具有豎直板的桁架立柱式渦激振動減震的制作方法
【專利說明】具有豎直板的桁架立柱式渦激振動減震
[0001]交叉引用
[0002]本國際專利申請要求申請日為2012年9月17日，申請?zhí)枮?1/701，876的美國臨時專利申請的優(yōu)先權(quán)。
[0003]聯(lián)邦贊助研發(fā)聲明
[0004]不適用。
[0005]附錄參照
[0006]不適用。
技術(shù)領(lǐng)域
[0007]本公開涉及用于減少鉆井和開采的浮動平臺上的振動的系統(tǒng)和方法。更具體地，本公開涉及系統(tǒng)和方法，以減少浮動平臺的渦激振動，例如立柱式海上平臺。
【背景技術(shù)】
[0008]海上油和氣鉆井和開采操作通常包括一平臺，有時稱作鉆機，其上可安裝有鉆井、開采和存儲設(shè)備，如果可能還有平臺配備人員的住艙。浮動海上平臺通常用于約500ft.(大約152m)和更深的水深度，且可通過例如錨固至海底的錨繩，位于平臺的側(cè)面上的電動推進器，或者該二者而保持定位在井位上。盡管浮動海上平臺因響應(yīng)于環(huán)境情況(如風和水移動)而移動使得浮動海上平臺的操作更加復(fù)雜，然而其通常能夠比固定平臺在更深的水深度處工作。有幾種類型的已知浮動平臺，例如所謂的“鉆井船”，張力腿平臺(TLPs)，半潛式和立柱式平臺。
[0009]例如，立柱式平臺包括長的、細長的、有浮力的臺體，其在浮動于豎直、操作位置時提供柱狀或立柱式外觀，其中上部分在水線上方延伸且下部分浸沒在其下方。由于其相對細長、長形的形狀，其具有較深的吃水，且因此與其它類型的平臺相比基本上具有更好的升沉特征，例如在升沉?xí)r的更長的固有周期。因此，在很多年來一些人認為立柱式平臺是非常成功的平臺設(shè)計。用于油和氣開發(fā)、鉆井、開采、存儲和天然氣燃燒操作的立柱式浮動平臺的示例如記載在以下專利文件中，如授予Gaber的美國專利第6，213，045號；授予Copple的美國專利第5，443，330號;授予Horton的美國專利第5，197，826號和第4，740，109號；授予Horton的美國專利第4，702，321號;授予Berthet等的美國專利第4，630，968號；授予Gjerde等的美國專利第4，234，270號;授予Monnereau等的美國專利第3，510，892號；以及授予Busking的美國專利第3，360, 810號。
[0010]盡管由于立柱式海上平臺的長度，其固有地較不趨于升沉，然而仍通過將水平設(shè)置的板附接至立柱式臺體的底部且有時將板圍繞臺體的周圍而徑向地延伸而改進升沉和運動控制。在Z軸線直角坐標系中，該水平板在X-Y軸線上具有較大的寬度和長度，以及較小的高度，其中由于在海上使用時該立柱式平臺被垂直地設(shè)置，該Z軸線沿著所述立柱式平臺的長度是豎直的。授予Johnson等的美國專利第3，500, 783號公開了從所述臺體徑向地延伸的翼片，其中具有在所述臺體的底部處的升沉板，其中豎直地和徑向地延伸的減震板被圍繞所述平臺的上和下浸沒部分周向地間隔開，且水平減震板被固定至平臺的底部以阻止平臺的諧振。通過延伸立柱式平臺的長度而進行對立柱式平臺的升沉控制的進一步改進，其中開放式結(jié)構(gòu)(例如桁架)在所述臺體下方，且將水平地設(shè)置的板安裝在開放式結(jié)構(gòu)中。該桁架的開放式結(jié)構(gòu)允許水位于所述水平板的表面的上方和下方，從而水有助于減弱立柱式平臺的豎直移動。
[0011]盡管其相對成功，立柱式平臺的當前設(shè)計提供了繼續(xù)改進的空間。例如，由于其長形的、細長的形狀，其在一些情況下在海上操作過程中的管理可比其它類型的平臺更加復(fù)雜，例如在其平衡和穩(wěn)定的控制方面。具體地，由于其長形的、細長的形狀，立柱式平臺可特別易受到渦激振動(VIV)或者渦激運動(VIM)(在此都稱為“VIV”)，這可由作用在平臺的臺體上的強的水流導(dǎo)致。
[0012]更具體地，VIV是由于該流動的周期不規(guī)則性而引起的在面向外部流動的本體上的運動。流體表現(xiàn)有一些粘滯性，且圍繞諸如水中的柱體等的本體的流體流動在與其表面接觸時將形成邊界層而減慢。在一些點處，該邊界層可與本體分離。接著形成漩渦，改變沿著表面的壓力分布。當漩渦沒有相對于其中平面而圍繞本體對稱地形成時，在本體的各側(cè)面上產(chǎn)生不同的提升力，從而引起橫切于流動的運動。VIV是引起海上石油開發(fā)和開采平臺、采油管和其它結(jié)構(gòu)的疲勞損壞的重要因素。這些結(jié)構(gòu)經(jīng)受水流和頂端平臺運動二者的影響，這引起流動結(jié)構(gòu)相關(guān)運動。該相對運動可引起VIV “禁閉”(lock in) O當減小的速度Um處于根據(jù)流動情況的臨界范圍內(nèi)時，“禁閉”發(fā)生且可根據(jù)以下公式表示:
