室44中的空气16的体积增加，由于室44中的体积增加的空气16将排出室44中的水11、18，所以，水11、18与空气16之间的界面将在室44内向下移动，从而允许水11、18通过端口101离开该室。然而，一旦水11、18与空气16的界面到达端口101处，室44中的空气16的体积无法进一步增加，这是因为：泵送到室44中的任何额外的空气16都将只是通过端口101离开该室44。因此，端口101离室44的下端越近，能够泵送到室44中的空气16的最大体积就越大，端口101离室44的下端越远，能够泵送到室44中的空气16的最大体积就越小。因此，优选地，端口101沿着室44的轴向位置被选择为使得能够实现室44中的空气16的最大期望体积和室44的由此带来的浮力。

在本实施例中，流动管线115径向延伸穿过管42。然而，一般而言，延伸到该室中的流动管线（例如，流动管线115）也可以延伸穿过此模块（例如，模块41）的其它部分。例如，该流动管线可以在通向压载可调室（例如，室44）的路线上轴向延伸穿过此模块（例如，穿过上端41a处的盖43）。从隔板或盖中延伸穿过的任何通道优选被完全密封。

在不受该理论或任何特定理论的限制的情况下，水11、18通过端口101的流动将取决于室44的深度和水11在该深度处的相关静水压力、以及室44中的空气16的压力（如果存在的话）。如果空气16的压力小于室44中的水11、18的压力，则空气16将受到压缩，并且额外的水11、18将通过端口101流入到室44中。然后，如果室44中的空气16的压力大于室44中的水11、18的压力，则空气16将膨胀并推压水11、18而使水11、18通过端口101排出到室44之外。因此，室44内的空气16将基于室44中的空气16与水11、18之间的任何压差而压缩和膨胀。

应当理解，当端部104b、115b流体连通时，空气16将从室44中自动排出。特别地，室44中的空气16由于室44中的水11、18的静水压力而受到压缩。端部104b位于海面13处（即，在约1个大气压下）。因此，当端部104b与室44中的压缩空气16流体连通时，压缩空气16将自然地从高压区（室44）流到低压区（端部104b），从而允许水11、18通过端口101涌入该室44中。

虽然图6中仅示出并描述了一个模块41和与之相关的室44，但每个模块41和与之相关的室44以同样的方式被压载和卸除压载。特别地，使管道102沿着导杆40并穿过联接构件110轴向上下移动，以将端口109定位成与应被压载或卸除压载的特定室44流体连通。以这种方式，可以独立地控制并改变每个模块41的浮力。此外，由于上部模块20包括其自身专用的压载控制系统80，所以，可以独立于模块41来调节上部模块20的浮力。因此，在任何模块20、41中发生泄漏的情况下，可以调节其它模块20、41的浮力以维持该结构10的所期望的总浮力。

在管道102沿着导杆40轴向移动时，可以使管道102从所选定的联接构件110完全移除，从而使对应的流动管线115经由管道113、端口114和管112而与周围环境流体连通。然而，对于给定的模块41，端口114、管道113、端部115a与端口101布置在相同的轴向位置（在下端41b处或靠近下端41b），因此，端口101、114处的水的静水压力是相同的。由于室44中的空气16被压缩到端口101处的水11的静水压力，所以，室44中的空气16也被压缩到端口114处的水11的静水压力。因此，当管道102从对应的联接构件110完全移除时，给定的室44内的空气16和水11、18的相对体积将保持相同或基本相同。

如图1、图2、以及图4中最佳地示出的，在本实施例中，模块20的圆柱形部21a是圆柱形的，模块20的截头圆锥形部21b是截头圆锥形的，并且每个模块41是圆柱形的。然而，一般而言，模块20、41可以具有任何适当的几何形状。此外，每个模块20、50和海上结构10的尺寸将至少部分取决于水深和期望的浮力大小。例如，每个模块20、41可以具有任何适当的轴向长度和直径。然而，在不受该理论或任何特定理论限制的情况下，随着模块的长度减小，该模块的设计压力要求也降低（即，该模块被设计为必须承受的最大压差减小了）。因此，为了降低模块的设计压力要求，可以增加模块的直径或宽度，并且可以减小模块的长度或高度。

虽然在本实施例中采用了单个压载控制系统100和管道102来选择性地控制和调节每个室44中的空气16和水11、18的相对体积，但在其它实施例中，每个室44可以具有其自身专用的压载控制系统。例如，每个室44可以具有其构造与上文描述的压载控制系统80相同的压载控制系统。作为另一个示例，可以完全省去管道102，并且可以通过使用水下ROV注入空气来对每个室44选择性地去除压载。

