半潜式可移动的标准组合式海上平台 本发明涉及海上平台，具体说，涉及用于深油石油勘探的半潜式可移动的标准组合式海上平台。
在海洋深海地点的石油勘探中，必需将石油钻探设备支承在海底上面某一距离处的一个平台上。对大于约1000英尺的水深来说，传统的海洋建筑物对重量和基础的要求使它们与其它的设计结构形式相比具有较小的吸引力。这样的两种传统形式是牵索式塔和张力型腿式平台。
所述牵索式塔的构思如图2所示。该牵索式塔是由具有不变横截面的一个支撑建筑物组成，它通过多根伸展到海底块重上的牵索保持直立状态。这些绳索然后从块重伸展到通常的锚件上以构成一双重刚性的停锚装置。在正常的工作负荷情况下，块重保持在海底上而建筑物的横向运动受约束。然而，在大风暴时，通过牵索使从该建筑物传递给块重的负荷力使将块重升离海底。这个动作可使塔通过来回摇摆吸收作用在它上面的外界负荷而不使牵索受到过大的负荷力。这种牵索式塔的构思目前被认为可应用于约2000英尺的水深。
图3示出所述地张力型腿式的构思。在这种设计中，直立件用于将平台锚定在海底上。这种建筑物的上面部分设计得具有过大浮力量以将所述直立件保持张力状态。由于此张力的存在，该平台在承受波浪作用的情况下实际上保持水平。这些直立件还限制横向偏移，因为这类移动必然会使它们产生一个回复力。这种张型腿式构思方案的一个主要优点是其对成本不受水深的影响。目前，明显的是对这种张型腿式平台的主要限制是因与在波浪中的平台的横向摆动有关联的动态惯性力而产生的。这些动态惯性力在约3000英尺的水深处变得重要。
在使用这些已有技术的设计结构之任一种时，都要求在限制的自然环境中进行大量的水下焊接作业。这样的成本随着这些建筑物所应用的水深的增加而显著地增加。另外，由于一些成本和稳定性问题，这些平台所应用的水深受到限制。
由于在较深的水线以下的深度使用牵索式塔形平台还是张力型腿式平台的巨大成本，现已使用钻探船。然而，在油井地点之上的位置对这些钻探船的有效使用以及维修需要昂贵而又精确的导航设备。这样的设备大大地增加了所包含的成本并且经常使这样的选择成为不可接受的。
本发明人想使用一些加工和预制装备，它们可以采用由计算机控制精度的设备，借以克服上述缺点。由于对材料和设备可进行良好的质量控制，就可以铸造、吹模压注、挤压和预制成高质量的标准组合空间结构件。这些标准组合件应有助于大大减少对昂贵的水下焊接作业的需要，而水下焊接作业则受到断裂和疲劳失效问题的烦扰。
在此被介绍的十二面体浮式平台(DFP)是一种使用等角度Y形标准空间构件的、所述牵索式塔与张力型腿式平台装置的混合式装置。缩短的安装时间以及通过现场螺栓紧固取代必需的水下焊接作业以简化制造和安装工序都将有助于海上平台建筑成本的大大减小，而这样的成本在3000英尺深的马尔斯工程上目前仅需12亿美元见(见麦格劳·希尔著的“工程新闻录(Engineering News-Record)”，1993.10.18，第8页)。
本发明的浮式(DFP)装置克服了已有技术中所存在的上述限制和所发现的问题，这是通过提供一种用于深海石油勘探的标准组合式的海上钻探平台支座得以实现的，该支座含有一十二面体浮筒，浮筒由一组引导钢索和锚固在海底上的块重所稳定。该钻探平台可以建筑在这种十二面体的浮筒上，这种浮筒可以在岸上制作并通过直接牵引便可送到工作地点。在一较佳实施例中，该十二面体的浮筒是由一个具有外部的十二面体的构件双壳结构组成，该外部十二面体构件通过芳族聚酰胺(aramid)牵索被从其外表面锚固到海底上。一个内部的十二面体构件是被支承在该外部十二面体构件的内部以便在两者之间形成密封空间。该角塔式构件直接通过采用一个升降装置被系结到海底上。
