用於處理在水下鑽井或挖掘中的固體的裝置和系統的製作方法

2023-06-17 18:07:46 1

專利名稱：用於處理在水下鑽井或挖掘中的固體的裝置和系統的製作方法
技術領域：
本發明的技術領域涉及用於處理在水體下挖掘或鑽井產生的固體或巖屑的裝置、系統及方法。
背景技術：
在石油和天然氣勘探及採礦工業中，對從水體下的地質沉積物中挖掘或鑽井得到的固體或巖屑進行處理有時是有用的。例如，在水下鑽井中，可能要利用水下泵去除從洋底鑽井得到的巖屑，所述泵將夾帶於鑽井泥漿中的地質固體送回地面。與這種處理相關的一個難點在於固體易於不期望地塞住或堵住處理裝置，包括泵和流動導管。在一些場合中，堵塞是由於固體顆粒尺寸過大造成的。在其它情況中，固體的性質會使它們粘附於處理儀器、流動導管或切割刮刀上，這可能導致堵塞或操作停止。當發生堵塞時，清除這種堵塞費錢且費時。US2010/0147593A1美國專利公開申請涉及一種水下固體處理單元，其具有帶刀具的殼體以便減小夾帶於鑽井泥漿中的固體的尺寸。Society of Petroleum Engineers, SPE71357 (2001: Annual TechnicalConference and Exhibition, New Orleans, Louisiana),題為「SubSea MudLift DrillingJoint Industry Project!Delivering Dual Gradient Drilling Technology toIndustry」的出版物中描述了水平偏置的泥漿提升泵和固體處理機構的使用。圖5說明了與鑽井管柱和立管組件偏離一定距離的水平偏置的泥漿提升泵的使用。鑽井泥漿中夾帶的固體首先通過流動導管被運離鑽井管柱和立管以便處理。然而，藉助回流管將這些固體泵送到水面。

Society of Petroleum Engineers,SPE71359(2001:Annual TechnicalConference and Exhibition, New Orleans, Louisiana),題為 「SubSea MudLiftDrilling:Design and Implementation of a Dual Gradient Drilling System，，的另一篇出版物中描述了與185，000磅的極大型泥漿提升泵(MLP)組相聯部署的水下泥漿舉升鑽井(SMD)集成的固體處理單元(SPU)的使用。水上鑽井中的一個重要挑戰是減少將儀器部署到水中以準備和實施鑽井操作這一過程中的時間及努力。期望部署可容易和便利地從活動式海上鑽井單元或MODU放入水中的儀器。此外，在處理和運輸由在水中實施的操作產生的鑽屑時，期望降低在泥漿/固體流動導管和固體處理單元內形成不期望的堵塞的可能性。通常而言，導管的總長度及流動導管中拐角或拐彎的數量會提高在導管內發生堵塞的可能性。另外，已知各種類型的碎片均可能被運送給固體處理單元，期望降低在固體處理設備中發生堵塞的可能性。某些類型的土壤已知容易附著在處理儀器上，其在某些情況下會導致流動堵塞。希望發明一種可靠且有效的、用於清理水下固體處理裝置內部、同時無需將該單元移離水中和使該單元停止工作的方法。

發明內容
