本發明涉及一種海洋油氣開發技術，特別涉及一種雙層水下生產支撐浮筒及其安裝與回收方法。

背景技術：

隨著陸地、近海與中深海域油氣資源的逐漸枯竭，海洋石油的開采逐漸向深海與超深海邁進。而現有的浮式生產平臺，水下生產系統均難以在深水與超深水環境中進行應用。

中國專利(CN 102434129 A)公開了一種超深水海洋油氣工程開發系統，用于3000m以上水深的超深海環境油氣開發。該系統包括水面浮式生產裝置、立管支撐浮筒、水中采油設備、上部柔性跨接管、下部剛性立管以及海底井口裝置；所述的采油設備安裝在立管支撐浮筒上。海底的油氣資源通過海底井口裝置、下部剛性立管、水中立管支撐浮筒、采油設備和上部柔性跨接管到達水面浮式生產裝置，從而進行海上油氣田的開發與工程運營。該發明實現了淺海完井工藝和采油設備在超深水的拓展應用，降低了采油設備的性能要求以及安裝和修井的工藝要求，可以安全、經濟和有效地應對3000m以上水深的超深水環境中的各項挑戰。

該系統中的立管支撐浮筒采用中央柱結構，中央柱邊緣連接三根矩形截面懸臂浮筒，它們在平面上的夾角為120°，形成輻射狀，矩形截面懸臂浮筒末端采用中性浮力的桁架結構，浮筒由三根系泊纜繩固定在海床上。浮筒主要提供剛性立管頂張緊力、系泊纜繩張力，支撐水中采油設備自重以及部分柔性跨接管重量。

此種超深水海洋油氣開發系統中所述的立管支撐浮筒在實際工程應用中存在如下幾個問題：

1、系泊纜繩與剛性立管所需的頂張緊力相差很大，例如：當該系統應用在3000m水深中時，若取系泊纜繩安全因子為2.22，單根纜繩所需的張緊力為9689kN；取剛性立管頂張緊力系數為1.7，單根立管所需的張緊力為5757kN。而系泊纜繩與剛性立管均采用立管支撐浮筒被動張緊，難以方便地調整二者的頂張緊力。因此，上述的立管支撐浮筒難以同時提供系泊纜繩和剛性立管所需的頂張緊力；

2、立管支撐浮筒的埋深必須足夠大(200m水深以下)，若埋深不足的話，立管支撐浮筒易受淺水波浪的影響而發生橫向偏移，這將引起系泊纜繩和剛性立管頂張緊力的二次分配，造成剛性立管的主體應力變化，不利于剛性立管的強度和疲勞性能；

3、立管支撐浮筒采用三根系泊纜繩系泊在海床上，當其中任意一根纜繩因故斷裂失效時，立管支撐浮筒由三點支撐變為兩點支撐，導致其穩定性喪失，系泊纜繩和剛性立管的頂張緊力重新分配，剛性立管頂張緊力急劇增大，而過大的頂張緊力會拉斷剛性立管導致系統崩潰。

由于上述問題，該系統中的立管支撐浮筒難以在工程實際中應用。

技術實現要素：

為解決現有技術中存在的上述問題，本發明要設計一種可以為超深水海洋油氣工程開發系統分別提供剛性立管和系泊纜繩所需頂張緊力的雙層水下生產支撐浮筒及其安裝與回收方法，該浮筒能將剛性立管和系泊纜繩的垂向受力解耦，并在一根系泊纜繩失效的情況下保持穩定性。

為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：

一種雙層水下生產支撐浮筒，包括外層浮筒和內層浮筒；所述的內層浮筒嵌套于外層浮筒內；

所述的外層浮筒主體為環柱體結構，外層浮筒外壁底部邊緣連接四個懸臂浮筒，四個懸臂浮筒沿周向均布，呈輻射狀，懸臂浮筒末端采用桁架結構，桁架結構的外端連接系泊纜繩，外層浮筒由四根系泊纜繩系泊在海床上；外層浮筒內壁沿圓周均布四條豎直滑道，滑道貫穿整個外層浮筒內壁；在相鄰兩豎直滑道之間的內壁中央，離浮筒底端1/3柱高處設置限位體A；