在将该十二面体浮筒安装到其定位的海面上时，在该外部十二面体构件的内部，或在该双壳结构中的被密封空间，即在该内、外十二面体构件之间的空间将提供一个浮力。这样的浮力可以部分地支承由钻井设备和关联构件施加在平台上的实际重量。牵索绳和被锚固于海底上的块重支承着该十二面体浮筒，而该整个组件通过一升降装置被稳定于一指定地点以准备用于钻井。
这种双壳结构的使用可避免在高载荷条件下必需使用过分厚的板材并且还为定倾中心(稳定中心)的控制提供额外的灵活性。这种双壳结构的使用允许将定倾中心设在重心之上以形成一个稳定的浮体。
在一较佳实施例中，该外部的十二面体构件具有十二个五边形的表面。这个构件是通过使用十二个刚性Y形基础零件形成的，基础零件彼此直接相连接或通过按所要求的十二面体表面的半径而延伸连接的。该刚性Y形基础零件是由互相连接的第一、第二和第三杆件组成的以便在各对杆件之间形成具有各自空间角度的一个刚性Y形的接头。在该较佳实施例中，该刚性Y形零件制作得使该Y形基础零件的任两个分支件之间的角度为108°。
同样地，该内部的十二面体构件具有十二个五边形的表面。这种构件是通过用由三十个连接件连接的二十个刚性Y形基础零件产生以形成用于该十二面体的支撑结构。在刚性Y形基础零件的任两分支件之间的角度是108°。
这种双层的十二面体浮筒是用于支承平台作业的向下重负荷以及环境影响所引起的应力(例如风、雨、雷、冰、地震以及该组件工作处的波浪和潮流所施加的作用和湍流)。由该浮筒产生的超量的浮力将张力作用到芳族聚酰胺牵索绳上以将浮筒稳定在油井生产支柱之上的指定位置上。
升降器与通过内部十二面体的钻井装置相连接的。由日本NKK公司开发的塔台(turret)停锚装置可适用于这种内部十二面体。
采用这种塔台停锚装置，平台可有效地保持水平。另外，由于被该外部十二面体形成的外壳的形状，在水面上的波浪作用下，平台可呈现小的横向偏移。在该外部十二面体上的牵索装置连结件可进一步有助于海上平台的稳定。
由于十二面体不是一个对称的晶体，当要求对称的结构时，可以使用半十二面体的构件(如图15中所示)或伸长的十二面体的构件。
虽然本发明是考虑用于深海的海洋结构件的，但熟悉本技术的人可看到本发明可以用于浅海的海洋结构件以及岸上结构件上。
为了更完整地理解本发明及其进一步的细节和优点，现结合附图作出下面详细说明供参考，在这些附图中：
图1是本发明的半潜式标准组合式海上平台的立体视图；
图2是先前已被用于已有技术中的已知牵索塔式平台的立体视图；
图3是先前已被用于已有技术中的已知的张力型腿式平台的立体视图；
图4是用于支承本发明的钻井平台的该十二面体构件的示意立体图；
图5a是该外部十二面体构件在为显示其骨架结构，而去掉了其外表层的透视图；
图5b是显示用于构制该十二面体构件的刚性Y形基础件的立体视图；
图6a、6b和6c显示用于构制十二面体构件的刚性Y形基础件的一些替代的设计结构，其中图6a是平面视图，图6b是沿图6a的6b-6b线所取的剖面图，以及图6c是所述设计结构的立体视图；
图7是显示内、外十二面体构件的关系及其相互连接的立体视图；
图8是图7的水平剖视图；
图9a是显示用于相互连接该内、外十二面体构件的结构的详细视图；
图9b是采用一个管状骨架结构的内、外十二面体构件之间的连接结构件的放大立体视图；
图10显示采用如图6a、6b和6c所示槽钢形骨架结构、用于内、外十二面体构件之间的一个替代的连接结构件；
图11是显示该十二面体构件支承一海上平台的正面视图；
图12a是一示意图，表示潜水的十二面体构件由于合力Wr的作用而移动的合成横向移动量Δ；
图12b显示在合力Wr平面上的牵索的弦角(chord angle)ω，这个角度是根据波浪力和潮流力所产生的十二面体构件的横向移动计算得到一个可变量；
