CN103270239B - 用于布置和安装海上塔的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于布置和安装海上塔的方法，包括以下步骤：(a)在具有甲板的单一船上将浮力塔的壳体运输到海上安装现场处，其中所述壳体包括第一端、与所述第一端相对的第二端以及联接到所述第二端的锚；(b)对所述船进行压载；(c)在步骤(b)期间或之后使所述壳体浮动离开所述船；(d)将所述浮力塔的干舷部支撑在安装到所述船的一对轨道上；(e)在所述一对轨道之间操纵所述壳体；(f)对所述船进行压载或对所述壳体进行卸压载；(g)在步骤(f)期间使所述干舷部提升离开所述一对轨道；(h)对所述壳体进行压载；(i)利用所述锚穿入海床；以及(j)在步骤(i)之后，允许所述塔绕所述壳体的下端纵摇。

Description

用于布置和安装海上塔的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2010年10月19日提交的标题为“Buoyant Tower(浮力塔)”的美国临时专利申请序号No.61/394,646的优先权，该美国临时专利申请在此以其整体通过引用并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及用以促进海上石油和气体钻探与开采操作的海上结构。更具体地，本发明涉及可释放地固定到海床的顺应式海上塔。

背景技术

可以采用各种类型的海上结构来钻探和/或开采海底油井和气井。通常，为具体应用选择的海上结构的类型将取决于井位置处的水深。对于小于或等于约600英尺的水深度，常常采用固定平台。固定平台包括直接锚固到海床的水泥和/或钢制导管架以及定位在海面上方并且安装到导管架的上端的甲板。

固定平台的制造和安装需要具体的基础设施和熟练的工人。例如，需要下水驳船来将导管架和甲板的部件运输至海上安装现场，需要井架驳船来对导管架的上部进行定位和提升，并且需要井架驳船来将甲板提升并且定位在导管架的顶上。此外，固定平台的安装常常需要被打入到海床中以将导管架锚固到海床的桩的安装。在更深的应用中，还必须将附加裙桩打入到海床中。在选择诸如墨西哥湾的地理位置时，常规的是制造、布置和安装固定导管架平台。因此，此种区域典型地具有经验、基础设施和熟练的工人以使得能够实现固定导管架平台来为海上钻探和/或开采提供可行的有竞争性的选项。在对固定导管架平台经验较少或没有经验的其它区域中，设施、设备、基础设施和劳工对于有效地建造、布置和安装固定导管架平台可以是不充分的。而且，甚至在具有一些制造和安装固定导管架平台的一些区域中，诸如巴西和秘鲁，预期在接下来几年中关于固定导管架平台的应用范围可能超出目前的能力。

典型地，将固定导管架平台设计成具有小于任何可评估的在海上安装现场处预期的波能的自然周期。这对于在浅水中完成是相对易容的。然而，随着水深度增加，导管架的固有柔度以及因此自然周期增加。随着水深度增加，为了将导管架的自然周期减小至预期的波能以下，通过增加导管架支腿和桩的大小和强度来加强导管架。此种改变可以进一步增加对于导管架的制造和安装的基础设施和劳工要求。

顺应式塔为具有水深度小于或等于约600英尺的海上应用提供另一个替代。顺应式塔包括直接锚固到海床的桁架结构以及定位在海面上方并且安装到桁架结构的上端的甲板。虽然桁架结构的下端被刚性地固定到海床，但是将桁架结构设计成响应于环境负载在其长度上屈曲。然而，桁架结构的下端利用打入到海床的桩被典型地固定到海床，并且因此，带来一些与固定导管架平台相同的安装挑战。

因此，在本领域中仍然存在对锚固到海床的要求较少的基础设施和专门的劳工来制造和安装的海上钻探和/或开采底基结构的需要。此种海上系统如果能够在海上以及在不同的安装现场之间相对便利地被运输，则它们是特别容易接受的。

发明内容

本领域中的这些和其它需要在一个实施例中通过钻探和/或开采海底井的海上结构来解决。在一实施例中，海上结构包括壳体，该壳体具有纵向轴线、第一端以及与第一端相对的第二端。此外，该海上结构包括锚，该锚联接到壳体的下端并且被构造将壳体固定到海床。该锚具有小于3:1的纵横比。壳体包括可变压载室和第一浮力室，可变压载室轴向地定位在壳体的第一端与第二端之间，第一浮力室定位在可变压载室与壳体的第一端之间。第一浮力室填充有气体并且相对于周围环境密封。此外，该海上结构包括压载控制管道，该压载控制管道与可变压载室流体连通并且被构造成向可变压载室供应气体。再者，该海上结构包括安装到壳体的上端的干舷部。

本领域中的这些和其它需要在另一个实施例中通过一种方法来解决。在一实施例中，该方法包括(a)将浮力塔定位在海上安装现场。该塔包括壳体、安装到壳体的第一端的干舷部以及联接到壳体的第二端的锚。此外，该方法包括：(b)对壳体进行压载。此外，该方法包括：(c)用锚穿入海床。再者，该方法包括：(d)在(c)之后，允许该塔绕该壳体的下端纵摇。