所述的內層浮筒主體為圓柱體結構，內層浮筒外壁沿圓周均布四個豎直凸出體，凸出體寬度B1小于滑道的寬度B，凸出體與內層浮筒等高；所述的凸出體位于外層浮筒的滑道中；在相鄰兩凸出體之間的外壁中央，離浮筒底端1/2柱高處設置限位體B，限位體B與位于外層浮筒上的限位體A相配合，限制內層浮筒與外層浮筒的相對豎直運動；

所述的內層浮筒上部設置有井口頭，井口頭的下端有立管通道；剛性立管的上端通過立管通道連接到內層浮筒上部的井口頭；井口頭上安裝有采油設備，內層浮筒用于提供剛性立管頂張緊力和支撐采油設備。

進一步地，所述的凸出體正面設置有兩個滾筒裝置，分別位于凸出體正面長邊的兩個三等分高度處，所述的滾筒裝置由滾筒、轉軸和支座組成，轉軸軸線垂直于凸出體側面，支座長度與凸出體正面的寬度B1相等，滾筒通過轉軸安裝在支座上；滾筒與滑道底面滾動接觸。

進一步地，所述的懸臂浮筒為矩形截面懸臂浮筒。

進一步地，所述的滑道的橫截面為矩形截面；所述的凸出體的橫截面為矩形截面。

進一步地，所述的限位體A為矩形體，共有4個，沿外層浮筒內壁周向均布，并處在外層浮筒內壁同一高度處；所述的限位體B為矩形體，共有4個，沿內層浮筒外壁周向均布，并處在內層浮筒外壁同一高度處；當內層浮筒和外層浮筒的中心等高時，限位體B與限位體A之間留有1至2米的間距。

正常工作時，內層浮筒凸出體嵌入外層浮筒滑道之中，內層浮筒置于外層浮筒內部，內層浮筒與外層浮筒通過八個滾筒裝置接觸，限位體B與限位體A之間留有1至2米的間距；通過滾筒裝置，內層浮筒與外層浮筒可以在豎直方向上相對運動，但不能在水平方向上相對運動；這樣，內層浮筒提供剛性立管頂張緊力并支撐水下采油設備重量，外層浮筒提供系泊纜繩張力并作為內層浮筒的水平約束，實現了剛性立管與系泊浮筒的垂向運動以及受力的解耦。

鑒于目前的浮筒安裝方法都是針對單個潛沒浮筒的安裝，本發明還提出了一種雙層水下生產支撐浮筒在超深水中的安裝與回收方法。該方法與現有單個潛沒浮筒的安裝方法配合，可以實現雙層水下生產支撐浮筒在超深水中的安裝與回收。

一種雙層水下生產支撐浮筒的安裝方法，包括以下步驟：

A、預備工作：

將外層浮筒吊裝置于半潛船主甲板上，再將內層浮筒吊至外層浮筒正上方，調整內層浮筒的位置和角度，直至內層浮筒的四個凸出體分別對準外層浮筒的四條滑道，將內層浮筒下放至外層浮筒之中，構成雙層浮筒；

B、雙層浮筒的就位與下沉：

B1、利用半潛船將雙層浮筒拖曳至安裝地點，各工作船就位；在外層浮筒上連接常規安裝作業方法用的纜繩和錨鏈，半潛船加壓載水下沉并開離，雙層浮筒浮在海面上；

B2、向內層浮筒壓載艙內注水，內層浮筒在重力作用下緩慢下沉，直至內層浮筒上的四個限位體B分別與外層浮筒上的四個限位體A相接觸；繼續向內層浮筒壓載艙注水至設計量，該設計量的壓載水使得內層浮筒完全沒入水中時其重力G₁仍大于浮力F₁，在此過程中外層浮筒在內層浮筒的拖曳下隨內層浮筒一起緩慢下沉至停止，雙層浮筒浮在海面上；

B3、向外層浮筒壓載艙內注水至設計量，該設計量的壓載水使得外層浮筒完全沒入水中時其浮力F₂大于其重力G₂，在此過程中外層浮筒在內層浮筒的拖曳下隨內層浮筒一起緩慢下沉直至外層浮筒完全沒入水中；

B4、當雙層浮筒完全沒入水中時，在豎直方向上的受力狀態為：外層浮筒的浮力F₂大于其重力G₂，內層浮筒的重力G₁大于其浮力F₁，且內層浮筒的凈浮力G₁-F₁大于外層浮筒的凈浮力F₂-G₂，即(G₁-F₁)>(F₂-G₂)；在這種受力情況下，內層浮筒能夠拖曳外層浮筒穩定下沉，且在下沉過程中限位體B與限位體A緊密接觸，外層浮筒與內層浮筒不會有相對運動；