图13是本发明的十二面体构件的一个替代实施例的立体视图；
图14是显示图13的替代实施例，在支承一海上平台的应用时的直立剖视图；
图15是对图13和14中所示实施例的又一个替换的实施例；
图16是对图13和14中所示实施例的再一个替换的实施例。
现来具体描述本发明的一个较佳实施例，其中在说明书和附图中各处相同的零件或部分都用同样的标号表示出。本发明使用的给定环境即是深海石油勘探的环境，附图不一定按比例，而在一些例子中为更清楚地图示本发明的特点，示出尺寸已被放大的零件。
请参照图1，如图所示为本发明推荐的半潜式十二面体浮筒20所支承的一与外部十二面体结构24连接的工作平台22。该外部十二面体结构24通过芳族聚酰胺的牵索26被锚定于海底。该十二面体浮筒20还通过一升降装置30而被支承在海底上面。
图1的十二面体构件是目前熟悉的图2所示的牵索塔式平台结构和图3所示的张力型腿式平台结构相结合的一个混合装置。图2的导向塔式平台结构是由一个分段塔架40构成，该塔架从海底支承起钻井平台42并用拉索44塔架提供稳定性。图3中所示的张力型腿式平台包括有多个与海底上的底座52和在上部的混凝上浮体56连接的张力腿支撑件50。该产油平台54，如图3所示，是由浮体56和张力腿50支承的。
当在很深的近海地点钻井的场合，采用这种牵索塔式平台或张力型腿式平台的成本都很高，因而在许多情况下在经济上是不可接受的。本发明是一种对于材料、劳动力、装配和预制生产都很经济的混合型设计结构。
现请参照图4，图中示出用作本发明的半潜式的标准组合海上平台的核心部分的一个双层十二面体的浮筒20。该双层十二面体浮筒20由具有内、外半径的两个相似的十二面体构件组成。该外部十二面体构件24具体如图4所示，它具有附着在其上的形成密封流体外壳的外表层60。在一较佳实施例中，该十二面体构件和外表层是用钢合金、混凝土或增强塑料制成。图5a显示出该外部十二面体构件62的骨架结构。图5b图示刚性Y形基础件64和用于构成骨架结构62的管接头66。具体说，Y形基础件64是由等长度的第一、第二和第三管形分支件70、72和74组成，它们在一节点76上相互连接以在各对管形分支件之间形成具有间隔钝角的刚性Y形状。在图性Y形状。在图5b所示的该实施例中，如图所示三个间隔角度各为108°。在一个实施例中，这种Y形基础件被制作成单个无接头件，即在沿其任何部分的纵向跨距上无任何接头。
现请参照图5a，通过在Y形基础构件的相邻节点76之间的中点处用30个连接件66和20个Y形基础构件的互连，就产生如图5a所示的基础十二面体构件。当两个相邻节点76间的距离过分大时，在反向弯曲点上往往使用两个连接件66。合适地制备有供相互连接的两端的一个直杆件可以添加在反向弯曲点之间。由于所有的在任两根刚性Y形基础构件的分支件之间的角度都为108°，装配就可以很容易地加以完成而不需要熟练的劳动力。
Y形基础构件64和连接件66的具体设计和制作可以按发明人的先前两个美国专利中所示的设计方案进行，这两个美国专利分别为名称是“标准组合式的可充气拱顶构件”，1981.9.15被批准颁发的第4,288,947号和名称是“标准组合式的可充气拱顶构件”，1986.4.22批准颁发的第4,583,330号，它们所揭示的内容被一并援引于此。熟悉本技术的人将可认识到在此所述的标准组合结构可以用如图6a、6b和6c中所示的组件制成的Y形基础构件实现，对这些组件下面将预以详细说明。
由于本发明的十二面体构件是由具有外半径和内半径的两个相似十二面体组成，在此对十二面体浮筒的描述就以代表同一十二面体的相邻节点76之间的尺寸表示，即一个同属杆件长度L。