现在参照图1、图2、和图6，结构10利用锚30以可拆卸方式紧固至海床12。在本实施例中，锚30是吸力桩，其包括：环状圆柱形裙部31，该环状圆柱形裙部31具有中心轴线35、靠近导杆40的第一端或上端31a、远离导杆40的第二端或下端31b；以及在端部31a、31b之间轴向延伸的圆柱形空腔32。该空腔32在上端31处被盖33封闭，然而，空腔32在下端31b处向周围环境完全敞开。

如下文中将更详细描述的，在结构10的安装期间，将裙部31轴向向下推压到海床12中，而在将结构10与海床12分离以运送到另一不同的海上位置期间，可以将裙部31从海床12中轴向向上拉出。为了便于将锚30插入到海床12中以及从海床12中移出，本实施例包括吸力/注入式控制系统120。

现在参照图6，该系统120包括主流动管线或主管道121、从主管道121延伸的流体供应/吸入管线122、以及连接到管线122的注入/吸入泵123。管道121在水下沿着结构10的外侧延伸到空腔32，并具有与空腔32流体连通的上排出端121a和下敞口端121b。阀124沿着管道121布置，并控制流体（例如，泥浆、水等）通过管道121在端部121a、121b之间的流动，即，当阀124打开时，流体从空腔32自由流经管道121而到达排出端121a，而当阀124关闭时，限制和/或防止了流体从空腔32流经管道121而到达排出端121a。

泵123被构造成用于将流体（例如，水101）泵送到空腔32中以及将流体（例如，水101、泥浆、粉沙等）从空腔32中经由管线122和管道121泵送出来。阀125沿着管线122布置，并控制流体通过管线122的流动，即，当阀125打开时，泵123可以将流体经由管线122和管道121泵送到空腔32中，或将流体从空腔32中经由管道121和管线122泵送出来；而当阀125关闭时，限制和/或防止了泵123与空腔32之间的流体连通。

在本实施例中，泵123、管线122以及阀124、125轴向定位在导杆40和模块20的上方，并且可以从甲板60接近上述泵123、管线122以及阀124、125。然而，一般而言，该注入/吸入泵（例如，泵123）、吸入管线/供应管线（例如，管线122）以及所述阀（例如，阀124、125）可以布置在任何适当的位置。例如，所述泵和阀可以布置在水下和/或被远程地致动。

现在参照图7，可以采用吸力/注入式控制系统120来便于将锚30插入到海床12中和从海床12中移出。特别地，随着裙部31被推压到海床12中，可以打开阀124并关闭阀125，以允许空腔32内的、在海床12与盖33之间的水101通过管道121和排出端121a排出。为了快速将裙部31刺入到海床12中和/或为了增大吸力裙部31与海床12之间的“抓握力”，可以经由泵123、管道121和管线122向空腔32施加吸力。特别地，可以打开阀125并关闭阀124，以允许泵123将流体（例如，水、泥浆、粉砂等）从空腔32中经由管道121和管线122抽出。一旦裙部31已经刺入海床12中达到期望深度，则优选关闭所述阀124、125，以维持该锚30与海床12之间的强制接合和吸力。

为了拉动该锚30并将其从海床12中移出（例如，为了将塔100移动到另一不同的位置），可以打开阀124并关闭阀125，以排空该空腔32并减小裙部31与海床12之间的液压锁紧力。也可以通过将流体（例如，水11））经由泵123、管道121和管线122泵送到空腔32中而使裙部31从海床12中移出。特别地，可以打开阀125并关闭阀124，以允许泵123将流体通过管道121和管线122注入到空腔32中，从而升高空腔32中的压力并向上推压该锚30而使锚30从海床12移出。

如上文所述，在本实施例中，锚30是吸力桩。然而，在其它实施例中，用于将该开采结构（例如，结构10）联接至海床的锚（例如，锚30）可以包括其它适当的锚固装置或系统，包括但不限于：打入桩或重力锚。下文描述的用于将结构10以可拆卸且可枢转的方式联接到锚30的任何实施例可以与这种打入桩或重力锚一起使用。

现在参照图2和图8，基部30和导杆40利用可枢转且可拆卸的联接件90联接在一起。在本实施例中，联接件90是球-容座式连接件，其包括从盖33的上端延伸且容纳在下端40b中的凹部或空腔46内的穿刺构件36。在本实施例中，穿刺构件36包括在其上端处的球形球37，该球形球37容纳在空腔46中并然后被与之配合的锁定机构47以可拆卸方式锁定在空腔46中。特别地，锁定机构47布置在空腔46中并包括多个周向隔开的锁定块48以及多个周向隔开的致动器49。在本实施例中，设置有四个沿周向均匀隔开的锁定块48。至少一个致动器49联接到每个锁定块48并构造成使对应的锁定块48在空腔46内的径向缩回位置（图8）与空腔46内的径向前进位置（图9）之间转换。一般而言，致动器49可以包括任何适当类型的致动器，包括但不限于液压致动器。每个锁定块48具有凹状表面48a，该凹状表面48a的尺寸和构造适于与球37匹配并与球37可滑动地接合。块48的这些表面48a一起形成了用于收容球37的容座。在本实施例中，球37具有球形外表面38，因此，表面48a是以与球37的半径相等或稍大的半径布置的凹状局部球形表面。