本领域中的这些和其它需要在另一个实施例中通过钻探和/或开采海底井的海上结构来解决。在一实施例中，该海上结构包括包含多个立柱的净浮力壳体。每个立柱具有纵向轴线、第一端以及与该第一端相对的第二端。每个立柱包括可变压载室和第一浮力室，该可变压载室轴向地定位在该立柱的第一端与第二端之间，该第一浮力室轴向地定位在立柱的可变压载室与第一端之间。每个立柱的第一浮力室用气体填充并且相对于周围环境密封。此外，该海上结构包括多个第一管道。第一管道中的一个与每个可变压载室流体连通并且被构造成对对应的可变压载室供应气体以及将气体从对应的可变压载室排放。此外，该海上结构包括联接到该立柱的第二端的锚。该锚被构造成将壳体固定到海床。而且，该海上结构包括安装到壳体的干舷部。

本文中所描述的实施例包括预期用以解决与某些较早的装置、系统以及方法相关联的各种缺点的特征和优势的组合。对本领域的技术人员而言，在阅读下列详细描述之后并且通过参照附图，上文描述的各个特性以及其它特征将是显而易见的。

附图说明

关于的所公开的实施例详细描述，现在将参照附图，在这些附图中：

图1是根据本文所公开的原理的海上塔的实施例的透视图；

图2是图1的塔的前视图；

图3是图2的立柱中的一个的横截面图；

图4是图2的压载可调节室的放大示意图；

图5是图2锚的放大横截面图；

图6是图2的在锚的安装或移除期间部分地穿入海床的锚的放大横截面图；

图7-18是图1的塔的海上布置、运输和安装的示意顺序图；并且

图19是图1的固定到海床并且相对于海床枢转的塔的前视图。

具体实施方式

下列讨论涉及各个示例性实施例。然而，本领域的技术人员应当理解，本文所公开的示例具有宽泛的应用，并且任何实施例的讨论仅意味着为该实施例的示例，并且不旨在暗示本公开(包括权利要求)的范围被限制于该实施例。

贯穿下列描述和权利要求所使用的某些术语用以表示具体的特征或部件。如本领域的技术人员将了解的，不同的人员可以用不同的名称表示相同的特征或部件。本文档不旨在区别在名称而非功能上不同的部件或特征。附图不一定按比例。为了清晰和简明，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，并且常规元件的一些细节可能未示出。

在下列讨论中以及在权利要求中，术语“包括”以及“包含”以开放形式使用，并且因此，应被解释为意味着“包括但不限于...”。另外，术语“联接”旨在意味着间接或直接连接。因此，如果第一装置联接到第二装置，则该连接可以是通过直接连接或通过经其它装置、部件以及连接件的间接连接。此外，如本文所使用的，术语“轴向”和“轴向地”大体意味着沿着或平行于中心轴线(例如，本体或端口的中心轴线)，而术语“径向”和“径向地”大体意味着垂直于中心轴线。举例来说，轴向距离表示沿着或平行于中心轴线测量的距离，并且径向距离意味着垂直于中心轴线测量的距离。

现在参照图1和图2，示出根据本文所公开的原理的海上塔100的实施例。塔100被示出为布置在水101中并且在海上现场处可释放地联接到海床102。因此，塔100可被称为底基结构，它被理解为，底基海上结构直接被锚固至海床并且不依靠系泊系统来维护它们在安装现场处的位置。一般而言，塔100可被布置在海上以钻探海底井眼和/或从海底井眼开采烃类。在该实施例中，塔100包括细长壳体110和在海面103上方安装到壳体110的干舷部或甲板150。

壳体110具有中央或纵向轴线115、在海面103上方延伸的第一端或上端110a以及与端110a相对的第二端或下端110b。壳体110利用联接到下端110b的锚140可释放地固定到海床102。从端110a到端110b轴向地测量的壳体110的长度L₁₁₀大于在海上安装现场处的水101的深度。因此，在下端110b布置在海床102处的情况下，上端110a在海面103上方延伸。一般而言，可以使壳体110的长度L₁₁₀变化以便在各种水深度中的安装。然而，本文中所描述的塔100的实施例具体地适应于在大于300英尺的水深度中布置和安装。

如图2中最佳地所示，壳体110包括多个细长平行的筒形立柱120。在该实施例中，壳体110包括大体以方形构造布置的四个立柱120，且每个立柱120限定方形的一个拐角。立柱120由在每一对相邻的立柱120之间径向延伸的多个剪切板121联接。

每个立柱120具有平行于轴线115的中央或纵向轴线125、在海面103上方延伸的第一端或上端120a以及与端120a相对的第二端或下端120b。上端120a与壳体上端110a是重合的，并且下端120b与壳体下端110b是重合的。甲板150附接到每个立柱120的上端120a，并且锚140从立柱120的下端120b轴向地延伸。在该实施例中，锚140相对于立柱120径向对中并且共轴地对准壳体110。如将在下文中更详细地描述的，锚140穿入海床102并且将塔100与之相固定。

每个立柱120具有在端120a、120b之间轴向地测量的长度L₁₂₀，并且锚140具有从壳体110的端110b轴向地测量的长度L₁₄₀。每个立柱120的长度L₁₂₀等于壳体110的长度L₁₁₀。此外，在侧视图(图2)中，每个立柱120具有垂直于其对应的轴线125测量的直径D₁₂₀，并且在侧视图(图2)中，锚140具有垂直于轴线115测量的直径D₁₄₀。在该实施例中，每个立柱120是相同的，并且因此，每个立柱120的长度L₁₂₀和直径D₁₂₀是相同的。

