CN1053154C - 系留浮动储存船的方法和系统 - Google Patents

Abstract

提供一种在海中系储存船的方法和系统。一转台安装于一井中，井的位置在船的垂直中心线的前面。多个锚定腿设置在海床与转台之间。各锚定腿固定地连接于转台。一系留浮子固定于从转台基本上水平朝外的各锚定腿中的一个浸没位置。浮子的位置和浮力是这样选择的，即由于浮子的浮力在海中浸没处提起锚定腿，使得在连接于一转台处的通常大部分是垂直的锚定索链悬垂链的力增加了水平分量。这种水平分量的增加在船与转台之间产生足够的转矩，使得船因诸如风和激流的环境力而可旋转。因此，船可维持在位置上，在环境力的情况下维持船首方向，而不需要备用推进器或单独的转台驱动装置。此外，无论大海如何汹涌，锚定腿始终远离来自海床的井管。因此，在汹涌的大海中，储存船不必脱离锚定索链。

Description

系留浮动储存船的方法和系统

发明背景

本发明涉及一种系留浮动储存船的方法和系统，尤其涉及一种能永久地系留且能经受暴风等的浮动储存船的方法和系统。

浮动储存船的系留系统在系留系统技术领域是众所周知的，已有技术的系留系统有一个安装于船井中的转台，该转台由支承件支承而能在船井中旋转。这类转台系统总的可分为永久性的系留系统和可脱开的系留系统。在永久性系统中，转台通过锚定腿固定于海底，在可脱开系统中，转台可迅速与锚定腿分离。

可脱开的系留系统较多地用于常常发生暴风骤雨或有浮冰的海面中。有些可脱开的系留系统有一能永久性地置于海域但能与储存船的转台连接和分离的系留件或浮子。因此，在有危急的恶劣气候即将来临的情况下，储存船可脱离系留系统而移到安全的地方，直到暴风或浮冰过去为止。当暴风过去，储存船回到海域并重新连接到停留在原位的系留系统上。

在1986年8月12日授权的美国专利No.4,604,961中，一井或月池(well)设置在船的船头与船尾之间。一转台可旋转地安装在邻船底部位置的井中。系留系统与转台可连接也可脱离。一旦系留系统连接于转台后，船就能绕转台可自由移动。多个系留索链或腿连接于转台并延伸到海底。系留索链或腿通常包括链条和钢丝绳或缆索，尤其在深水的系留索链有一个作用于转台的相当重的重量。转台安装在支承件中。转台作用于支承件的摩擦力由于锚定腿的重量而相当大。尤其当船锚定在诸如超过200米深度的深水中时，锚定腿把一个相当大的垂直负荷施加于转台。许多锚定索链，例如8或10根以圆弧间隔围绕转台分开设置，而各锚定索链对转台都施加一垂直负荷。

目前，如1985年4月9日的美国专利No.4,509,448所揭示的，一系留系统用于系定带有转台的钻井船，其中多个间隔设置的锚定到海底的系留索链可释放地在可浸没的浮子处连接到一钻井船的转台上。钻井船在浸没的浮子处有一个脱开/连接系统，以便使钻井船在恶劣气候如暴风雨或类似气侯临近的情况下，可迅速脱离其系留系统，从而离开暴风雨、浮冰等的移动方向。在这种气候平息或过去之后，钻井船再开回到其系留系统并重新连接。然而转台与系留腿之间的连接和分开的专用工具和步骤是相当麻烦而复杂的。

发明概要

本发明涉及一种用来永久系留浮动储存船的系留系统，它被设计成能经受100年间的最大暴风。这种系留系统允许浮动储存船在暴风和其他恶劣天气的情况下仍留在位置上而不与系留系统分开。

本发明的系留系统包括多个等距离间置的、连接于被系船的井或池(well)中转台的锚定腿，同时各锚定腿上均设有一个浸没的浮子以支承锚定腿的至少相当一部分重量从而减少作用于转台和其支承件上的垂直负荷。该系统设计成能经受100年间的包括暴风和浮冰在内的环境条件。船的特征、系留系统的部件和环境条件彼此协调成能经受船的起伏、摆动、倾侧和摇艏。每根锚定腿都根据最大和最小锚定索链负荷设计。