为了以可枢转方式联接该结构10和锚30，锁定块48由致动器49径向撤回，如图8所示。接着，使球37轴向前进到空腔46中，并在球37与表面48a轴向对准的情况下将球37定位在块48之间。现在转到图9，致动器49使锁定块48从径向缩回位置转换到包围球37的径向前进位置，从而将球37捕获在表面48a之间。为了维持该锚30和结构10的联接，将锁定块48维持在径向前进位置。

在海上操作期间，采用系统80、100来调节室26、44中的压载，使得结构10保持大致竖向且直立。例如，结构10可以被构造成是净浮力的（即，结构10的总浮力超过结构10的总重量），从而使导杆40和联接件90处于张紧状态。作为另一个示例，结构10可以不构造成是净浮力的（即，结构10的总浮力小于结构10的总重量），而是上部模块20和/或选定的上部模块41构造成是净浮力的，以维持该结构10的大致竖向直立的定向。在这些实施例中，导杆40的上部处于张紧状态，而导杆40的下部和联接件90处于压缩状态。因此，该结构10与锚30之间的联接件（例如，联接件90）的实施例优选被构造成在拉伸负载和压缩负载下以可枢转且可拆卸的方式联接所述结构10。块48的、沿着球37的匹配表面38的上部和下部延伸的表面48a使得联接件90能够承受压缩负载和拉伸负载，同时又允许结构10相对于锚30枢转。无论联接件90处于张紧压缩或压缩状态，锚30始终维持与海床12的接合，并且，在允许结构10相对于基部30枢转的同时防止了结构10相对于锚30平移。

由于结构10固定到海床12且相对于海床12在单个点处（经由联接件90）被保持到位，所以，可以将结构10描述为“单点系泊”结构。通过利用致动器49使锁定块48径向缩回并然后向上提升该结构10或使结构10向上浮起而允许球37离开空腔46，可以将结构10从穿刺构件36和锚30释放并分离。一旦塔10与锚30分离，塔10可以浮动到另一不同的海上现场，并在新的现场以上文所述的相同方式利用锚30来安装。

图9示出了锚30与结构10之间的可枢转且可拆卸的联接件90的一个示例性类型。然而，也可以采用本领域已知的其它适当类型的可枢转联接件。例如，在图10A和图10B中，示出了可枢转且可拆卸的联接件90'的实施例。联接件90'是万向接头，其包括以可拆卸方式联接到下构件95'的上构件91'。上构件91'具有本体92'，该本体92'具有在其下端处的容座93'和在其上端处的可枢转铰链联接件94'。联接件94'利用穿过联接件94'中的环孔94a'的销、以可枢转方式联接到导杆40的下端，从而允许结构10相对于构件91'在与环孔94a的中心轴线垂直定向的第一平面内枢转。下构件95'具有本体96'，该本体92'具有在其上端处的穿刺构件97'和在其下端处的可枢转铰链联接件98'。下构件95'利用穿过联接件98'中的环孔98a'的销、以可枢转方式联接到锚30的上端，从而允许下构件95'相对于锚30在与环孔98a的中心轴线垂直定向成的第二平面内枢转。穿刺构件97'由容座93'收容并以可拆卸方式固定在该容座93'中。在本实施例中，采用了本领域已知的J型槽连接件以将构件97'以可拆卸方式固定在容座93'内。该J型槽连接件优选构造成使得上述第一平面（结构10被允许相对于上构件91'在该第一平面内枢转）被定向成垂直于上述第二平面（下构件95'被允许相对于锚30在该第二平面内枢转）。这种可拆卸的J型槽连接件能够承受压缩负载和拉伸负载。

适当的可枢转联接件的其它示例包括但不限于：本领域中已知的穿刺连接件、U形接头、万向节（gimbal）、或链系统或卸扣系统。此类连接件可以通过本领域已知的任何装置或机构而构造成是可拆卸的，所述装置或机构包括但不限于：J型槽连接器、球爪持器、或其它远程致动的可拆卸连接件。此外，与水下立管和绳索结合使用的可枢转且可拆卸的联接件也可用来代替上文描述的联接件90，例如可从德克萨斯州休斯顿市的OilStatesInternational,Inc.公司获得的SCR插头和拉片连接器（pull-inconnector），可从休斯顿市的OilStatesInternational,Inc.公司获得的绳索，或者可从德克萨斯州休斯顿市的VetcoGray公司获得的H-4水下连接器。