C、雙層浮筒的水下安裝：

C1、待雙層浮筒下沉至目標深度后，外層浮筒連接對應的四根系泊纜繩；向外層浮筒注入氮氣，外層浮筒上浮，張緊系泊纜繩；該過程中內層浮筒由于限位體的作用始終與外層浮筒無相對運動；

C2、以內層浮筒為水中支撐基礎安裝剛性立管；剛性立管安裝完成后向內層浮筒中注入氮氣，內層浮筒上浮，完成與剛性立管的連接，并張緊剛性立管；內層浮筒浮至設計位置，即內層浮筒與外層浮筒的中心等高，限位體B與限位體A之間留有1至2米的距離；

至此，一種雙層水下生產支撐浮筒在超深水中安裝完畢。

一種雙層水下生產支撐浮筒的回收方法，包括以下步驟：

D1、向內層浮筒壓載艙注水，內層浮筒下沉至限位體B與限位體A相接觸，內層浮筒穩固地支撐在四個限位體A之上；斷開內層浮筒與剛性立管的連接，回收剛性立管；剛性立管回收完畢后，向內層浮筒注入氮氣排出壓載水，內層浮筒穩定上浮，與外層浮筒分離之后繼續上浮直至浮出海平面；內層浮筒及水下采油設備的回收完畢；

D2、向外層浮筒壓載艙注水，直至系泊纜繩松弛，斷開外層浮筒與系泊纜繩的連接；向外層浮筒注入氮氣，外層浮筒穩定上浮直至浮出海平面；外層浮筒的回收完畢；

至此，一種雙層水下生產支撐浮筒回收完畢。

本發明具有以下顯著的技術進步性：

1、本發明提出一種雙層水下生產支撐浮筒，主要包括外層浮筒和內層浮筒。外層浮筒負責提供系泊纜繩張緊力，內層浮筒則提供剛性立管頂張緊力，因此雙層浮筒可以方便地分別提供剛性立管和系泊纜繩所需頂張緊力，在上述超深水海洋油氣工程開發系統中使用這種雙層浮筒才能滿足工程實際應用的要求。

2、本發明將所有剛性立管采用一個內層浮筒張緊，當內層浮筒發生橫向偏移時，將導致剛性立管之間頂張緊力的二次分配(增加上游剛性立管的頂張緊力的同時減小下游剛性立管的頂張緊力)，減小了剛性立管之間發生干涉的可能性。因此無需增大剛性立管的頂部設計間距，節省了內層浮筒上部面積。

3、本發明中的雙層水下生產支撐浮筒將剛性立管與系泊浮筒的垂向運動以及受力解耦，可以減小剛性立管的受力和運動幅度，有利于改善剛性立管的強度和疲勞性能。

4、本發明中的雙層水下生產支撐浮筒在發生偏移時，不會引起系泊纜繩和剛性立管頂張緊力的二次分配，因此，油氣開發系統能夠抵御一定程度的淺水波浪，故可以將雙層浮筒布置在稍淺(50至100米)的水深工作，這會進一步降低對采油設備的性能要求以及安裝和修井的工藝要求。

5、本發明中的外層浮筒采用四根系泊纜繩系泊在海床上，當其中任意一根纜繩因故斷裂失效時，剩下的三根纜繩仍能保持外層浮筒的穩定性，保證了油氣開發系統的安全。

6、本發明提出的雙層浮筒安裝方法將外層浮筒和內層浮筒在半潛船主甲板上組合，避免了浮筒在水下組合的復雜操作；且只需一個下沉過程即可將內層浮筒和外層浮筒均安裝完成，節省了操作工時和安裝成本。

7、本發明中的雙層水下生產支撐浮筒安裝方法通過調節浮筒的壓載，使得外層浮筒浮力大于重力，內層浮筒重力大于浮力。在限位體的作用下，內層浮筒拖曳外層浮筒下沉，兩個浮筒在下沉和安裝過程中始終緊靠，保證了雙層水下生產支撐浮筒在水下不會發生碰撞，保障了安裝作業的安全。