[0013]l〈Ur = u Tn/D〈12 其中:
[0014]Ur:根據(jù)錨系浮動結(jié)構(gòu)的固有周期的減小的速度
[0015]u:流體流動速度(米每秒)
[0016]Tn:在沒有流動的靜水中的浮動結(jié)構(gòu)的固有周期(秒)
[0017]D:柱的直徑或?qū)挾?米)
[0018]換言之，當渦漩分離頻率接近該結(jié)構(gòu)的固有振動頻率時，可發(fā)生禁閉。當發(fā)生禁閉時，可產(chǎn)生大規(guī)模的損壞振動。
[0019]對立柱式平臺上的VIV的通常解決方案是提供沿著臺體的外周圍的箍條。該箍條通常是分段的、螺旋形地設(shè)置的結(jié)構(gòu)，其圍繞臺體以兩排或更多條排從臺體徑向地向外延伸。箍條在減小VIV上是有效的。示例例如授予Brown等的，用于流體浸沒式臺體的“systemfor reducing hydrodynamic drag and VIV” 的美國專利號第 6，148，751 號，以及授予Richter 等的，標題為“precast, modular spar system having a cylindrical open-endedspar”的美國專利第6, 244, 785號。此外，授予Horton的美國專利第6, 953, 308號公開了從臺體徑向地延伸的箍條，和徑向地延伸的水平升沉板。在WO 2010/030342A2中公開了用于立柱式臺體的箍條設(shè)計的顯著改進，其包括例如可在安裝時展開的折疊箍條。然而，箍條可以是勞動密集的，且難以不損壞地安裝和運輸至立柱式平臺的安裝點。
[0020]在美國專利公開第2009/0114002號中公開了對渦激力和運動的不同地說明的方案，其中在非流線型本體上的表面粗糙度減小了渦激力和運動，且可被應(yīng)用至撓性或剛性柱體，例如水下管線，海底取油管，和立柱式海上平臺。
[0021]還需要提供浮動平臺的VIV的改進和更有效的減小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0022]本公開提供了以多個切向設(shè)置的側(cè)板減小渦激振動(VIV)的有效的系統(tǒng)和方法，其中切向設(shè)置的側(cè)板在橫向于沖擊側(cè)板的水流的側(cè)板的兩個面上都具有開放空間。在至少一個實施方式中，該側(cè)板可被切向地設(shè)置成圍繞立柱式平臺臺體下方的開式桁架結(jié)構(gòu)周圍，用于讓一定量的水被設(shè)置在其間。在另一個實施方式中，側(cè)板可被切向地設(shè)置成離開臺體的周圍以利用板和臺體之間的開放空間形成間隔，用于讓一定量的水設(shè)置在其之間。在各實施方式中，當橫向水流的VIV移動導(dǎo)致平臺的移動時側(cè)板使水圍繞板分離，且側(cè)板阻礙水流中平臺的VIV移動。該側(cè)板方法和系統(tǒng)可單獨使用或者可與常規(guī)的徑向延伸的箍條和徑向板結(jié)合使用。
[0023]該公開提供了用于減小在海上平臺中的渦激振動(VIV)的系統(tǒng)，包括:海上平臺的臺體；海上平臺的桁架，其被配置成至少部分地浸沒在水的表面下方，水具有水流；且一個或多個側(cè)板圍繞桁架、臺體或該二者的周圍與其切向地連接，該側(cè)板形成用于橫向于水流的板的兩側(cè)上的水的開放空間，該切向側(cè)板被配置成使得當海上平臺橫向于水流移動時引起圍繞側(cè)板的水分離，且將海上平臺中的VIV相對于海上平臺沒有切向側(cè)板時的VIV減小至少20%。
[0024]該公開還提供了用于減小在海上平臺中的渦激振動(VIV)的系統(tǒng)，包括:海上平臺的具有一直徑的臺體；所述海上平臺的桁架，其被配置成至少部分地浸沒在水的表面下方，該水具有水流；和一個或多個切向側(cè)板，其被切向地連接成圍繞所述桁架、所述臺體或該二者的周圍，所述側(cè)板形成用于在橫向于水流的板的兩側(cè)的水的開放空間，該切向側(cè)板被配置成使得當海上平臺橫向于所述水流移動時使水圍繞所述板分離，所述側(cè)板的尺寸設(shè)置成其寬度為所述直徑的至少5%，其長度為所述直徑的至少15%。
[0025]該公開還提供了用于減小海上平臺中的渦激振動(VIV)的方法，該海上平臺具有臺體；所述海上平臺的桁架被配置成至少部分地浸沒在水的表面下方，該水具有水流；且一個或多個切向側(cè)板被切向地圍繞所述桁架、所述臺體或者該二者而連接，所述切向側(cè)板形成用于在橫向于水流的板的兩側(cè)的水的開放空間，包括:當海上平臺相對于水流而橫向移動時，將水流在側(cè)板的一個或多個邊緣上分離；通過水的分離產(chǎn)生對所述桁架、所述臺