一般而言，可以将每个立柱120的长度L₁₂₀和直径D₁₂₀以及锚140的长度L₁₄₀和直径D₁₄₀定制成适于具体的安装位置和相关联的水深。对于具有大于300英尺的水深度的大多数安装位置，每个立柱120的长度L₁₂₀优选地为大于水深约20至50英尺(即，每个立柱120优选地具有20至50英尺的出水高度)；锚140的长度L₁₄₀优选地为约20至50英尺，并且更优选地约30英尺；并且直径D₁₂₀、D₁₄₀优选地在15英尺与50英尺之间，并且更优选地，约20至30英尺。对于在200英尺的水中布置的示例性塔100，每个立柱120的长度L₁₂₀为230英尺，锚的长度L₁₄₀为30英尺，并且每个立柱120和锚140的直径D₁₂₀、D₁₄₀分别为27.5英尺。

一般而言，可以依据“纵横比”来描述海底锚或桩的几何结构。此处所使用的术语“纵横比”涉及沿着锚或桩的纵向轴线轴向地测量的锚或桩的长度与垂直于锚或桩的纵向轴线测量的锚或桩的直径或最大宽度的比。因此，锚140的纵横比等于锚140的长度L₁₄₀与锚140的直径D₁₄₀的比。在本文中所描述的实施例中，锚140的纵横比优选地小于3:1，并且更优选地大于或等于1:1且小于或等于2:1。此种优选的纵横比使得锚140能够提供充分的承载能力和充分的侧向负载能力以将塔100固定至海床102并维持塔100在安装现场处的位置，同时允许塔100相对于海床102枢转，如将在下文中更详细地描述的。

现在参照图3，示意性地示出一个立柱120，它被理解成壳体110的每个立柱120被构造成相同的。在该实施例中，立柱120包括在端120a、120b之间延伸的径向外管122、分别在端120a、120b处的上和下端壁或盖123以及定位在端120a、120b之间的管122内的多个轴向地隔开隔板124。端盖123和隔板124各自被定向成垂直于轴125。管122、端壁123和隔板124一起限定在立柱120内的多个轴向地堆叠的室或单元格，即，在下端120b处的固定压载室130、与室130轴向地相邻的可变压载或压载可调节室132以及轴向地布置在上端120a与压载可调节室132之间的一对浮力室138、139。每个室130、132、138、139分别具有在其轴端之间轴向地测量的长度L₁₃₀、L₁₃₂、L₁₃₈、L₁₃₉。对于在200英尺的水中布置的并且具有230英尺的立柱长度L₁₂₀的示例性塔100，长度L₁₃₀是20英尺，长度L₁₃₂是120英尺，长度L₁₃₈是40英尺，并且长度L₁₃₉是50英尺。然而，取决于塔100的具体的安装位置和期望的动力学，可以视情况对每段长度L₁₃₀、L₁₃₂、L₁₃₈、L₁₃₉进行改变和调节。

端盖123封堵立柱120的端120a、120b，从而防止流体分别通过端120a、120b流到室130、139中。隔板124关闭室130、132、138、139的剩余端，从而防止在相邻的室130、132、138、139之间的流体连通。因此，每个室130、132、138、139与立柱120中的其它室130、132、138、139隔离。

室138、139填充有气体106并且相对于周围环境(例如，水101)密封，并且因此，在壳体110的海上运输和安装期间以及在塔100的操作期间为立柱120提供浮力。因此，室138、139也可以被称为浮力室。在该实施例中，气体106是空气，并且因此，也可以被称为空气106。如将在下文中更详细地描述的，在壳体110的海上运输期间，固定压载室130和可变压载室132也用空气106填充，从而有助于立柱120的浮力。然而，在壳体110的安装期间，室130用固定压载107(例如，水、铁矿等)填充以增加立柱120的重量，将立柱120定向成直立的，并且将锚140打入到海床102中。在利用塔100的海上钻探和/或开采操作期间，室130中的固定压载107是大体永久的(即，保持在原地)。在壳体110在海上作业现场处的安装期间，可变压载108被可控制地添加到压载填充室132以增加立柱120的重量，将立柱120定向成直立的，并且将锚140打入到海床102中。然而，不像固定压载室130，在利用塔100的海上钻探和/或开采操作期间，可以根据需要对在室130中的压载108进行可控制地改变(即，增加或减小)，以改变立柱120和壳体110的浮力。将两个浮力室138、139包括在立柱120中以在存在一个浮力室138、139的毁坏或破口、压载可调节室132的不受控制的淹水或其组合的情况下提供冗余度和浮力。在该实施例中，可变压载108是水101，并且因此，压载108也可以被称为水108。

如图2中最佳地所示，当将塔100安装在海上时，每个室130、132、138被布置在海面下方，并且室139延伸穿过海面103到干舷部150。虽然立柱120在该实施例中包括四个室130、132、138、139，但是一般而言，每个立柱(例如，每个立柱120)可以包括任何适当数量的室。优选地，至少一个室是压载可调节室，并且一个室是空的浮力室(即，用空气填充)。虽然端盖123和隔板124被描述为在室130、132、138、139的端部处提供液密密封，但是应理解，一个或多个端盖123和/或隔板124可以包括可关闭且可密封的入口(例如，人孔盖)，该入口允许受控进入一个或多个室130、132、138、139以便维护、修理和/或保养。