再次参照图1，甲板60安放于上部模块20的顶上。一般而言，甲板60支撑诸如泵、压缩机、阀等的与开采有关的设备。在本实施例中，上部模块20延伸到高于海面13，因此，甲板60位于海面13上方。然而，在其它实施例中，该上部模块（例如，上部模块20）和/或甲板（例如，甲板60）也可布置成大致在海面附近，但低于海面。

结构10能够以各种不同的方式组装和安装在所期望的海上位置。例如，可以将结构10在岸上或近岸被完全组装，运送到海上安装现场，并联接到锚30。图11-16中示意性示出了用于组装和安装该结构10的方法的另一个示例性实施例。首先参照图11，在本实施例中，将多个模块41在岸上或近岸以端对端的方式联接以形成导杆40，然后将导杆40运送到海上安装位置。优选将这些模块41定向和连接成使得：相邻模块41上的联接构件110被周向对准并且相邻模块41上的立管引导件72被周向对准。此外，优选将压载系统100与导杆40一起安装并在海上运送。如图11所示，可以使导杆40以水平定向自由漂浮到海上安装位置。例如，可以将模块41完全或基本上用空气16填充，并将端口101临时塞住和/或定向在海面13上方，并在端口109不与任何流动管线15流体连通的情况下使管道102延伸穿过每个联接构件110，从而防止水进入室44中，由此维持每个模块41和导杆40的正的净浮力。替代地，也可将导杆40在浮船（例如，驳船）上运送至海上安装位置，然后在该安装位置处将导杆40从该浮船上卸下（例如，通过对该浮船进行充分压载来使该浮船浮起或利用重型起重设备来提升该浮船）。

现在转向图12和图13，在所期望的海上安装位置处，对端部40b处或端部40b附近的选定模块41（例如，利用水）进行压载，以使导杆40倾斜到大致竖直定向。例如，可以首先移除端部40b附近的一个或多个模块41的端口101中的临时插塞，以允许这些特定模块41至少部分地被水涌入并向下旋转，然后移除其余的插塞。随着导杆40转换到更竖立的位置，可以采用压载控制系统100来独立地控制每个室44中的空气16和水11、18的相对体积。

现在参照图14，在岸上或近岸处将甲板60安装到上部模块20并安装压载系统80，然后，将该组件运送至海上安装现场。上部模块20和安装到该上部模块20的甲板60能够以竖直定向自由漂浮到海上安装位置，如图14所示。例如，室26可以部分地填充有空气16。在以竖直定向运送上部模块20期间，不必塞住端口81，因为在该运送期间可以使用压载系统80来调节上部模块20中的空气16和水11、18的相对体积。替代地，也可将上部模块20和安装到上部模块20的甲板60在浮船（例如，驳船）上运送至海上安装位置，然后在该安装位置处将上部模块20和甲板60从该浮船上卸下（例如，通过对该浮船进行充分压载来使该浮船浮起或利用重型起重设备来提升该浮船）。作为另一种替代方案，通过对上部模块20进行压载、将甲板60定位成横跨一对驳船并利用驳船使甲板60移动到上部模块20上方，可以将甲板60在海上（例如，在安装现场）安装到上部模块20，然后，可以对上部模块20卸除压载，以提升该甲板60而使其离开驳船。

如图15所示，在导杆40和上部模块20大致竖立的情况下，使用系统100对导杆40进行压载和/或使用系统80对上部模块20进行卸除压载，以将下端20b定位在上端40a上方。现转向图15，横向移动上部模块20和/或导杆40，以使模块20与导杆40同轴对准，然后，对上部模块20进行压载和/或对导杆40进行卸除压载，以使端部20b、40a形成接合。然后，将上部模块20牢固地附接到导杆40以形成结构10。

如上文所述，锚30将结构10固定到海床12。一般而言，锚30可以在结构10的组装之前、之后或期间安装在海上安装现场。因此，可以将锚30下沉至海底并紧固至海床12，之后再将结构10联接至锚30。例如，能够以与常规的打入桩类似的方式来安装锚30，不同之处在于：如上文所述，可以采用系统120来便于将吸力裙部31插入到海床12中。在结构10联接到锚30之前将锚30安装在海床12中的实施例中，可以使结构10在锚30上方横向移动，对结构10进行压载以使穿刺构件36前进至空腔46中，然后将锁定块48转换为径向前进位置，从而将球37捕获在空腔46内。替代地，也可先将锚30联接到结构10，然后使用结构10将锚30紧固至海床12。例如，通过对结构10进行卸除压载并采用上文描述的系统120，可以将锚30联接到导杆40的下端40b并推压到海床12中。在结构10联接到锚30并且锚30嵌入在海床12中的情况下，可以对选定的室26、44进行压载和/或卸除压载，以实现结构10的期望的总浮力和定向。