各锚定腿由链条和钢丝绳与比较大的浸没式支承浮子组合而成。浸没式支承浮子至少约为20公吨，可浸没在约35至150米之间的深度，具体视诸如船的尺寸、锚定索链的数量和水深的参数而定。从海底到转台的井管设置成能把石油和气体产品从碳氢化合物生产井送到船的管道。锚定腿从转台开始在井管上方排列成伞的形状。提供具有浸没式支承浮子的锚定腿，使得井管与锚定腿在任何时候甚至在100年之间环境或暴风的最危险的情况下都不会接触。

采用浮子以支承锚定腿的本发明系留系统与传统的转台系留系统相比具有许多优点：

(1)为井管提供一较大的区域，使得在任何使用条件下在井管与锚定腿之间不会有干扰或接触。

(2)系留转台的力的偏离特性在被系船的位移范围内是线性的。因此，船的较小的移动偏离不会产生大的系统力。

(3)作用在转台的总的系统垂直负荷是小的，从而能简化设计，降低系留系统的生产成本。

(4)浸没式支承浮子改进了锚定腿的几何形状，能提供一足够大的来自锚定索链中的比较大的水平力的转矩，从而对转台的旋转运动不需要另外单独的转台驱动系统。

(5)作用在锚定腿上的波频负荷很低，从而使锚定腿和系留系统的疲劳强度降至最低。

(6)支承浮子有利于系留系统的锚定腿的安装。

(7)由于在这种安排中所固有的使力偏转的特性，可以增加锚定/锚定桩位置的安装公差而不会对系留系统的性能有不利影响。

如上所述，本发明锚定腿的轴线力曲线和净恢复力曲线对于船的移动基本上是线性的，因而能使作用在锚定腿和转台上的任何峰值负荷达到最小。非线性力的曲线对于船的比较小的偏离或移动都能在锚定腿中产生比较大的力的变化，这是人们所不希望的。

各锚定腿从转台延伸到浸没浮子，再从浸没浮子延伸到海底。在浸没浮子下面的各锚定腿的重量不会传递到转台。只有约百分之五十的支承在浸没浮子与转台之间的锚定腿的重量传递到转台。因而，只有最小的锚定腿重量传到转台。此外，与没有浸没浮子连接在锚定腿中的传统的系留船相比，浸没浮子与转台之间的锚定腿重量的水平力的分量比垂直力的分量大。作用在转台的力的水平分量提供了一相当大的转矩，该转矩使转台在没有另外单独的转台驱动装置的情况下能够旋转。

本发明的一个目的是提供一种用于浮动储存船的系留系统，该船被设计成在暴风和其他恶劣环境条件下仍可以留在位置上。

本发明的另一个目的是提供这样一种系留系统，它的从储存船的转台延伸的锚定腿由浸没式支承浮子支承，使得锚定腿作用在转台的垂直负荷达到最小。

本发明的再一个目的是提供一种系留系统，其特点是浸没式支承浮子以一对海平面比较小的角度从转台延伸。

本发明的再一个目的是提供一种石油或气体储存船，该储存船具有多个延伸到海底的井管以及多个围绕船间置的、由浸没式支承浮子支承的锚定腿，该由浮子支承的锚定腿从船四周伞状地延伸以便即使在最恶劣的环境条件下也能避免锚定腿与井管之间的任何接触，从而使得船可以始终留在其位置上而不用脱开。

本发明的其他目的、特征和优点通过下面的说明书和附图将会更加清楚。

附图简要说明

图1是本发明的一种由多根到海底的锚定腿系留的石油或气体储存船的俯视示意图；

图2是图1船的剖面示意图，它示出一固定于船并延伸到在海床的一个锚上的锚定腿；

图3是图2的局部放大图，它进一步示出锚定腿和连接锚定腿的转台的特征；以及

图4是具有朝下延伸的井管的储存船的转台的剖视图，它还示出了连接于转台的锚定腿。

发明描述

参阅附图，所示的储存石油或气体的船10浮在洋的表面或海面12上。船10有一位于海面12下的龙骨(keel)14。海床或海底用编号16表示。船10有一在其宽度中心的月池或井18。用编号20表示的转台安装在井18内可以绕一垂直轴线转动，这将在下面进一步说明。

软的井管22从转台20向下伸到海底16并连接于用编号24表示的生产井，以把石油或气体输送到储存船10作暂时储存。井管22是软的其长度足以允许船10进行预定的移动而不会对井管22有任何破坏。