仍然参照图2，塔100具有浮力中心105和重心106。由于在下端120b处的室130中的固定压载的位置和在与室130相邻的室132的下部中的可变压载，以及在接近上端120a的浮力室138、139中的空气和在与室138、139相邻的室132的干舷部中的空气，在海上操作期间(即，一旦被安装)浮力中心105被轴向地定位在重心106的上方。如将在下文中更详细地描述的，当塔100在大体竖直直立位置时，该布置提供增强塔100的稳定性的可能性。

现在参照图4，示意性地示出一个压载可调节室132，它被理解成壳体110的每个压载可调节室132被构造成相同的。不像先前描述的密封的浮力室138、139，室132是压载可调节的。在该实施例中，压载控制系统160和端口161使得能够调整在室132中的可变压载108的体积。更具体地，端口161是在轴向地布置在室132的上和下轴向端之间的管122中的开口或孔。当如前面所描述的，当塔100被安装在海上时，室132浸没在水101中，并且因此，端口161允许水101、108移至室132中以及从室26移出。应理解，通过端口161的流动不受到阀或其它流量控制装置的控制。因此，端口161允许水101、108自由流入到室132中以及从室132流出。

压载控制系统160包括空气管道162、空气供应线163、空气压缩机或连接到供应线163的泵164、沿着线163的第一阀165以及沿着管道162的第二阀166。管道162在海底延伸到室132中，并且具有在海面103上方的在室132外部的排放端162a以及布置在室132内的敞开端162b。阀166控制空气106通过管道162在端162a、162b之间的流动，并且阀165控制空气106从压缩机164到室132的流动。控制系统160允许空气106和水101、108在室132中的相对体积受到控制并且变化，从而使得室132和相关联的立柱120的浮力受到控制并且变化。具体地，在阀166打开并且阀165关闭的情况下，空气106从室132被排放，并且在阀165打开且阀166关闭的情况下，空气106从压缩机164被泵送至室132中。因此，端162a用作空气出口，而端162b用作空气进口和出口两者。在阀165关闭的情况下，空气106不能被泵送至室132中，并且在阀165、166关闭的情况下，空气106不能从室132排放。

在该实施例中，敞开端162b被布置成邻近室132的上端，并且端口161被定位成邻近室132的下端。敞开端162b的该定位使得当立柱在大体竖直直立位置(例如，在安装之后)时，空气106能够从室132被排放。具体地，由于浮力控制空气106(例如，空气)的密度比水101小，所以当立柱120直立时，在室132中的任何浮力控制空气106将自然地上升至室132的上部在室132中的任何水101、108的上方。因此，将端162b定位在室132的上端处或邻近室132的上端允许直接接近在室44中的任何空气106。此外，由于室132中的水101、108将被布置在室132中的任何空气106的下方，所以将端口161定位成邻近室26的下端允许水101、108的进出，同时限制和/或防止通过端口161的任何空气106损失。一般而言，当室132从室132的上端到端口161被空气106填充时，空气106将仅通过端口161离开室132。将端口161定位成邻近室132的下端也使得能够将充分体积的空气106泵送至室132中。具体地，由于在室132中的空气106的体积增加，随着在室132中的空气106的增加的体积驱替在室132中的水101、108，水101、108与空气106之间的界面将在室132内向下移动，水11、18被允许通过端口161离开室。然而，一旦水101、108与空气106的界面达到端口161，在室132中的空气106的体积不会进一步增加，因为任何额外的空气106将仅仅通过端口161离开室132。因此，端口161离室132的下端越近，可以被泵送至室132中的空气106的体积就越大，并且端口161离室132的下端越远，可以被泵送至室132中的空气106的体积就越小。因此，端口161沿着室132的轴向位置优选地被选择以使得能够实现室132的最大期望浮力。

在该实施例中，管道162延伸通过管122。然而，一般而言，管道(例如，管道162)和端口(例如，端口161)可以延伸通过塔(例如，立柱120)的其它部分。例如，在到压载可调节室(例如，室132)的路线上，管道可以轴向地延伸通过立柱(例如，通过在上端120a处的盖123和隔板124)。延伸通过隔板或盖的任何通道(例如，端口等)优选地被完全密封。

在不受该或任何具体理论的限制的情况下，水101、108通过端口161的流动将取决于室132的深度以及在该深度处水101的相关联的静水压力以及在室132中的空气106的压力(如果存在)。如果空气106的压力小于在室132中的水101、108的压力，则空气106将受到压缩，并且额外的水101、108将通过端口161流入到室132中。然后，如果在室132中的空气106的压力大于在室132中的水101、108的压力，则空气106将使水101、108膨胀并且通过端口161将水11、18从室132推出。因此，在室132内的空气106将基于在空气106与在室132中的水101、108之间的任何压差而压缩和膨胀。

