浮动的海上结构及浮动元件 【技术领域】
本发明涉及一种浮动的海上结构，它包括一用于悬挂立管结构的悬吊机构，悬吊机构被布置成用于传递由立管结构施加到海上结构上的向下的力；以及一提升机构，提升机构用于支承立管结构和一导向件，导向件在使用中靠近水面延伸。
背景技术
US3,858,401号专利公开了这样一种海上结构，该海上结构包括一提升机构，该提升机构支承由多个接收气体的浮动腔构成的立管结构。
US3,017,934号专利公开了一种浮动的海上结构，该海上机构带有一个不是布置成用于传递向下力的立管结构的伸缩连接件，该海上结构包括一个在使用中靠近水面延伸的导向件，导向件带有一个与立管结构连接的浮体。在使用当中，通过使导向件沿轴向移动到从海上结构悬挂的管形竖筒内，伸缩连接件可以从固定的浮体延伸到立管结构的上部分段。
根据US3,858,401的海上结构常常在海上勘探以及准备在水下相对较深的海底的某一位置勘探自然资源的海底油井中使用。为了能到达油井，通常将钻探船或者半潜式的浮动的海上结构定位在油井之上的水表面上。然后，从飘浮的海上结构使立管下降，与一个已经固定在海底的止动阀连接，立管构成一个保护管，在勘探油井过程中，钻井工具通过该管下降，在勘探资源时，自然资源可以不与水接触地从油井传送到海上结构。
立管结构通常由在下降过程中连接起来、在提升过程中又分开的立管分段构成。通常，这种情况涉及到立管结构在一个管分段的长度上借助构成悬吊机构一部分的提升机构而分别作的上下移动。由于海底相对水面非常深，海上结构不能象不浮动的海上结构那样，由在海底的支架支承，而是通过地基锚固或者动态固定装置使海上结构浮动地定位在油井上面。为了使海上结构能够随着水面的海浪运动相对立管结构运动，通常悬吊机构包括一接收立管结构的夹持联接装置，该立管结构通过伸缩筒和/或一个设计成沿滑轮运行的缆索的拉伸系统与海上结构连接，悬吊机构传递由下降的立管结构施加到海上结构上的向下的力。海上结构必需具有足够的浮力，才能补偿由立管施加的向下的力。
因为在相对浅的海底的油井已经枯竭，急需的是能够对相对深的海底的油井进行勘探和准备勘探。尤其是，现在特别希望能够对水面1500米以下的海底油井进行勘探。
由此必然产生的问题是：所需立管结构比较长，施加到海上结构的向下的力比较大，因此，悬吊机构的设计重量就必然较大，而海上结构也要有较大的浮力。特别是，这样会大大提高制造成本和海上装置的操作成本。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种本文开头所述的克服了上述缺点的海上结构。为此，本发明所述的海上结构包括：一用于悬挂立管结构的悬吊机构，悬吊机构被布置成用于传递由立管结构施加到海上结构上的向下的力；以及一提升机构，提升机构用于支承立管结构和一导向件，导向件在使用中靠近水面延伸，其特征在于，悬吊机构还包括一个布置成在导向件内沿轴向运动的浮体，浮体设置有接收立管结构的联接装置，并且悬吊机构还包括一个将导向件连接到浮体上的长度可调节的连接装置。由浮体附加浮力所获得的效果是可以大大减小由立管结构通过悬吊机构施加到浮动的海上结构上的向下的力，因此悬吊机构可以是较简单的设计，而且海上结构的浮力也可以小些。由于浮体是沿轴线运动的布置，该浮体可以沿着导向件往复运动，当该浮体与立管结构连接时，能使浮动的海上结构随着水面海浪运动。而且，例如由潮流或风力引起的在海上结构和立管结构之间的水平力，即基本上在水面上或者平行于水面的力，都可以由导向件承受。结果，由于此时导向件基本上沿垂直方向或基本上沿与水面垂直的方向被加载，就可以大大简化在立管或浮体和海上结构之间的竖直的可调节连接件的设计。
在优选的实施例中，导向件包括一导管，浮体包括一设置有浮动腔的细长套筒，该套筒安装在导管内作轴向运动。因此，所得到的特别的结果是：在浮体和海上结构之间、与运动方向垂直的方向上可以具有适当的动力传输，并且能够以简单的方式实现可靠的导向。尤其是，在本实施例中，可以更高效地实现上述横向力传输。
在另一个实施例中，浮动腔容纳在导向件内，以防止其沿轴线旋转。由此产生的结果是：能够降低由于海上结构随水面的海浪运动而引起的立管结构的扭矩累积的机会。
在又一个实施例中，本发明的海上结构的特点在于：浮动腔设置有可控制的平衡装置。由此所产生的结果是：可以支持立管结构相对于海上结构所作的上下运动。这一点在对由立管分段构成的立管结构的组装或拆开的过程中、立管结构相对海上结构上下运动过程中是特别有利的。