现请参照图4，如果画出的直角座标处于如图所示的底部五边形的中心上，则下述的座标可以建立在各个被标定的节点上。如假定该刚性Y形基础构件的各个分支件具有L/2的长度，则这些结点的位置可如下建立：
1.(-0.5L，-0.6882L，0) (1)
2.(0.5L，.-0.6882L，0) (2)
3.(0.8090L，0.2629L，0) (3)
4.(0，0.8507L，0) (4)
5.(-0.8090L，0.2629L，0) (5)
6.(-0.8090L，-1.1135L，0.8506L) (6)
7.(0.-1.3764L，1.3763L) (7)
8.(0.8090L，-1.1135L，0.8506L) (8)
9.(1,3090L，-0.4254L，1.3763L) (9)
10.(1,3090L，0.4254L，0.8506L) (10)
11.(0.8090L，1.1135L，1.3763L) (11)
12.(0，1.3764L，0.8506L) (12)
13.(-0.8090L，1.1135L，1.3763L) (13)
14.(-1.3090L，0.4254L，0.8506L) (14)
15.(-1.3090L，-0.4254L，1.3763L) (15)
16.(0，-0.8507L，2.2270L) (16)
17.(0.8090L，-0.2629L，2.2270L) (17)
18.(0.5L，0.6882L，2.2270L) (18)
19.(-0.5L，0.6882L，2.2270L) (19)
20.(-0.8090L，-0.2629L，2.2270L) (20)
现请参照图7和8，图中示出内、外十二面体构件的相互关系。具体地说，一个内十二面体构件82是用多个由管接头86(未图示)相互连接成的刚性Y形基础构件84以如同外十二面体构件62的相同方式构成。
图8示出该十二面体构件的一个水平剖视图，图中显示出内十二面体构件82和外十二面体构件62，它们之间具有密封空间Vo如可在图7和8中可看到的那样，连接支撑杆86将内十二面体构件82支撑在外十二面体构件62的内部。
如已所述的那样，该内十二面体构件82被支撑在外十二面体构件62内部并与外十二面体构件62间隔开，它们每一个都有复盖在其上的不渗漏空气和水的表面层。外十二面体和内十二面体的体积可用下面关系式表示：
Vo＝7.6631 lo3 (21)
Vi＝7.6631 li3 (22)
此处lo和li分别表示外十二面体和内十二面体的五边形各边的长度。
假定整个十二面体浮筒20浸没在水中，则排水体积可由等式(21)和(22)表示体积之差给出。阿基米德原理给出该浮筒的浮力，其大小如下式表示：
B＝γ(Vo-Vi) (23)
此外γ表示水的比重。B是浮力，其大小与被排出水的体积成正比。由这种设计结构所提供的合成浮力将由于在钻井平台和该十二面体浮筒之间的连接件产生的排量所提供的影响而增大。
图9a和9b进一步显示出内十二面体构件和外十二面体构件之间的相互连接的详细结构。，内十二面体构件82通过一支撑杆86连接到外十二面体构件62上。图9b显示支撑杆86两端的形状，这种形状有助于内十二面体构件与外十二面体构件的安装。支撑杆86在现场焊接在所述两十二面体构件之间以形成所要求的连接。如可以认识到的那样。图9b中所示的该支撑杆86是用于在十二面体构件的骨架结构是管形场合下而进行连接的。