在该实施例中，管道162已经被描述为向室132供应空气106以及将空气106从室132排放。然而，如果管道162专有地一直用空气106填充，则在管道162中的海底裂纹或穿孔可能导致在室132中的压缩空气106通过在管道162中的裂纹或穿孔不受控制地排放，从而降低立柱120的浮力并且潜在地影响结构100的整体稳定性。因此，当空气106非有意地被泵送至室132中或通过阀166和端162b从室132被排放时，管道162可以用水填充直至端162b。在管道162中的水柱与在室132中的压缩空气106是压力平衡的。在不受到该或任何具体理论的限制的情况下，在管道162中的水柱的静水压力将与在端口161处以及在室132中的水101、108的静水压力相同或基本上相同。如前所述，在室132中的水101、108的静水压力由在室132中的空气的压力平衡。因此，在管道162中水柱的静水压力也由在室132中的空气的压力平衡。如果在室132中的空气106的压力小于在管道162中的水的静水压力，并且因此，小于在端口161处的水101的静水压力，则空气106将被压缩，并且在管道162中的水柱的高度变长，并且水101将通过端口161流入到室132中。然而，如果在室132中的空气106的压力大于在管道162中的水的静水压力，并且因此，大于在端口161处的水101的静水压力，则空气106将使水101、108膨胀并且通过端口161将水11、18从室132推出并且将在管道162中的水柱向上推。因此，当水在管道162中时，管道82起到类似于U形管压力计的作用。另外，在管道162中的水柱的静水压力与在给定深度处在管道162周围的水101相同或基本上相同。因此，在管道162中的裂纹或穿孔使得在管道162内的水与在管道162外部的水流体连通，将不会导致在管道162内的水的净流入或流出，并且因此，将不会扰乱在管道162中的水柱的高度。由于在管道162中的水柱的高度将仍然是相同的，所以甚至在管道162中发生海底裂纹或穿孔的情况下，在管道162中的水柱的静水压力与在室132中的空气106的平衡也会被维持，从而限制和/或防止在室132中的空气106通过管道162排放。为了将水从管道162移除以向室132可控制地供应空气106或将空气106从室132经管道162排放，在管道162中的水可以仅仅通过经泵164将空气沿着管道162泵送而吹入到室132中，或可替代地，可以使用水泵来将水从管道162泵送出。

再次参照图3，固定压载室130被设置在立柱120的下端120b处。在该实施例中，利用压载水泵133以及在海底延伸至室130的压载供应流线或管道134将固定压载107(例如，水、铁矿等)泵送至室130中。打开沿着管道134布置的阀135以将固定压载107泵送至室130中。另外，关闭阀135(例如，在利用固定压载107填充室130之前和之后)。在其它实施例中，固定压载室(例如，室130)可以仅仅包括这样的端口：一旦固定压载室被淹没在海底，该端口就允许水(例如，水101)涌入固定压载室。

虽然在该实施例中压载可调节室132以及固定压载室130是在立柱120中的不同且独立的室，但是在其它实施例中，可以不包括独立的固定压载室(例如，室130)。在此种实施例中，固定压载(例如，固定压载107)可以仅仅被布置在压载可调节室(例如，室132)的下端中。可以使用压载控制系统(例如，系统160)来向压载可调节室供应空气(空气106)、排放空气以及供应固定压载(例如，铁矿球团或颗粒)，或可替代地，可以使用独立系统来向压载可调节室供应固定压载。应理解，较高密度固定压载将沉降并且保持在压载可调节室的底部，而在压载和卸压载操作期间水和空气移至压载可调节室中或从压载可调节室移出。

现在参照图5，锚140从立柱120的下端120b轴向地延伸。在该实施例中，锚140是吸力桩，包括：环状筒形裙部141，该环状筒形裙部141具有与轴线125同轴地对准的中心轴线145、固定到壳体110的下端110b的第一端或上端141a、背离壳体110的第二端或下端141b以及在端141a、141b之间轴向地延伸的筒形腔142。腔142在上端141a处由盖143封堵，然而，腔142在下端141a处完全通向周围环境。

如将在下文中更详细地描述的，采用锚140以将壳体110以及因此塔100固定至海床102。在壳体110的安装期间，将裙部141轴向地向下推进到海床102中，并且在将壳体110从海床102移除以便运输到不同的海上位置期间，从海床102轴向地向上拉起裙部141。为了促进将锚140插入到海床102中和从海床102移除锚140，该实施例包括吸力/注入控制系统170。

仍然参照图5，系统170包括主流线或管道171、从主管道171延伸的流体供应/吸入线172以及连接至线172的喷射/吸入泵173。管道171在海底延伸到腔142，并且具有排放端171a和与腔142流体连通的下敞开端171b。阀174沿着管道171被布置，该阀174控制流体(例如，泥、水等)通过在端171a、171b之间的管道171的流动，即，当打开阀174时，流体从腔142经管道171自由流到排放端171a，并且当关闭阀124时，约束和/或防止流体从腔142流经管道171到排放端171a。

泵173被构造成将流体(例如，水101)泵送至腔142中以及将流体(例如，水101、泥、粉沙等)从腔142经线172和管道171泵送。阀175沿着线172被布置，并且控制流体通过线172的流动，即，当打开阀175时，泵173可以将流体经线172和管道171泵送至腔142中，或将流体从腔142经管道171和线172泵送；并且当关闭阀175时，在泵173与腔142之间的流体连通受到约束和/或被防止。

在该实施例中，泵173、线172以及阀174、175被轴向地定位在壳体110的上方并且可以从干舷部150被接近。此外，在该实施例中，管道171在立柱120之间轴向地延伸。换言之，管道171被布置在壳体110内并且被定位在立柱120之间的空间中。然而，一般而言，可以将喷射/吸入泵(例如，泵173)、吸力/供应线(例如，线172)以及阀(例如，阀174、175)布置在任何适当的位置。例如，可以将泵和阀布置在海底并且远程地致动。