总的用编号26表示的多个锚定腿围绕转台20间隔设置(在较佳实施例中以36°的圆弧间隔)，如图1所示。各锚定腿26基本上相同，包括多个连接起来的链条和钢丝绳。各锚定腿26长度的中间连接着一个用编号28表示的浸没式支承浮子，它是本发明的一个重要部分。浸没式支承浮子28的尺寸比较大，其排水量约50公吨，至少约20公吨。在大多数应用情况下35公吨左右的支承浮子28已足够使用。在支承浮子28与船10之间形成的悬垂链的链条和钢丝绳的重量以及在浮子28与海底16之间的钢丝绳和链条的重量使支承浮子28浸没于水中。支承浮子28的深度取决于浮子28的向上的浮力平衡链条和钢丝绳向下的力的平衡点。例如，浮子28的平衡深度可以是75米，而一般浸没深度的范围在约35至150米之间。

支承浮子28的深度和水平位置还被设计成当船留在位置上时，即使在船10遭受能预料到的最恶劣的暴风雨或其他环境条件下也能避免锚定腿26与井管22之间的任何接触。当支承浮子28在水中下沉时，由于位于海底16的锚定腿量的增加使得作用在这种浮子28的负荷减少。

锚定腿26的链条和钢丝绳向下的重量和所希望的浮子28的浸没深度总的确定了浮子28的大小。当然，还取决于其他因素如船的大小和类型、锚定腿的数量和25、50、75或100年间的环境状况。环境状况则包括水流、波和风的情况以及水深和可能的浮冰情况。可对浮子28增加镇重物以提供形成所需平衡深度所需要的精确的浮力。浮子28的平衡深度也将取决于锚定腿是负载最大锚定腿还是负载最小的锚定腿，而这取决于船10的拉力。最大负载锚定腿与最小负载锚定腿的浸没式支承浮子的深度差在20至25米之间，例如主要取决于锚定腿的长度。

各锚定腿26包括一连接于转台20的短的链条30和一连接在链条30与浸没浮子28之间的钢丝绳32以在船10与浮子28之间形成一悬垂链。一钢丝绳34从浮子28径向朝外朝下向海底16延伸，它在海底16上面的编号为36的地方连接于沿着海底16表面延伸的一链条38。链条38在编号40处连接于钢丝绳42，该钢丝绳42沿海床16延伸至在离开浮子28径向最远处埋入海床的锚44。

作为一个推荐系统的锚定腿的设计参数的一个例子，一140,000载重吨位，的船有十根锚定腿26，如图1所示，其中链条30的长度约为5米，钢丝绳32的长度约为200米，钢丝绳34的长度约为275米，链条38的长度约为325米，钢丝绳42的长度约为1,000米。因此，在转台20与支承浮子28之间的由链条30和钢丝绳32构成的锚定索链长度约为205米长，以便使浮子28足以与井管22水平分开并在转台20与浮子28之间提供所需的悬垂链。

如图4所示，转台20在用编号46表示的上支承组件和用编号48表示的下支承组件的绕基本上垂直的轴线旋转。支承组件46和48可以是一种合适的设计，例如揭示在S.N.07/767,026、日期为1991年9月27日、名称为“可分离的转台系留系统”的专利申请中的那种，该申请的公开内容援引在此作参考之用。链条30容纳在固定于转台20上的一支架52的管套50内。然后链条30伸出管套50，其上端锚定于转台20上的锚定支撑件54。安装在转台20内的井管导向管60连接于井管22并向上通过转台20延伸以连接于合适的管道，以便在储存船10内储存碳氢化合物或可把碳氢化合物输送到另外相邻的船，如本领域的技术人员所熟知的那样。

支承浮子28有助于对船10的移动提供一恢复力，因为各锚定腿26的大部分轴向力形成了水平分量，该水平分量提供一相当大的通过链条30作用的转矩以帮助转台20的旋转。由于锚定腿26施加于转台20的这些相当大的转矩，就不需要另外有一单独的转台驱动机构。

因而很显然，对于上述结构来讲，作用于转台20的锚定索链的垂直力不大，当船在海水的力的作用下横向移动或旋转时，垂直力可使转台20束缚于其支承件。而在本发明中，如前所述，有了通过连接于横向延伸的浮子28的链条30和钢丝绳32所作用于转台20的基本水平的力，转台上的垂直负载大大减小，从而转台将不会在垂直负载的作用下束缚于船，船10能绕基本水平系留的转台方便地摆动。