在再一个实施例中，本发明的海上结构的特点在于：浮动元件具有一个引导立管从其穿过的中心孔。由此所产生的结果是：立管结构在下降当中，能够以预定的角度下降。优选的是，中心孔的侧壁相对于导向件的纵轴线沿向下的方向偏离1-6°，最好是3°。为了减少侧壁损伤立管结构的可能性，可以在侧壁上设置一保护装置，例如设置一橡胶衬里。
在再一个实施例中，浮体可拆卸地与导向件连接。由此产生的结果是：海上结构可以与带有立管结构的浮体脱开。特别需要指出的是，带有浮体的立管结构可以浮动地保持在油井上面，而带有导向件的海上结构可以象单个件那样移动。
在再一个实施例中，本发明中的海上结构包括一个其高度是可调的以到达水面之上某一位置的导向件。由此产生的结果是：在没有立管结构时，可以将导向件调整到水面上的某一位置，因而在行进当中，可以获得更有利的流体阻力。
本发明还涉及一种用于或适合包括在海上结构内的浮体，所述海上结构包括一用于悬挂立管结构的悬吊机构，悬吊机构被布置成用于传递由立管结构施加到海上结构上的向下的力；以及一提升机构，提升机构用于支承立管结构和一导向件，导向件在使用中靠近水面延伸，其中，浮体布置成在导向件内沿轴向运动，并且悬吊机构还包括一个将导向件连接到浮体上的长度可调节的连接装置；浮体包括：一套筒，该套筒在上侧面和下侧面附近被封闭，并具有一浮动腔，该浮动腔具有一中心孔，该中心孔具有引导立管结构从其穿过的侧壁，以及一用于接收立管结构的联接装置。
【附图说明】
下面，参照图中所示的一些说明性的实施例说明本发明。
图1是本发明浮动的海上结构的第一实施例的前视图；
图2a是图1所示的海上结构的浮体的前视图；
图2b是图2a中浮体的顶视平面图；
图3a、3b和3c分别是本发明的浮动的海上结构的第二实施例分别在工作位置、运输位置和脱开位置的前视图；
图4是本发明中浮动的海上结构的第三实施例的侧视图；以及
图5是本发明中浮动的海上结构的第四实施例的侧视图。
【具体实施方式】
可以看出，图中只是示意性地表示出本发明的优选实施例。在图中，相应或相同的元件用相同的附图标记表示。
图1所示的浮动的海上结构1是半潜式的。该半潜式结构包括：一工作平台2，该平台通过支柱3与浮体4连接。借助于浮体4，半潜式结构1可以从浮体通常至少部分地位于水面5之上的运输位置下沉到图中所示的浮体4在水面5以下的半下沉的工作位置。在图中所示的工作位置，半潜式结构仍然浮动在水面上，但是该浮体不太快的随着水面5的海浪波动。在该工作位置，立管结构6可以借助于悬吊机构7沿箭头8的方向从工作平台2下降到海底。
悬吊机构7包括：一安装在钻井架9中的现有类型的提升机构。借助该提升机构，可以用已知方法将立管结构的分段10从工作平台2传送出来，用下面将详细说明的方法将它们连接形成一立管结构6。悬吊机构包括一导向件11，该导向件至少在工作位置过程中靠近水面并基本上与水面垂直地延伸。在该示例性的实施例中，导向件11是一个矩形截面的导管。一浮体安装在导向件11内，该浮体可沿轴向运动即基本上沿与水面5垂直的方向运动。浮体12设置了一个与立管结构6联接的联接装置13。
借助可调节长度的连接装置14，浮体12与导向件11连接，此时设计成一个可伸缩的连接装置。
附图2a和2b表示出浮体12。浮体12包括一矩形截面的套筒15，该套筒15的顶侧面16和底侧面17封闭，形成一浮动腔18。套筒17呈矩形截面的作用是：使容纳在导向件11内的浮体12不能沿轴线旋转。浮体12设置有一个引导立管结构6的分段10穿过的中心孔19。借助联接装置13，浮体12可以通过夹紧方式夹紧在立管结构6的上部分段10上。当然，也可以采用其它的连接方法连接。采用万向节结构的联接装置13所得到的效果是：被夹紧的立管结构6可以围绕枢轴20和21相对于浮体12稍作转动。由于中心孔基本上沿着与水面5垂直的方向延伸并且具有相对中心孔的纵轴线沿箭头8的方向偏离大约3°的侧壁，在下降过程中，该中心孔以适当的角度向下引导立管结构的连续分段。
在本实施例中，可以优先选用荷兰专利申请1008311号中所述的立管分段，这是因为它们不仅自身具有浮力，而且邻近的外圆周也被保护，从而能够与导向件的侧壁适当配合。
浮动腔18设置有图中示意性表示出的可控制的平衡装置22，可以对最终作用在浮体12上的向上的力进行控制。通过将可控制的平衡装置22设计成用于供应和排出加压的气体和水的阀，就能够以简单的方式起到上述作用。利用可控制的平衡装置22，可以支持浮体12在导向件11内的上下运动。容纳在导向件11内的浮体12借助于导向轮23或者类似的导向部件，可以方便地在导向件11内作轴向运动。