十二面体构件的骨架结构可以具有图6a、6b、6c和10中所示的形式，具体说该形式是由如图所示的槽形截面组成。在这个替代实施例中，该刚性Y形标准组合结构件90是用三个预制的槽钢或U形的间隔件92、94和96加以装配成的。各U形间隔件的两个臂限定该刚性Y形标准组合结构件间隔角度之一。预制的U形间隔件92的臂a1和b1形成第一和第二分支件之间的间隔角度。第二预制的间隔件94的臂a2和b2形成该刚性Y形标准组合结构件的第二和第三分支件之间的间隔角度。第三预制的U形间隔件96的臂a3和b3形成刚性Y形标准结构件的第一和第三分支件之间的空间角度。
该刚性Y形标准组合结构件90可以通过采用通常的如焊接、螺接或金属螺钉的固定方式使U形件相互连接而在现场进行装配。Y形标准组合结构件的第一分支件是通过将第一U形件的臂a1刚性地连接于第三U形件的臂b3形成的。Y形标准组合结构件的第二分支件是通过将第一U形件的臂b1刚性地连接于第二U形件的臂a2而形成。Y形标准组合结构件的第三分支件是通过将第二U形件的臂b2刚性连接于第三U形件的臂a3而形成。
图6b示出由该U形件制成的一通常的分支件的横截面，为清楚起见U形件在图中表示成略微分开。该U形槽钢是由沿标准组合结构件的分支件的纵向延伸的腹板95和凸缘91和93构成。U形件可以用包括金属板和预模制的增强塑料的合适的材料制成它们可经受得住构件的力。
现请看图10，在这种构形中，内十二面体和外十二面体构件是通过使用一个三角形盒式的隔离件(撑杆)98，隔离件具有一在内、外十二面体构件之间的用焊接或螺栓连接的凸缘99。
图11是装配成的本发明的正面视图。如在图11中可看到的那样，十二面体浮筒20用多个支撑在一底座32上的升降柱30撑离海底。具体说，如图11中所示，升降柱30是连接于内十二面体构件82上。芳族聚酰胺牵索绳26用块重100以通常方式将二十面体浮筒20锚固于海底。如图11中可以看到的那样，十二面体浮筒20浸没在水线之下并借助合适的连接支撑件102支承着一海上钻探平台22。为了用于近海位置，构件必须设计得可抵抗在这种环境中通常遇到的各种力。此外，这类构件必须为在海洋环境中可能遇到的海面波浪和潮流而设计。这些由外界影响而产生的力的分析可以在海洋工程的标准设计手册(例如T.H.道生(1983)所著“海上结构工程”，新泽西州，07632 Engelwood Cliffs，Prentice-Hall，Inc.)上看到。由于双层十二面体浮筒所产生的浮力，牵索绳通常是受到张力，由此增加了附加的稳定性。
在波浪和潮流的作用力下，潜水的十二面体浮筒将在合力方向上横向地移动Δ值(如图12a中所示)。如果将作用在牵索绳上的合力表示为Wr，则该牵索绳的伸展量Δg可以表示如下(斯坦因门，D.B(1929)，“悬吊桥的应用论文”，约翰，Wiley & Sons，Inc，纽约)：Δg=HδAgEgX(sec2ω+Wr212H2)---(24)]]>
此处，H是在牵索绳上的张力的水平分量，以千磅为单位，Ag是牵索绳的横截面面积，以英吋2为单位，Eg是牵索绳的弹性模量，以千磅/英吋2为单位，δ是在合力Wr平面上牵索的水平距离，以英尺为单位，以及ω是在合力Wr平面上的牵索绳的弦角(如图12b中所示)。
牵索的合适长度L(以英尺为单位)可以由下式给出：L=δx(secω+Wr224H2xsec3ω)---(25)]]>
在实际的设计中，必须考虑温度的影响，该牵索在t°F时的长度Lt由下式给出：
Lt＝Lo〔1+0.0000065(t-to)〕 (26)
此处，Lo＝L-Δg (27)
Lo是牵索绳在toF度温度下，不受应力的长度。