在一個具體實施例中，本發明為固體處理裝置，其包括具有中心空腔且與鑽井立管裝載路徑對齊的內部套筒、以及外殼，所述外殼沿圓周設置在內部套筒外側以在外殼與內部套筒之間形成外圍環形區域。中心空腔通常不存在機械障礙物以允許鑽井工具、套管柱、流體和固體自由通過中心空腔。可以在外圍環形區域內設置第一刀具組件。第一刀具組件可以包括具有一個或多個刮刀的第一軸。可以設置與中心空腔流體連通的入口孔。該入口孔可以能夠將鑽井泥漿和固體送至中心空腔。可以構造冗餘的排放埠結構以將鑽井泥漿和經處理的固體排出外圍環形區域。在本發明的一些實施例中，該裝置提供第二刀具組件，其由具有附加刮刀的第二軸構成。第一和第二軸大體平行排列，且第一和第二軸被構造成反向旋轉。還可以在該裝置的外圍環形區域內使用第三和第四刀具組件。刀具組件中的一個或多個可以被保持成自含式盒組件形式的單元。還可以使刀具組件中的一個或多個能夠從位於外殼外部的驅動機構處接收動力。在海洋應用中，該裝置可以被構造成與鑽井立管直接連接。一個附加特徵可以包括中心空腔，其能夠接收從鑽井管柱上的鑽架延伸穿過鑽井立管的環帶的衝洗工具。在共線構造中，該裝置可以包括承載內部套筒，其構造成在鑽深水井中的部署、收回及操作性連接操作模式期間接收和傳遞機械負載力。在本發明的又一實施例中，提供了一種用於處理鑽井得到的固體的系統。該系統可以被部署在具有上部水面和下部泥線面的水體內。該系統可以包括延伸至水面之下的立管，該立管裝填有第一密度的第一流體。延伸至泥線面下方的井眼可以裝填有第二密度的第二流體。第二密度大於第一密度。可以與立管和井眼連通地使用流體分離機構。該流體分離機構，有時稱做水下旋轉設備(SRD)，可以能夠保持第一和第二流體之間的分離和密度差(differential density)。在本發明的雙梯度鑽井應用中還可以使用水下泥眾提升泵。固體處理裝置連接泥漿提升泵。固體處理裝置具有中心空腔，該中心空腔被設置成與立管共線，且能夠將鑽井得到的固體接收在中心空腔中。固體處理裝置被構造用於減小鑽井得到的固體的顆粒尺寸以形成經處理的固體。在本發明的一個實施例中，固體處理裝置包括至少與鑽井立管的壓力等級一樣大的壓力等級。典型地，冗餘的排放埠結構將固體處理裝置與泥漿提升泵連接。經處理的固體通過排放埠從固體處理裝置運送至泥漿提升泵。在有用的實施例中，固體處理裝置包括包圍中心空腔的內部套筒及沿圓周設置在內部套筒外部的外殼。固體處理裝置中的外圍環形區域可以設在內部套筒和外殼之間。在外圍環形區域之中或附近設有至少一個刀具組件。固體處理裝置還包括與中心空腔連通的入口孔。該入口孔能夠將鑽井得到的固體傳遞給固體處理裝置。本發明的一個有利實施例採用為負載軸承的內部套筒，即在與鑽井立管系統一同部署時能夠接收和傳遞相當大的負載。刀具組件可以包括大體平行構造的旋轉軸。在實施本發明時，成對的軸可以被構造成反向旋轉，其有助於使鑽井泥漿和固體碎片運動通過固體處理裝置。刀具組件中的一個或多個可以被裝配在第一盒中。在固體處理裝置的外圍環形區域中可以設置多個盒，且每個盒可以包括一個或多個帶有刮刀的切割組件。切割組件可以由與泥漿提升泵連接的液壓機構提供動力。在一個實施例中，固體處理裝置能夠經受至少350萬磅的軸向負載，並且可以被設計成適應隨著在工業使用中水深影響持續增大而額外產生的負載。本發明的一個方面可以是以利用延伸至水面下方的立管在水體內處理固體的方法為特徵的。該立管可以裝填有第一密度的第一流體。井眼延伸至泥線面下方，且裝填有第二密度的第二流體。第二密度大於第一密度。為適應具有密度差的流體，流體分離機構(諸如SRD)可以與立管相連，並且與井眼流體連通。該流體分離機構可以能夠保持第一和第二流體之間的密度差。在實施本方法時，具有中心空腔的固體處理裝置被設置成與流體分離機構共線。該固體處理裝置能夠將固體從井眼運送至固體處理裝置的內部空間，並且減小固體的尺寸。然而，將經處理的固體從裝置中排出。在大多數情況下，所排出的經處理的固體被提供給泥漿提升泵。然後，將固體泵送至水面。在本發明的一個方法中，能夠穿過立管將衝洗工具伸入固體處理裝置的中心空腔，以將固體從裝置內部去除。