现在参照图6，可以采用吸力/注入控制系统170来促进将锚140插入到海床102中和从海床12移除锚140。具体地，随着将裙部141推进到海床102中，可以打开阀174并且关闭阀175以允许将在腔142内在海床102与盖123之间的水101通过管道171和出端171a排放。为了加速将裙部141穿入海床102中和/或为了增强在吸力裙部141与海床102之间的“抓握”，可以将吸力经泵173、管道171和线172施加于腔142。具体地，可以打开阀175并且关闭阀174以允许泵173通过管道171和线172从腔142抽吸流体(例如，水、泥、粉砂等)。一旦裙部141已经穿入海床102到预定的深度，优选地关闭阀124、125以维持在锚140与海床102之间的强制接合和吸力。

为了拉起锚140以及将锚140从海床102移除(例如，为了将塔100移至不同的位置)，可以打开阀174并且关闭阀175以对腔142通风以及减小在裙部141与海床102之间的液力锁定。为了加快从海床102移除裙部141，可以将流体经泵173、管道171和线172泵送至腔142中。具体地，可以打开阀175并且关闭阀174以允许泵173通过管道171和线172将流体(例如，水)注入到腔142中。

再次参照图1和图2，干舷部150联接到壳体110的上端110a。如将在下文中更详细地描述的，可以将干舷部150运输至海上操作现场，与壳体110分离并且在操作现场处安装在壳体110的顶上。典型地，在钻探和/或开采操作中所使用的各个设备，诸如井架、起重机、绞车、泵、压缩机、烃加工设备、洗涤器、沉淀器等被布置在干舷部150上并且由该干舷部150支撑。

现在参照图7-15，示出塔100的海上布置和安装。在图7中，示出在海上被在船200上运输的壳体110和干舷部150；在图8-10中，示出在海上位置处被从船110卸载的壳体110；在图11和图12中，示出在海上安装现场处被从水平定向转变至直立定向的壳体110；在图13-15中，示出被安装到壳体110以形成塔100的干舷部150；并且在图16-18中，示出利用锚140被锚固至海床102的塔100。

现在参照图7，将壳体110和干舷部150独立地装载到船200的甲板201上以便海上运输。沿大体水平定向将壳体110装载到船200上。在壳体110的加载和海上运输期间，室130、132、138、139完全用空气106填充，并且因此，壳体110是净浮力。

一般而言，可以以任意适当的方式将壳体110和干舷部150装载到船200上。例如，可以利用重型起重机将壳体110和/或干舷部150装载到船200上。作为另一个实例，可以通过压载船200将壳体110和/或干舷部150加载到船200上，使得甲板201充分地淹没在海面103下方，(例如，通过浮托法或使用定位在船200的任一侧上的一对驳船)将壳体110和/或干舷部150定位在甲板201上方，然后对船200进行卸压载。由于对船200进行卸压载，所以船200与壳体110和/或干舷部150相接合，并且将壳体110和/或干舷部150从水101中提起。在该实施例中，干舷部150可移动地联接到一对平行卸载轨道202。一旦将壳体110和干舷部150装载到船200上，就可以利用船200在海上运输壳体110和干舷部150。在该实施例中，虽然壳体110和干舷部150被示出且描述为在海上在同一船200上运输，但是，应理解，也可以将壳体110和干舷部150在独立的船(例如，船200)上在海上运输。此外，由于当室130、132、138、139完全用空气106充满时，壳体110是净浮力，所以也可以使壳体110浮出到海上安装现场。

现在转向图8和图9，在海上安装现场处或靠近海上安装现场，壳体110从船200被卸载。在该实施例中，通过对船200压载来对壳体110进行卸载，直至甲板201被充分地布置在海面103下方并且浮力壳体110浮起并且在甲板201上方为止。然后，浮动壳体110被拉起背离船200，并且将浮动壳体110沿水平定向定位在具体的安装位置处，如图10中所示。

现在参照图11和图12，壳体110被从浮动水平定向转变至直立大体竖直定向。具体地，使用压载泵133和相关联的管道134用固定压载107填充室130。可以将固定压载107从诸如船200的海上船供给至泵133。由于浮力室138、139用空气填充、密封并且被布置成靠近端120a，随着在每个室130中的固定压载107的体积和重量增加，壳体110的端110b将开始向下摇摆。一旦可变压载室132的端口161变得淹没在海面103的下方，则室132将开始充满水101、108，从而进一步促进壳体110旋转至图12中所示的直立位置。可以通过打开阀166而允许室132中的空气106通过管道162排放来增强室132的淹水的程度。也可以将水108经管道162泵送至室132中。在壳体110大体直立的情况下，可以使用如先前所描述的压载控制系统160来改变在室132中的空气106和水101、108的相对体积来管理和调节壳体110的整体吃水。

现在转向图13和图14，一次干舷部150是大体直立且竖直的，就将干舷部150安装到壳体110。如图13中所示，对船200进行卸压载和/或对壳体110进行压载以相对于壳体110的上端110a升高干舷部150的位置。可以通过仅仅从室132排放空气106并且允许水101、108经端口161流入到室132中来对壳体110进行压载。接着，如图14中所示，操纵船200和/或壳体110以将轨道202定位在壳体110的相对的侧上，并且使干舷部150沿着轨道202前进，直至它被定位在壳体110的正上方为止。在将干舷部150充分地定位在上端110a的上方的情况下，对壳体110进行卸压载和/或对船200进行压载，使得壳体110相对于干舷部150向上移动，接合干舷部150，并且从轨道202提升干舷部150，从而使干舷部150与壳体110匹配并且形成塔100。通过增加在室132中的空气106的体积并且减少水101、108的体积来对壳体110进行卸压载。此时，塔100是净浮力并且可以被横向地调节或移动以将它定位具体的安装现场的上方，如图5中所示。虽然干舷部150被示出为经图13和图14中的轨道202安装到壳体110的上端110a，但是在其它实施例中，可以使用其它合适的手段将干舷部150安装到壳体110。例如，干舷部150可以由两个隔开的驳船支撑，对壳体110进行压载，由在壳体110上方的驳船(且驳船布置在壳体110的任一侧上)来操纵干舷部150，然后对壳体110进行卸压载以从驳船提升干舷部150。