系留的船相对于通过转台连接的井管22的稳定性，通过相当长的且基本上径向延伸的从海床连接到浮子28的钢丝绳和链条而进一步得到增强，如图1所示。沿着锚定腿延伸的钢丝绳和链条30，34，40和42的主要的垂直力都作用于较大的浮子28上，事实上通过它们径向延伸，还消除了浮子的任何径向的朝内运动，从而，浮子使转台和船相对于井管得到稳定。

从图2和3可清楚地看出，较大的浮子28的这种锚定腿的布置使得它在水平方向离开井管22相当长的一段距离，而且浸没的角度比较浅，与海面约为30°，或者说，与转台的垂直轴线，也就是从井口24开始的井管22之间的角度约为60°，从而，使得浮子和锚定索链不仅与从井口24开始的基本垂直的井管而且与传统的相当软的如图所示从一较远的海底井口延伸的井管也都能很好地分开来。

上面虽然详细描述了本发明的一较佳实施例，但很显然，本领域的技术人员可以对它进行改变和适应性修改。然而完全可以理解是，这些改变和适应性修改均应落在如下面权利要求书所述的本发明的基本精神和范围之内。

Claims (12)

1.一种在海里系留浮动储存船的方法，以便在任何时候使其留在位置上而不用把船脱离系留系统，同时使船能够在环境力的作用下维持船首方向(head-ing)，所述方法包括步骤：

在所述船垂直中心线的前面位置，把一转台安装在一井(well)中的支承组件上，使得当所述船的纵向中心线不与海洋的环境力对齐时，所述转台和所述船会发生相对旋转；

通过在海床与所述转台之间设置多个锚定腿使所述船系于所述海床，各所述锚定腿固定地连接到所述转台上；

多个井管从所述转台向下延伸到海床以从在海床的生产装置中接受石油或气体；

在海床与所述转台之间的各锚定腿的一个位置处把支承浮子固定地连接到各所述锚定腿；

各锚定腿有一在所述转台与所述浮子之间的锚定腿索链，使该索链有一个能形成一悬垂链的长度，该长度足以使所述锚定腿索链与所述井管在任何时候都能分开；

把所述各浮子固定到其锚定索链，使转台的垂直轴线与悬垂链浮子之间的角度大于海面与浮子之间的角度；以及

所述浮子当连接于所述锚定腿索链时，有一个足以使所述浮子浸没在一约35与150米之间的深度的浮力，浮力与所述船的大小和所述转台匹配，以便沿着在所述转台与所述浮子之间的所述锚定腿索链的那些部分对所述转台提供得到增加的水平分力，使得当所述环境力有使所述船绕所述转台旋转的趋势时，通过所述锚定腿索链作用在所述转台的所述水平分力足够大，以使所述转台上的转矩使所述船绕着所述支承件上的所述转台旋转，而得以在所述环境力的情况下维持船首的方向，而不需要在所述船上提供动力装置来维持船首方向。

2.如权利要求1所述的方法，包括步骤：

把所述多个锚定腿安排成在所述井管上方从所述转台朝外如伞的形状，使锚定腿与所述井管分开。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，把各所述浮子固定到其锚定索链的步骤包括：固定各所述浮子，使所述第一个角度在60°数量级，所述第二个角度在30°数量级，从而增加作用在转台上的水平力。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，把各所述浮子与锚定腿固定起来的步骤包括：从浮子径向朝外延伸锚定腿索链一段距离，此距离比转台与浮子之间的距离长，从而增加作用在转台上的水平力使船相对于井管得以稳定。

5.如权利要求1所述的方法，包括步骤：

形成一条这样的锚定腿索链，该索链有一条连接于转台的短链条以及一在所述链条与所述浸没式支承浮子之间的钢丝绳，以在转台与浸没式支承浮子之间形成悬链。

6.如权利要求5所述的方法，包括步骤：

形成一第二锚定腿索链，该锚定腿索链包括：从所述浸没式支承浮子延伸至在一海床之上位置的第二钢丝绳；一来自海床的链条，其上端连接于在所述海床之上的所述第二钢丝绳下端、其下端连接于一埋入海床的锚上。