附圖示出了本發明的各個方面，其包括以下附圖:圖1示出了用於處理在水體內的鑽井得到的固體的系統；圖2示出了從立管延伸至泥線的幾個部件；圖3揭示了沿圖2的線3-3截取的立管的橫截面；圖4A示出了固體處理裝置的共線位置；圖4B示出了當去除外殼時固體處理裝置的一些內部部件；圖4C是固體處理裝置的第一實施例的透視圖；圖5A為示意圖，其示出了由刀具組件沿彼此相反的方向旋轉所產生的逆向流動；圖5B示出了使固體在從固體處理裝置的中心空腔移至外圍環形區域的同時尺寸變小的方式；圖6示出了容納在盒中的刀具組件的可移動性；圖7是圖4A的固體處理裝置的橫截面圖，其示出了利用從立管伸入固體處理裝置的中心空腔的衝洗工具衝洗固體處理裝置內部的方法；以及圖8示出了具有替換性盒結構的固體處理裝置的替換實施例。
具體實施例方式在本發明的構造中，期望使用適合且配置成與立管共線使用的固體處理裝置。本發明的系統還可以包括與立管共線操作的泥漿提升泵(MLP)。然而，要認識到本發明也可利用不與立管共線的泥漿提升泵來構造。本發明可以從離岸式鑽井平臺或鑽井船或能夠支撐鑽井管柱的任何其它結構進行構造。此外，本發明可以用在水下採礦操作中。在本說明書中，「雙梯度鑽井技術」或「 DGD 」是指在立管的一部分中使用海水裝填的回流管線的鑽井技術。DGD是設計用於解決井眼中井下壓力過大問題的鑽井技術。即，立管中的鑽井泥漿的流體靜壓頭壓力與在泥線附近的位置處的巖層壓力之間的巨大差異提出了挑戰。這種壓力差會引起阻礙利用普通的立管回流鑽井法鑽井至目標深度的操作性困難。DGD鑽井法採用了裝填海水的立管，其使得壓力失衡受到限制。為了使用DGD技術，需要在井眼(或井口)中的鑽井泥漿與立管中的海水之間形成接口。這種接口可以是大概位於立管中的井口上方的流體一流體接口，或者可以通過機械設備的設置將兩種流體完全隔離來實現。可用在本發明系統中的水下旋轉設備(SRD)在某些方面與鑽井旋轉頭相似。它是DGD鑽井系統中最上面的裝備件。它通常被布置成高出泥漿提升泵(MLP)約60英尺，但其精確位置還要取決於井的構造。SRD起到將立管中約8.6磅/加侖的流體與井中重量密度更大的泥漿分開的作用。SRD有助於防止氣體進入立管，以及在井上提供需要供給MLP的小壓力(小於5Opsi )。應注意到，此處公開的本發明可與雙梯度鑽井法一同使用，但是本發明不必局限於在雙梯度鑽井法中使用。也就是說，本發明的裝置、系統或方法可以有效地與普通的單梯度鑽井法或將會有效地因鑽屑顆粒尺寸減小而受益的任何其它方法聯繫使用。此外，要認識到本發明可以與水下採礦中的挖掘過程及類似的處理固體以獲得含礦固體的礦物質的過程相關聯使用。參見圖1，在一個實施例中，用於鑽井應用的本發明可以與其上擱置有鑽架22的鑽井船20相關聯使用。立管24在鑽井管柱29內朝向泥線34從鑽架伸入水體23。立管24以可操作的方式連接水下旋轉設備26。固體處理裝置或單元(SPU) 28可設在SRD下方並且與SRD或立管共線。泥漿提升泵30也可設成與鑽井管柱共線。防噴器(BOP) 32在圖1中被不出設在泥線34上(或者在海洋鑽井中設在海床上)。本說明書中的術語「共線」一般是指部件位於鑽井管柱29內成為鑽井管柱29的部件的定位，其相對於與鑽井管柱29分離(或者只是遠程連接)的位置。鑽井管柱29是立管內一列大體豎直的鑽井管柱，其將鑽井液(藉助泥漿泵)和力矩(通過頂部的驅動器和方鑽井管柱；未示出)傳遞給井底的鑽頭(未示出)。圖2中示出了鑽井管柱29的一部分35，其包括立管24、水下旋轉設備26、固體處理裝置28、泥漿提升泵30和防噴器32。圖3中示出了沿圖2的線3_3截取的立管橫截面。在圖3中，海水動力管線40從鑽井船20處運送海水，其充當泥漿提升泵30的動力源。海水被用於為泥漿提升泵30提供動力，且這種海水通常將被過濾成約100微米。可以在實施本發明時與雙梯度鑽井法一同使用的泥眾提升泵30由Texas, Houston的Hydril公司製造。泥漿下降管線48 (其為鑽井管柱佔據的空間，未示出)構成立管24的中心區域。