在图1所示的工作位置，立管结构6借助联接装置13与浮体12连接。浮体12所产生的向上的力能够大大补偿立管结构6所产生的向下的力。因此，对悬吊机构7，特别是伸缩连接装置14和提升机构以及整个半潜式结构的整个结构而言，都可以是显著较轻的设计，同时浮体4的浮力可以选定的相当小。而且，导向件11基本上在水面5上或者与水面5平行地承受力，因此，伸缩连接装置主要沿与水面5垂直的方向被加载，这样可以大大简化设计方案。特别是，在带有安装在立管相对侧面上的伸缩筒的操作过程中，其收缩和伸出一相同长度，从而使设计大大简化。由此可以看出，通过这种导向件，立管与海上结构的连接可以由自身来实现，而无须浮体。
附图3a、3b和3c表示出本发明中浮动的海上结构1的第二实施例。在此，浮动的海上结构1也设计为半潜式的。图3a表示处于工作位置的半潜式结构，图3b表示处于运输位置的半潜式结构。导向装置11借助伸缩筒24与海上装置连接，从而高度可调节的将导向装置调到水面5以上的位置。当然，也可以采用其他型式的可调节的连接装置。在运输位置，导向装置11可以随着浮体12被提升到水面上的某一位置，从而减小运输中的流动阻力且降低海上结构1倾翻的危险程度。而且，在本实施例中，浮体12通过联接装置可拆卸地与导向件11联接，在图3a所示的工作位置可以看到，浮体12可以脱开，使浮动的海上结构1进入工作位置，并且，浮动的海上结构1可随着被提升的导向件11移动，而将浮体12留下。可以理解，浮体和导向件或者海上结构之间的可拆卸连接方式还可以应用到其它变型的结构中。
图4表示本发明中浮动的海上结构的第三种变型的结构。在该变型中，浮动的海上结构设计成一条钻探船。钻探船包括一船体25和驱动装置26。船体25是一种常用型式的船体，在船体上设置有一导向管11，该导向管基本上与水面5垂直，容纳在导向管内的浮体12可沿轴向运动。在该变型结构中，浮体12的工作过程基本上与前面描述的图1和2a、2b相同。当没有立管结构6与浮体12连接时，浮体可被提升到船体25的底部27之上的某一位置，由可控制的平衡装置22和伸缩连接装置14支承，此后，导向管11可在邻近底部27的位置由关闭装置(未示出)封闭，以减小船体25在行进中的流体阻力。
图5所表示的浮动的海上结构1是一种工作船。该工作船包括一装有驱动装置26的船体28和一工作平台29，船体28已经潜入工作位置。通过连接装置，工作平台29以可调定的中间距离与船体28连接，因此，工作船可以在运输位置和半潜入位置之间调节，其中在运输位置工作平台29置于靠近船体28的位置，在半潜入位置工作平台与船体28间隔开在水线5之上，同时船体28基本上处于水线5之下。船体28包括一安装有一导向管31的中心工作竖筒30。图5所示的是工作船的工作位置。在导向管31内，设置一沿轴向运动的浮体12。导向管31起导向作用。浮体和导向件的结构效果和工作原理与上面已经描述的图1、2a和2b的相同。为了进一步说明工作船，可以参照申请人目前提出的荷兰专利申请第1010884号进行说明。
显然，浮体和/或导向件最好用高强度钢制成，例如钢屈服点至少为800N/mm
2，钢屈服点最好至少为1100N/mm
2。这种型式的钢可以在瑞典的Oxelsund的SSAB公司购买名称为Weldoxl100的钢而得到。
还可以看出，本发明并不局限于上述优选实施例。例如，浮体还能够以其它方式与立管结构连接，例如通过配合的止动件。再者，浮体可以包括几个元件。而且，例如当立管结构沿着浮体通过时，浮体上就可以不设置引导立管结构穿过的孔。此外，中心孔的侧壁能以较大的角度向外延伸。这种结构在采用的立管分段的侧壁在压靠孔的侧壁时可能被损坏的情况下特别有利。而且，导向件可以设计为除导向管外的其它型式，例如带有一些导向轨道的敞开导向件或者浮体围绕它而被引导的中心导向杆。另外，浮体的底侧面不是必需封闭的，其底侧面也可以是敞开的。而且，在浮体和/或导向件和海上结构之间，可以采用其它型式的可调节长度的连接件，例如采用沿滑轮或导轨运行的绞车缆。
而且，浮体和导向件的截面可以设计成能够阻止它们在导向件内沿轴向旋转的椭圆形、三角形或者多边形。而且，当设置有一个与导向件配合以阻止沿轴向旋转的突出件时，所述截面还可以设计成圆形。
本领域技术人员能够很容易地理解这些变型，并且这些变型都落在下面所述的本发明的权利要求的范围内。