多层牵索塔分析和设计方法已在下列著作中提供：科恩，E.和佩令，H.(1957)，的“多层牵索塔的设计“(结构部杂志，ASCE会议录，1975，9月，第1355和1356页，1至29行)；Odley，E.G.，(1966)，“高牵索塔的分析”(结构部杂志，民用工程美国学会会议录，1966，2月，第169至198页)；以及黄，Y.T.(1968)，“牵索微波塔程序的用户手册，TOWRCZ-第4版”，WP-6779(德克萨斯州75081，Richardson，Alma路，1225号的柯灵斯(Collins)无线电公司)。因此，这些已揭示的内容在此不再重复但援引于此供参考。然而，在最终的设计和建造中必须将潮流和波浪所提供的作用力与风力及其它的力一道预以考虑。
图13和14显示结合有支撑海上平台的本发明的一个经修改的构件。具体说，现请看图13和14，一十二面体浮筒150具有一外十二面体构件152和一内十二面体构件154，它们之间形成一密封空间。在十二面体浮筒150上形成有一圆筒形开孔156。一石油钻井平台160(图14)被支承在十二面体浮筒150之上并有一个容纳在浮筒150的开孔156内的套筒162。与平台160连结的套筒162将平台牢牢地固定在十二面体浮筒150上并还可使平台转动，因而可使在平台上面的任何零件得以转动。
图15示出一个图13和14所示实施例的替代例子，其中十二面体浮筒170是平截的以使平台172支承在一个较低的高度上。另外，还可使用如图16中所示的一个伸长的十二面体构件180。
熟悉本技术的人可理解到在此所示说明的这些实施例可经受改动和修改以便适应该装置所使用的特定近海地点的具体的环境和负载条件。在超负荷的工作条件下，可以采用一个以上的十二面体构件以经受由这样的负荷施加在浮筒体的外壳结构上的极巨大的力。
还可理解到本发明所提供的这种标准组合构件，当勘探钻井在一个地点已完成或在那个地点上产油已终止或在不能实现产油的场合下可容易地从一个地点移向另外的地点。正如在该技术领域中大家所熟悉的那样，有必要勘探很多可能有油的地点，其中的一些地点是不可能成功地产油。这样，本发明提供了一种可重复使用的可移动的浮式平台，从而可节约大量的投资，不然这些投资将被浪费掉。一旦油生产已在作业线上进行，则使用用于该钻井平台的这种支撑件可以容易地转换成一种永久性生产的装置。
另外，本发明的十二面体构件在将海底适当清扫和轧碎之后被直接地置放到该浅海地点的海底上。上面所列举的好处对于这些装置都是适用的。尤其，本发明所提供的浮力可以对借以被支承的构件提供支撑。
这样，可以认识到本发明提供了一种用于深海石油勘探的结合有一种双层十二面体浮筒的标准组合的海上石油钻井平台。该钻井平台建筑在这种十二面体浮筒上，而该十二面体浮筒可以在岸上预制并通过直接牵拉被运送到工作地点。这种十二面体浮筒包括一个外十二面体构件和支撑在该外十二面体构件内的一个内十二面体构件以在它们之间形成一个密封空间。
由于使用一个内和外十二面体构件，且在它们之间具有密封空间，当在海上地点进行总成安装时就可获得一个浮力。这种浮力可以部分地支承由石油钻井设备和有关的构件所施加的巨大重量。
通过使用十二面体形式的外部形状，该总体外部形状提供一种能经受得住在海上石油钻进地点要受到的环境影响所引起的力和湍流的刚性和坚固的结构件。另外，由于该十二面体在本发明的设计中是一种自然晶体的形式，这就使它本身可以采用标准组合的间隔件制成，而这些间隔件可以使这种十二面体构件容易地在人体受限制的不利环境(例如在海上地点遇到的那些环境)中装配成。另外，由于该外十二面体所形成的外壳形状，平台在水面上的波浪作用下呈现很小的外部偏移。
虽然通过上面的详细描述以及附图已对本发明的一些实施例进行了说明和图示，但是要理解到本发明并不限于所揭示的这些实施例，只要不违背本发明的精神并在本发明范围内则还可以有许多的重新布置、修改和零部件的替代。因此，本发明应包括这些重新布置、修改和零部件的替换，它们都适合于本发明的精神和范围。