虽然图11-16中未示出，但是，在安装上部模块20和甲板60之前，可以将卷轴103、空气管线104、泵105以及阀107、108临时布置在导杆40旁边的浮船上并从该浮船上操作它们。此外，可以采用水面浮船上的升降装置或起重机和/或一个或多个水下ROV来便于结构10的组装和安装。一般而言，在安装之后将立管70联接到结构10。

现在参照图17-22，示意性地示出了用于在期望的海上位置组装该结构10的另一个示例性方法。在本实施例中，采用浮式组装浮船200在现场（即，在海上安装位置）组装和安装该结构10。如图17和图18中最佳地示出的，组装浮船200包括一对彼此平行的细长浮筒210、定位在横向间隔开的浮筒210之间的提升装置220、以及在浮筒210之间布置在提升装置220正下方的组装稳定装置230。每个浮筒210的顶侧包括甲板211，该甲板211尤其支撑工作人员、设备以及海上结构10的将利用浮船200进行组装的各个部件（例如，导杆模块41、上部模块20等）。

在本实施例中，该结构10的各个部件以从浮船200向水下延伸的竖直串接体（verticalstack）的形式来逐件组装。组装稳定装置230和提升装置220一起工作，以将轴向相邻的部件彼此堆叠地对准，以用于随后的联接。具体地，如图18-22中最佳地示出的，自底部开始构造该结构10，即，将第一导杆模块41（即，将与锚30联接的、最下方的导杆模块41）从图18所示的存放位置（stowedposition）朝着提升装置220移动，如图19所示。提升装置220联接到上端41a并将第一导杆模块41提升至大致竖直定向，如图20和图21所示。接下来，提升装置220使第一导杆模块41下降到稳定装置230中，该稳定装置230支撑第一导杆模块41，如图22所示。特别地，第一导杆模块41从稳定装置230悬垂或悬吊。在第一导杆模块41的重量由稳定装置230支撑的情况下，该提升装置220与由稳定装置230支撑的第一导杆模块41脱离，并将第二导杆模块41提升到大致竖直定向而处于稳定装置230的轴向上方，然后使该第二导杆模块41轴向向下朝着由稳定装置230支撑的第一导杆模块41降低。

如本领域技术人员将会理解的，在海上组装期间，浮船200可能随着海面13上的波浪而倾斜和摇晃。然而，优选将这些导杆模块41同轴对准，从而可以将它们以端对端的方式联接在一起以形成导杆40。在本实施例中，由提升装置220支撑的导杆模块41大致维持其竖直定向，这是因为导杆模块41由于其自身重量而从提升装置220悬垂并相对于浮船200自由移动。同样，由稳定装置230支撑的导杆模块41也大致维持其竖直定向。特别地，如图23中最佳地示出的，在本实施例中，稳定装置230是双万向节或双轴线万向节，其包括：第一万向节或外侧万向节230a，其能够相对于浮船200绕第一轴线231枢转；以及第二万向节或内侧万向节230b，其能够相对于浮船200绕第二轴线232枢转，在顶视图中，该第二轴线232垂直于第一轴线231。因此，稳定装置230允许导杆模块41从该稳定装置悬垂，以相对于浮船200绕两条正交轴线231、232枢转。为了适应不同尺寸的管和模块（例如，模块41）以及为了以可拆卸方式接合这些管和模块，内侧万向节230b的直径是可调的。例如，内侧万向节230b可以包括开口环或包括具有可调直径的其它适当结构。

简单参照图24，可以通过在万向节230a、230b与浮船200之间延伸的液压缸233来减缓和/或控制外侧万向节230a相对于浮船200的旋转和/或内侧万向节230b相对于外侧万向节230a或浮船200的旋转。液压缸233可以是被动式（即，在不受到外部控制）或主动式的（即，受到外部控制）。例如，液压缸233可以简单地减缓外侧万向节230a绕轴线231和内侧万向节230b绕轴线232的大体自由旋转，从而阻止绕轴线231、232旋转过程中的快速急剧变化。替代地，液压缸233也可由操作员或自动化系统控制，以迫使万向节230a、230b分别以特定的方式绕轴线231、232旋转，从而使导杆模块41的自由运动无效。