7.一种单独用锚定腿将一具有转台的浮动储存船永久系留在海里的方法，以便在任何时候使其永久性地留在位置上而不用把船快速脱离和/或快速连接于系留系统以暂时使船脱离，同时使船能够在环境力的作用下维持船首方向，所述方法包括步骤：

在所述船(10)垂直中心线的前面位置的井中，将所述转台(10)安装在一支承组件(46)上，使得当所述船的纵向中心线不与海洋的环境力对齐时，所述转台和所述船会发生相对旋转；

单单用设置在海床(16)与所述转台之间的多个锚定腿(26)使所述船系于所述海床，各所述锚定腿固定地连接到所述转台上，不用使船快速脱离和/或再连接于系留系统来暂时使船与系留系统脱离；

在海床(16)与所述转台之间的各锚定腿的一个位置处把支承浮子(28)固定地连接到各所述锚定腿(26)；

各锚定腿有一在所述转台(20)与所述浮子(28)之间的长度较长的锚定腿索链，使该索链有一个能形成一悬链的长度和方向，该悬链足以使所述锚定腿索链与所述井管在任何时候都能分开，且足以将各锚定腿轴向力的大部分引至水平分力，从而提供大的扭矩力来帮助所述转台(20)的旋转；以及

把各支承浮子浸没于在海面下面的至少约35米的深度，以在所述转台与所述浮子之间形成一悬链，所述浮子有足够的深度和离开所述转台足够的距离以使所述浮子在最大的暴风雨和最坏的环境条件下不接触船，所述锚定腿和作用在所述船的环境力对所述转台施加一足够大的转矩使所述船绕所述转台旋转而无需任何动力装置，通过由所述支承浮子和所述转台之间的悬链的作用而得以增加索链力的水平分量使所述转矩得以加大。

8.一种在任何时候被保持在位置上的永久系留浮动储存船，包括一转台，该转台在所述船的垂直中心线的前面位置的井中安装在一支承组件上，使得当所述船的纵向中心线不与海洋的环境力对齐时，所述所述船会旋转，单单用多个锚定腿来系留所述船，其中每一个锚定腿的一端固定地连接于转台，不用快速脱离或快速连接于其上以暂时使船脱离，而另一端连接于海床，若干直接由所述转台支承的井管从转台向下延伸至海床以从生产装置接受碳氢化合物，其特征在于，所述船有所改进，改进包括：

一排水量至少约为20公吨浸满浮子固定地连接在各锚定腿中，所述浮子浸没在海面下面35到140米之间的深度，以形成一在所述转台与所述浮子之间具有锚定腿的悬链，悬链的长度足以使各锚定腿在任何时候都与井管分开，且足以将各锚定腿轴向力的大部分引至水平分力，从而提供大的扭矩来帮助所述转台(20)的旋转，在所述浮子与所述锚定腿之间的各锚定腿重量的水平分力大于该锚定腿的垂直分力，每一锚定腿在所述转台(20)与所述浮子(28)之间有一长度较长的锚定腿索链，该锚定腿固定地连接于所述转台，而不用快速脱离和再快速连接于转台以暂时使船脱离，所述浮子被设计和布置成有一个与所述船和所述转台的大小匹配的浮力，以便沿着在所述转台与所述浮子之间的所述锚定腿的那些部分提供有所增加的、作用在所述转台的水平分力，使得当所述环境力趋于使所述船绕所述转台旋转时，通过所述锚定腿作用在所述转台的所述水平分力足以对所述转台提供足够大的转矩，使所述船绕在所述支承件组件上的所述转台旋转，以便在所述环境力的状况下，维持所述船的船首方向而不需要在所述船上提供动力装置来维持这种方向。

9.如权利要求8所述的浮动储存船的系留系统，其特征在于，所述浮子有至少20公吨的排水量。

10.如权利要求8所述的浮动储存船的系留系统，其特征在于，转台的垂直轴线与悬链浮子之间的角度大于海面与浮子之间的角度。

11.如权利要求10所述的浮动储存船的系留系统，其特征在于，所述第一角度在60°数量级，所述第二角度在30°数量级，从而增加对转台的水平力。

12.如权利要求10所述的浮动储存船的系留系统，其特征在于，锚定腿索链从浮子径向朝外延伸一段距离，该距离比转台与浮子之间的距离长，从而增加作用在转台上的水平力使船相对于井管得以稳定。

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