附圖說明

本發明共有附圖11張，其中：

圖1是外層浮筒的示意圖；

圖2是外層浮筒的剖視圖；

圖3是內層浮筒的示意圖；

圖4是滾筒裝置的剖視圖；

圖5是內層浮筒與外層浮筒組合后的俯視圖；

圖6是內層浮筒與外層浮筒組合后的示意圖，其中外層浮筒只畫出剖視圖；

圖7是內層浮筒上的限位體B與外層浮筒上的限位體A接觸時的示意圖；

圖8是雙層水下生產支撐浮筒漂浮在海面上的示意圖；

圖9是雙層浮筒穩定下沉的示意圖；

圖10是外層浮筒系泊后，內層浮筒支撐在限位體上的示意圖；

圖11是剛性立管安裝完成后的示意圖。

圖中：1、外層浮筒，2、懸臂浮筒，3、滑道，4、限位體A，5、內層浮筒，6、凸出體，7、限位體B，8、立管通道，9、滾筒，10、轉軸，11、支座，12、滑道底面，13、凸出體正面，14、桁架結構，15、系泊纜繩，16、樁基，17、剛性立管，18、海底井口頭，19、外層浮筒內壁，20、內層浮筒外壁，21、海平面，22、海床。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明中的雙層水下生產支撐浮筒進行進一步地描述。本發明圖示以具有五根剛性立管的超深水海洋油氣工程開發系統中的雙層浮筒為例。

如圖1-6所示，一種雙層水下生產支撐浮筒，包括外層浮筒1和內層浮筒5；所述的內層浮筒5嵌套于外層浮筒1內；

所述的外層浮筒1主體為環柱體結構，外層浮筒1外壁底部邊緣連接四個懸臂浮筒2，四個懸臂浮筒2沿周向均布，呈輻射狀，懸臂浮筒2末端采用桁架結構14，桁架結構14的外端連接系泊纜繩15，外層浮筒1由四根系泊纜繩15系泊在海床22的樁基16上；外層浮筒內壁19沿圓周均布四條豎直滑道3，滑道3貫穿整個外層浮筒內壁19；在相鄰兩豎直滑道3之間的內壁中央，離浮筒底端1/3柱高處設置限位體A4；

所述的內層浮筒5主體為圓柱體結構，內層浮筒外壁20沿圓周均布四個豎直凸出體6，凸出體6寬度B1小于滑道3的寬度B，凸出體6與內層浮筒5等高；所述的凸出體6位于外層浮筒1的滑道3中；在相鄰兩凸出體6之間的外壁中央，離浮筒底端1/2柱高處設置限位體B7，限位體B7與位于外層浮筒1上的限位體A4相配合，限制內層浮筒5與外層浮筒1的相對豎直運動；

所述的內層浮筒5上部設置有井口頭，井口頭的下端有立管通道8，剛性立管17的上端通過立管通道8連接到內層浮筒5上部的井口頭；井口頭上安裝有采油設備，內層浮筒5用于提供剛性立管17頂張緊力和支撐采油設備。

進一步地，所述的凸出體正面13設置有兩個滾筒裝置，分別位于凸出體正面13長邊的兩個三等分高度處，所述的滾筒裝置由滾筒9、轉軸10和支座11組成，轉軸10軸線垂直于凸出體6側面，支座11長度與凸出體正面13的寬度B1相等，滾筒9通過轉軸10安裝在支座11上；滾筒9與滑道底面12滾動接觸。

進一步地，所述的懸臂浮筒2為矩形截面懸臂浮筒。

進一步地，所述的滑道3的橫截面為矩形截面；所述的凸出體6的橫截面為矩形截面。

進一步地，所述的限位體A4為矩形體，共有4個，沿外層浮筒內壁19周向均布，并處在外層浮筒內壁19同一高度處；所述的限位體B7為矩形體，共有4個，沿內層浮筒外壁20周向均布，并處在內層浮筒外壁20同一高度處；當內層浮筒5和外層浮筒1的中心等高時，限位體B7與限位體A4之間留有1至2米的間距。

正常工作時，內層浮筒5的凸出體6嵌入外層浮筒1的滑道3之中，內層浮筒5置于外層浮筒1內部，內層浮筒5與外層浮筒1通過八個滾筒裝置接觸，限位體B7與限位體A4之間留有1至2米的間距；通過滾筒裝置，內層浮筒5與外層浮筒1可以在豎直方向上相對運動，但不能在水平方向上相對運動；這樣，內層浮筒5提供剛性立管17頂張緊力并支撐水下采油設備重量，外層浮筒1提供系泊纜繩15張力并作為內層浮筒5的水平約束，實現了剛性立管17與外層浮筒1的垂向運動以及受力的解耦。