现在参照图25-27，示意性地示出了示例性的一对相邻导杆模块41的对准和端对端联接。在图25-27中，以附图标记41'表示的一个导杆模块41由提升装置220支撑并且定位在由附图标记41''表示的第二导杆模块41上方，该第二导杆模块41由稳定装置230支撑。该提升装置220和稳定装置230一起帮助实现这两个导杆模块41'、41''的同轴对准。

在导杆模块41'、41''基本同轴对准的情况下，使上导杆模块41'轴向下降到下导杆模块41''上，使得导杆模块41'的下端41b接合该导杆模块41''的上端41a。多个周向隔开的对准组件180用于辅助模块41'、41''在所述模块41'、41''的组装期间和组装之后的对准。特别地，优选将这些组件180定位成使相邻模块41上的联接构件110和立管引导件72周向对准。为了清晰起见，图25中并未示出联接构件110和立管引导件72。

在本实施例中，每个对准组件180均布置在管42的内表面上，并且包括：从上导杆模块41'的下端41b轴向向下延伸的多个周向隔开的阳型对准构件181；以及沿着下导杆模块41''的上端41a的多个周向隔开的、与其配合的阴型对准容座182。对准构件181和对准容座182的尺寸和构造适于配对地接合。在本实施例中，构件181和容座182是大致V形的，即，对准构件181和对准容座182分别包括相配合的倾斜引导表面181a、182a，所述引导表面181a、182a滑动地接合以将构件181引导并插入（funnel）到对应的容座182中。因此，在立管引导件72基本周向对准且联接构件110基本周向对准的情况下将上部模块41'定位在模块41''上方。接着，使模块41'下降到模块41''上，并且，表面181a、182a的滑动接合将模块41'引导至相对于模块41''而言的期望旋转定向并确保立管引导件72和联接构件110的正确对准。

再次参照图25-27，在使用上文描述的组件180进行模块41的同轴对准之后，多个周向隔开的联接组件190牢固地联接这些轴向相邻模块41。在图26和图27中，示出了用于联接该示例性模块41'、41''的组件190。在本实施例中，每个联接组件190包括：紧固至模块41'下端41b的齿条191、紧固至模块41''上端41a的齿条192、以及与这两个齿条191、192刚性地接合的齿条或有齿构件193。在组装期间，使导杆模块41'下降，直至其下端41b轴向紧靠上端41a。齿条191、192被周向定位成使得模块41'、41''的利用对准组件180实现的旋转对准引起了一个齿条191与对应的齿条192的周向对准。接着，在齿条191、192上的配合齿与有齿构件193互相啮合且刚性地接合的情况下，将有齿构件193通过螺栓连接到对应的、周向对准的齿条191、192副。一个构件193联接到一对轴向相邻且周向对准的齿条191、192并横跨在相邻模块41'、41''之间的界面上。以这种方式，将轴向相邻的导杆模块41对准并联接在一起。重复该过程，以增加额外的导杆模块41来形成导杆40。应当理解，由于导杆40由多个模块41形成，所以，在导杆40的组装期间，可以通过包括更少模块41或额外的更多模块41来改变导杆40的总高度，并因此改变结构10的高度。

虽然将提升装置220和稳定装置230示出并描述为在导杆40的组装期间使用，但应当理解，也可以采用提升装置220和稳定装置230来将上部模块20联接到导杆40。而且，虽然已经将组件180示出并描述为用来在导杆40的组装期间将示例性模块41'、41''同轴对准并可旋转地定向，并且已经将组件190示出并描述为用于在导杆40的组装期间联接该示例性模块41'、41''，但结构10的其余模块41也能够以同样的方式组装，另外，上部模块20也能够以同样的方式联接到导杆40。例如，可以使用上文描述的提升装置220、稳定装置230，对准组件180以及联接组件190将上部模块20联接到导杆40的上端40a。替代地，在形成导杆40之后，如上文所述，可以使其上安装有甲板60的上部模块20在导杆40上方浮动并对与导杆40对准，然后，使用对准组件180和联接组件190将上部模块20连接到导杆40。应当理解，仅仅通过将每个构件193从其对应的齿条191、192上移除，就可以把利用组件190联接在一起的相邻模块41以及利用组件190联接到导杆40的上部模块20分离。因此，可以将模块41描述为以可拆卸方式联接的模块，并可以将上部模块20描述为以可拆卸方式联接到导杆40。

在导杆40联接到上部模块20的情况下（在甲板安装到上部模块20且控制系统80已安装的情况下），安装浮力控制气体管道102并使其前进穿过周向对准的联接构件110。接着，如上文所述，将结构10联接到锚30并紧固至海床，并采用系统80、100来调节模块20、41的浮力，以实现结构10的所期望的、正的净浮力。