现在参照图16-18，在安装现场处，对壳体110进行压载以将塔100降低至与海床102相接合并且将裙部141推入到海床102中。可以采用系统170来对腔142施加吸力以及促进裙部141穿入海床102中。在锚140充分地嵌入海床102的情况下，根据需要，通过控制在室132中的空气106和水101、108的相对体积来调节塔100的总重量和浮力。在本文中所描述的实施例中，在室中的空气106和水101、108的相对体积优选地受到控制，使得在锚140上的向下负载在足以维持锚140与海床102的接合的同时被最小化。具体地，塔100的总重量优选地超出塔100的总浮力约250至1000吨，并且更优选地约500吨，以确保裙部141穿入到海床102中在后续钻探和/或开采操作期间得到维持。根据需要，通过使用先前描述的压载控制系统160对壳体110进行压载和卸压载，可以改变和控制施加到裙部141的总负载(即，塔100的总重量与总浮力之间的差)。

如图19中最佳地所示，相对小的净向下力结合浮力中心105被定位在重心106的上方，允许塔100响应于环境负载(例如，风、波浪、水流、地震等)相对于海床102从竖直方向枢转或纵摇。在图19中，塔100被示出为以从竖直方向测量的纵摇角θ定向。重心106与浮力中心105的位置之间的关系确定塔100的纵摇过稳性和最大纵摇角θ。一般而言，纵摇过稳性和最大纵摇角θ是相反关系。因此，随着纵摇过稳性增加(即，纵摇的阻力增加)，最大纵摇角θ减小；并且随着纵摇过稳性减小，最大纵摇角θ增加。可以通过调节在室132中的空气106和水101、108的相对体积来改变和控制纵摇过稳性和最大纵摇角θ以控制重心106和浮力中心105的位置。例如，随着在室132中的水101、108的体积增加并且在室132中的空气106减少，浮力中心105向上移动并且重心106向下移动；并且随着在室132中的水101、108的体积减小并且在室132中的空气106增加，浮力中心105向下移动并且重心106向上移动。随着重心106和浮力中心105被移开(即，使重心106向下移动，并且使浮力中心105向上移动)，纵摇过稳性增加并且最大纵摇角θ减小；然而，随着重心106和浮力中心105朝彼此移动(即，使重心106向上移动，并且使浮力中心105向下移动)，纵摇过稳性和最大纵摇角θ增加。因此，通过控制在室132中的空气106和水101、108的相对体积，可以控制纵摇过稳性和最大纵摇角θ。对于本文中所描述的实施例，最大纵摇角θ优选地小于或等于10°。

如前面所描述的，本文中所描述的塔100的实施例具有定位在重心106的上方的浮力中心105，从而使得塔100能够响应于环境负载并且展示有利的类似于浮动Spar平台的稳定特性，所述浮动Spar平台也具有布置于它们的重心上方的浮力中心。浮动Spar平台绕其海底壳体的下端纵摇，且其侧向位置利用系泊系统被维持。类似地，塔100的实施例绕壳体110的下端110b自由地纵摇。然而，下端110b利用锚140被直接固定至海床102，由此对塔100的侧向移动提供阻力。如先前所描述的置放在锚140上的相对小的竖直负载(例如，250至1000吨)用于确保塔100具有足够的侧向负载能力以抵抗环境负载，而不会脱离海床102或横向移动。应理解，这与通常置于纯压缩(固定平台和顺应式塔)或纯张紧(张紧支腿平台)中的最常规海上结构形成鲜明对比。因此，塔100的动态特性与此种常规海上结构不同。

如前面所描述的，在本文中所描述的实施例，因为塔100提供显著的浮力，所以锚140遭受相对较小的竖直负载。此外，由于塔100从竖直方向绕下端110b枢转，所以锚140充当枢转关节。吸力裙部141提供了基于海床102处的土壤的硬度来设计和操作的相对简单的机械装置(例如，可以调节穿入到海床102中的深度)。换言之，如果在海床102处的土壤具有高硬度，则可以将裙部141部分地嵌入海床102中，并且另一方面，如果在海床102处的土壤具有低硬度，因此可以将裙部141完全嵌入海床102中。换言之，裙部141到海床102中的穿入深度可以由在海床102处的土壤的硬度来指定以使得能够实现塔100的期望的动态特性(例如，纵摇过稳性、最大纵摇角θ、自然周期等)。这种对海床处的土壤的一些固有柔度进行平衡(leveraging)以为塔100提供纵摇柔度的方法提供了优于在海床处的复杂铰接机械连接部的潜在优势，所述机械连接部对于铰接塔而言可能是不可靠的和/或弱点。