鑒于目前的浮筒安裝方法都是針對單個潛沒浮筒的安裝，本發明還提出了一種雙層水下生產支撐浮筒在超深水中的安裝與回收方法。該方法與現有單個潛沒浮筒的安裝方法配合，可以實現雙層水下生產支撐浮筒在超深水中的安裝與回收。

如圖7-11所示，一種雙層水下生產支撐浮筒的安裝方法，包括以下步驟：

A、預備工作：

將外層浮筒1吊裝置于半潛船主甲板上，再將內層浮筒5吊至外層浮筒1正上方，調整內層浮筒5的位置和角度，直至內層浮筒5的四個凸出體6分別對準外層浮筒1的四條滑道3，將內層浮筒5下放至外層浮筒1之中，構成雙層浮筒；

B、雙層浮筒的就位與下沉：

B1、利用半潛船將雙層浮筒拖曳至安裝地點，各工作船就位；在外層浮筒1上連接常規安裝作業方法用的纜繩和錨鏈，半潛船加壓載水下沉并開離，雙層浮筒浮在海面上；

B2、向內層浮筒5壓載艙內注水，內層浮筒5在重力作用下緩慢下沉，直至內層浮筒5上的四個限位體B7分別與外層浮筒1上的四個限位體A4相接觸；繼續向內層浮筒5壓載艙注水至設計量，該設計量的壓載水使得內層浮筒5完全沒入水中時其重力G₁仍大于浮力F₁，在此過程中外層浮筒1在內層浮筒5的拖曳下隨內層浮筒5一起緩慢下沉至停止，雙層浮筒浮在海面上；

B3、向外層浮筒1壓載艙內注水至設計量，該設計量的壓載水使得外層浮筒1完全沒入水中時其浮力F₂大于其重力G₂，在此過程中外層浮筒1在內層浮筒5的拖曳下隨內層浮筒5一起緩慢下沉直至外層浮筒1完全沒入水中；

B4、當雙層浮筒完全沒入水中時，在豎直方向上的受力狀態為：外層浮筒1的浮力F₂大于其重力G₂，內層浮筒5的重力G₁大于其浮力F₁，且內層浮筒5的凈浮力G₁-F₁大于外層浮筒1的凈浮力F₂-G₂，即G₁-F₁>F₂-G₂；在這種受力情況下，內層浮筒5能夠拖曳外層浮筒1穩定下沉，且在下沉過程中限位體B7與限位體A4緊密接觸，外層浮筒1與內層浮筒5不會有相對運動；

C、雙層浮筒的水下安裝：

C1、待雙層浮筒下沉至目標深度后，外層浮筒1連接對應的四根系泊纜繩15；向外層浮筒1注入氮氣，外層浮筒1上浮，張緊系泊纜繩15；該過程中內層浮筒5由于限位體的作用始終與外層浮筒1無相對運動；

C2、以內層浮筒5為水中支撐基礎安裝剛性立管17；剛性立管17安裝完成后向內層浮筒5中注入氮氣，內層浮筒5上浮，完成與剛性立管17的連接，并張緊剛性立管17；內層浮筒5浮至設計位置，即內層浮筒5與外層浮筒1的中心等高，限位體B7與限位體A4之間留有1至2米的距離；

至此，一種雙層水下生產支撐浮筒在超深水中安裝完畢。

一種雙層水下生產支撐浮筒的回收方法，包括以下步驟：

D1、向內層浮筒5壓載艙注水，內層浮筒5下沉至限位體B7與限位體A4相接觸，內層浮筒5穩固地支撐在四個限位體A4之上；斷開內層浮筒5與剛性立管17的連接，回收剛性立管17；剛性立管17回收完畢后，向內層浮筒5注入氮氣排出壓載水，內層浮筒5穩定上浮，與外層浮筒1分離之后繼續上浮直至浮出海平面21；內層浮筒5及水下采油設備的回收完畢；

D2、向外層浮筒1壓載艙注水，直至系泊纜繩15松弛，斷開外層浮筒1與系泊纜繩15的連接；向外層浮筒1注入氮氣，外層浮筒1穩定上浮直至浮出海平面21；外層浮筒1的回收完畢；

至此，一種雙層水下生產支撐浮筒回收完畢。