以上文描述的方式，将结构10组装并联接到基部30和海床12，用于后续的开采操作。当停止开采或希望将结构10移动到新位置时，可以通过利用致动器49将锁定块48转换到径向缩回位置、对结构10进行卸除压载并将结构10相对于穿刺构件36提升而将结构10从基部30释放。然后，可以使结构10浮动到新位置。在该新位置处，如上文所述地将结构10联接到锚30和海床12。如果新位置处的水深不同于先前位置处的水深，则可以根据需要来增加导杆模块41或从导杆40上卸除一些导杆模块41，以调节该结构10的总高度。

在上文描述的结构10的实施例中，浮力主要由上部模块20（例如，室26、27中的空气16）提供。模块41（例如，室44中的空气16）也提供一部分浮力。然而，在其它实施例中，浮力可以由联接到该结构的上部（例如，结构10的模块20）的多个周向隔开的浮力罐提供。在另一些实施例中，导杆40可以用细长桁架来代替。此类桁架对于水流和波浪而言基本可穿透，因此，减小了该开采结构上的负载，但增加了重量且不提供任何浮力。因此，在这些实施例中，依靠上部模块（例如，模块20）和/或浮力罐来为该开采结构提供足够大的浮力。

以所述的方式，本文所描述的实施例提供了一种可调高度的海上结构10，它可以在比自升式平台和固定平台所适用的水深更大的水深中使用。此外，由于本文所描述的结构10的实施例具有单点系泊和可调浮力，所以，它们可以在相对容易且成本低的情况下从一个位置移到另一个位置。

虽然已经示出并描述了多个优选实施例，但在不脱离本文的范围或教导的情况下，本领域的技术人员可以对这些优选实施例进行修改。本文所描述的实施例仅是示例性而非限制性的。本文所描述的系统、设备和过程可以有许多变型和修改，这些变型和修改也都在本发明的范围内。例如，可以改变各个零件的相对尺寸以及各个零件的制造材料和其它参数。因此，保护范围不限于本文所描述的实施例，而是仅由所附权利要求限制，并且其范围应当包括这些权利要求的主题的所有等同物。除非另外明确指出，否则，方法权利要求中的各个步骤能够以任意顺序执行。方法权利要求中的各个步骤之前的诸如（a）、（b）、（c）或（1）、（2）、（3）等的前缀并非旨在规定这些步骤的特定顺序，而是仅为了便于随后引用这些步骤。

Claims (22)

1.一种海上结构，包括：

基部，所述基部被构造成紧固至海床；

细长导杆，所述细长导杆具有纵向轴线、远离所述基部的第一端、以及以可枢转方式联接到所述基部的第二端，其中，所述细长导杆包括以端对端的方式联接在一起的多个导杆模块，其中，每个导杆模块均包括可变压载室；

上部模块，所述上部模块联接到所述细长导杆的第一端，其中，所述上部模块包括可变压载室；

第一压载控制管道，所述第一压载控制管道与所述上部模块的可变压载室流体连通，其中，所述第一压载控制管道被构造成向所述上部模块的可变压载室供应气体以及将所述气体从所述上部模块的可变压载室中排出；

第二压载控制管道，所述第二压载控制管道以可移动方式联接到所述细长导杆，其中，所述第二压载控制管道被构造成向所述导杆模块的可变压载室中的一个或多个可变压载室供应气体；以及

甲板，所述甲板安装到所述上部模块。

2.根据权利要求1所述的海上结构，其中，所述上部模块包括与所述上部模块的可变压载室流体连通的端口，其中所述端口被构造成允许水从周围环境流入所述上部模块的可变压载室中以及从所述上部模块的所述可变压载室中流出。

3.根据权利要求2所述的海上结构，其中，所述第一压载控制管道的一端布置在所述上部模块的所述可变压载室内。

4.根据权利要求3所述的海上结构，其中，所述第一压载控制管道的所述一端被定位成靠近所述上部模块的可变压载室的上端，并且，所述端口被定位成靠近所述上部模块的可变压载室的下端。

5.根据权利要求1所述的海上结构，其中，所述基部是包括吸力裙部的吸力桩。

6.根据权利要求5所述的海上结构，还包括与由所述吸力裙部限定的空腔流体连通的流体管道，其中，所述流体管道被构造成用于：将所述空腔排空；将流体泵送到所述空腔中；或将流体从所述空腔中抽出。

7.根据权利要求1所述的海上结构，其中，每个导杆模块均包括与所述上部模块的可变压载室流体连通的端口，其中，每个导杆模块中的所述端口均构造成允许水从周围环境流入相应的该导杆模块的可变压载室中以及从该导杆模块的可变压载室中流出。