继在第一海上安装现场处的海上钻探和/或开采操作之后，塔100可以从海床102被提升，被移至第二安装现场，并且被安装在第二安装现场处。一般而言，通过以与安装塔100所采取的步骤相反的顺序来从海床102提升塔100。即，对壳体110进行卸压载，使得塔100是轻微净浮力。通过将空气106泵送到室132中并且强制水101、108通过端口161从室132出来而对壳体110进行卸压载。接着，(通过打开阀174)对腔142通风以减小在裙部141与海床102之间的液力锁紧，并且允许塔100向上升并且从海床102拉起锚140。替代地，可以利用注入泵173将流体(例如，水)泵送到腔142中以相对于海床102向上推进裙部141。取决于净浮力，以及腔的通风或流体到腔142中的注入，塔100上升，并且锚140被从海床拉起。此时，塔100是自由浮动并且可以被拖曳到第二安装位置并且被以与先前所描述的相同的方式安装。

以所描述的方式，本文中所描述的实施例(例如，塔100)包括具有多个蜂窝筒形立柱(例如，包括不同且独立的室130、132、138、139的立柱120)的壳体(例如，壳体110)。与用于固定平台的最常规的导管架和用于顺应式塔的桁架结构相比，此种蜂窝立柱提供了增强制造和安装效率的可能性，特别是在经验和技能资源受限的地理区域中。此外，从布置、安装和操作角度而言，本文中所描述的实施例提供优于固定导管架平台的多个优势。具体地，不需要起重驳船来提升甲板(例如，甲板150)，因为壳体(例如，壳体110)被构造成用于在漂浮状态下或在壳体已被放置在适当的位置时简单地安装甲板。此外，不需要下水驳船，因为壳体能够浮动离开运输船(例如，船200)，并且不需要起重驳船，因为它是经压载控制系统的操作而自竖立的(self-upending)。

虽然已经示出并且描述了优选的实施例，但是在不脱离本文的范围或教义的情况下，本领域的技术人员可以作出这些优选实施例的修改。本文所描述的实施例仅是示例性的并且不是限制性的。本文所描述的系统、装置和过程的许多变化和修改是可能的并且是在本发明的范围内。例如，可以改变各个零件的相对尺寸以及制成各个零件的材料和其它参数。因此，保护的范围并不限于本文所描述的实施例，而仅受到随后的权利要求的限制，并且权利要求的范围将包括权利要求的主题的所有等同物。除非另外明确地陈述，可以以任何顺序执行在权利要求的方法中的步骤。在方法权利要求中的步骤之前的诸如(a)、(b)、(c)或(1)、(2)、(3)的标识符的列举不旨在并且不指定这些步骤的具体顺序，而是仅被用作这些步骤的后续引用。

Claims (14)

1.一种用于布置和安装海上塔的方法，包括以下步骤：

(a)将壳体支撑在单一船的甲板上，并且将干舷部支撑在安装到所述船的一对轨道上，其中所述壳体包括第一端、与所述第一端相对的第二端以及联接到所述第二端的锚；

(b)在所述船上将所述壳体和所述干舷部运输到海上安装现场处；

(c)对所述船进行压载；

(d)在步骤(c)期间或之后使所述壳体浮动离开所述船；

(e)将所述壳体操纵在所述一对轨道之间；

(f)对所述船进行压载或对所述壳体进行卸压载；

(g)在步骤(f)期间使所述干舷部与所述壳体一起提升离开所述一对轨道以形成浮力塔；

(h)对所述壳体进行压载以降低所述浮力塔；

(i)利用所述锚穿入海床；以及

(j)在步骤(i)之后，允许所述浮力塔绕所述壳体的下端纵摇。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(j)包括允许所述塔相对于竖直方向纵摇小于10°的最大纵摇角。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述锚具有小于3:1的纵横比。

4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：

在步骤(d)期间使所述壳体在海面上沿水平定向浮动；

在步骤(d)之后且在步骤(e)之前将所述壳体从水平定向转变到竖直定向，且所述第一端布置在所述第二端上方。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述壳体包括可变压载室和第一浮力室，所述可变压载室轴向地定位在所述第一端与所述第二端之间，所述第一浮力室定位在所述可变压载室与所述第一端之间；

其中，将所述壳体从水平定向转变到竖直定向包括使可变压载流入到所述可变压载室中。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述锚是吸力桩，所述吸力桩从所述壳体的所述第二端轴向地延伸；

其中步骤(i)包括：

(i1)利用吸力裙部穿入海床；以及

(i2)在步骤(i1)期间从所述吸力裙部内的腔泵送流体。

7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括步骤：

(k)在步骤(j)之后对所述壳体卸压载；以及

(l)将所述锚从所述海床拉起。

8.根据权利要求7所述的方法，其中步骤(h)包括增加所述壳体中的可变压载的体积。

9.根据权利要求8所述的方法，其中步骤(h)包括允许将所述壳体中的气体排放以及允许水通过所述壳体中的端口流入到所述壳体中。

10.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：

在步骤(l)期间将流体泵送至所述腔中。

11.根据权利要求10所述的方法，其中步骤(k)包括减小所述壳体中的可变压载的体积。

12.根据权利要求11所述的方法，其中步骤(k)包括将气体泵送至所述壳体中以及允许水通过所述壳体中的端口从所述壳体流出。

13.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在步骤(j)期间在所述锚上维持250吨至1000吨的向下竖直负载。

14.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(b)包括将所述船的所述甲板淹没在海面下方。