8.根据权利要求1所述的海上结构，其中，所述细长导杆的第二端以可拆卸方式联接到所述基部。

9.一种用于开采一个或多个海上油气井的方法，包括如下步骤：

(a)在海上运送细长导杆和上部模块，其中，所述上部模块包括可变压载室，其中所述细长导杆包括以端对端的方式联接在一起的多个导杆模块，并且其中每个导杆模块均包括可变压载室；

(b)使所述细长导杆从水平定向转换为竖直定向；

(c)将所述上部模块附接到所述细长导杆的上端，以形成塔；

(d)对所述塔进行压载；

(e)在所述步骤(c)之后使压载控制管道沿着所述细长导杆移动，以对所述导杆模块的可变压载室中的一个或多个可变压载室进行压载或卸除压载；以及

(f)将所述塔以可枢转方式联接到在第一海上安装现场处布置在海床上的锚。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括如下步骤：

(g)对所述塔卸除压载。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述塔在所述步骤(g)之后是净浮力的，并且，所述细长导杆处于张紧状态。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述步骤(d)包括：使可变压载流入所述上部模块的可变压载室中；并且

其中，所述步骤(g)包括：使空气流入所述上部模块的可变压载室中并使所述可变压载从所述上部模块的可变压载室中流出。

13.根据权利要求9所述的方法，其中，所述锚是包括吸力裙部的吸力桩。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括：

将所述吸力裙部刺入在海床中；以及

在所述吸力裙部刺入在海床中的同时，将流体从所述吸力裙部内的空腔中泵送出来。

15.根据权利要求9所述的方法，其中，所述步骤(f)包括：将所述塔以可拆卸方式连接到所述锚。

16.根据权利要求10所述的方法，

其中，所述步骤(d)包括：使可变压载流入所述导杆模块的可变压载室中的一个或多个可变压载室中；并且

其中，所述步骤(g)包括：使空气流入所述导杆模块的可变压载室中的一个或多个可变压载室并使所述可变压载从所述导杆模块的可变压载室中的一个或多个可变压载室流出。

17.根据权利要求9所述的方法，其中，所述步骤(d)包括：允许所述上部模块的可变压载室中的气体排出并允许水通过所述上部模块中的端口流入所述上部模块的可变压载室中。

18.根据权利要求9所述的方法，还包括如下步骤：

(g)将所述塔与所述第一海上安装现场处的所述锚分离；

(h)在所述步骤(g)之后，将所述塔从所述第一海上安装现场移动到第二海上安装现场；

(i)在所述步骤(h)之后，对所述塔进行压载；

(j)在所述步骤(i)之后，将所述塔以可枢转方式联接到在所述第二海上安装现场处布置在海床上的锚。

19.一种海上结构，包括：

塔，所述塔具有纵向轴线、上端、以及与所述上端相反的下端；

其中，所述塔包括：细长导杆，所述细长导杆从所述下端延伸；上部模块，所述上部模块联接到所述细长导杆；以及甲板，所述甲板在所述上端处安装到所述上部模块；

其中，所述上部模块是净浮力的；

管道联接构件，所述管道联接构件从所述细长导杆径向向外延伸，所述管道联接构件包括与所述细长导杆联接的引导管；

第一压载控制系统，所述第一压载控制系统被构造成调节所述上部模块的浮力，所述第一压载控制系统包括第一管道；

第二压载控制系统，所述第二压载控制系统被构造成调节所述细长导杆的浮力，所述第二压载控制系统包括第二管道，所述第二管道被构造成以可移动方式由所述管道联接构件的所述引导管收容；以及

锚，所述锚被构造成紧固至海床，其中，所述锚以可拆卸且可枢转的方式联接到所述塔的下端。

20.根据权利要求19所述的海上结构，其中，所述第一管道具有布置在所述上部模块中的压载室内的下端和位于所述压载室外部的上端；

其中，所述管道联接构件的所述引导管与所述细长导杆中的第二压载室通过连接管道流体连通，所述连接管道从所述管道联接构件的所述引导管径向延伸到所述细长导杆。

21.根据权利要求20所述的海上结构，其中，所述第一管道被构造成将空气从所述上部模块中的所述压载室排出以及将压缩空气供应至所述上部模块中的所述压载室；

其中，所述第二管道被构造成将空气从所述第二压载室排出以及将压缩空气供应至所述第二压载室。

22.根据权利要求19所述的海上结构，其中，所述细长导杆包括以端对端的方式联接在一起的多个导杆模块；

其中，每个导杆模块均利用多个周向隔开的联接组件以可拆卸方式联接到相邻的导杆模块，其中，每个联接组件均包括：第一齿条，所述第一齿条联接到一个导杆模块；第二齿条，所述第二齿条联接到相邻的导杆模块；以及第三齿条，所述第三齿条刚性地接合所述第一齿条和所述第二齿条。