泥漿回流管線36將泥漿和經處理的固體(即鑽屑)送回到鑽井船20的表面。同時還示出了壓井管線38，其用於提供通向表面的乾淨流體管線以原始計量關井時的溢流壓力作用。在循環期間，壓井管線可以被用於將流體「注入」或泵送回井中，作為將壓井加重泥漿送至井眼上部的方法。在圖3左側示出的節流管線42通常裝填有乾淨泥漿或立管流體，且起到提供用於將壓井操作期間流入的地層流體循環出去的管道的作用。第一液壓管線44和第二液壓管線46用於為BOP組控制提供基於乾淨水的動力流體。圖4A不出了與鑽井管柱部分35分尚的固體處理裝置28。外殼56由上端58和下端60構成。在外殼56下方可看到第一排放埠 86和第二排放埠 88,它們與泥眾回流管線36相連。在與整個立管柱形成一體時，上法蘭52和下法蘭54經美國石油協會評定等於或大於立管法蘭設計。另外，在圖4A的右側還示出了泥漿回流管線36。在一個實施例中，海水動力管線40可以由無縫的「super duplex」型管道構成。同時還示出了剛性管道84和節流管線42。圖4B示出了與圖4A所示相似的部件，但是在圖4B中，已將外殼56去除以便更近地檢查固體處理裝置28的內部部件。例如，圖4B示出了第一刀具組件50a、第二刀具組件50b、第三刀具組件50c及第四刀具組件50d，其構成在文中進一步示出的刀具組件的一個單元。
圖4C示出了固體處理裝置28的透視圖，其中外殼56被去除且內部套筒的一部分被切掉以便檢查內部部件。中心空腔39是敞開的，且在裝置28的中央不存在機械障礙。在圖4C的左側上示出了第一刀具組件50a、第二刀具組件50b、第三刀具組件50c及第四刀具組件50d (第一刀具組件50a和50b在圖中部分隱藏)。另外，各刀具組件50a_d分別包括豎直延伸且彼此大體平行的第一軸68a、第二軸68b、第三軸68c及第四軸68d。刀具組件50a-d —同保持在第一盒94中。同樣，圖4C的右側的另外四個刀具組件(未編號)被保持在第二盒96中。內部套筒64容納泥漿回流管線36、壓井管線38和剛性管道84 (均可在圖4C的頂部附近看到)。下部元件70構成固體處理裝置28的底座。在鑽井泥漿和固體通過固體處理裝置28兩側上的刀具組件之後，第一排放埠 86和第二排放埠 88接收鑽井泥漿和經處理的固體。參見圖5B，示出且更詳細地描述了第一排放埠 86和第二排放埠 88。入口孔62與中心空腔39流體連通。來自井眼的鑽井泥漿和固體通過入口孔62並且由流體流運送至刀具組件以便對固體進行處理(即使尺寸減小)，正如文中進一步描述的那樣。另外，剛性管道80和剛性管道84可以包含電纜或其它纜線。節流管線82被示出穿過下部元件70。圖5A中給出了本發明的一個實施例中的第一刀具組件50a和第二刀具組件50b的示意性頂視圖，其中出於說明性目的，兩個組件是分開的。箭頭表示第一刮刀76 (由軸68a驅動)的旋轉方向與第二刮刀78 (由軸68b驅動)相反。逆向流動模式被示出。第三刀具組件50c和第四刀具組件50d同樣是成對的，以在本發明的一個實施例中形成逆向流動模式。在盒96內的這兩個成對的刀具組件當中，圖4C右側的其它成對的刀具組件(未編號)呈現類似的逆向流動模式。這種逆向流動模式被認為有助於含有固體的鑽井泥漿有效且高效地從中心空腔39通過刀具組件(諸如50a-d)，進入固體處理裝置28的外圍環形區域74 (參見圖6)。圖5B示出固體(諸如大塊固體顆粒90)通過入口孔62，並且從中心空腔39通過第三和第四刀具組件50c-d以形成較小的固體顆粒92 (經處理的固體)，這些顆粒92移動到外圍環形區域74中。如圖5B的箭頭所示，分別通過第三軸68c和第四軸68d使第三刮刀77和第四刮刀79沿相反的流動方向旋轉。這種運動與圖5A中示出的第一刀具組件50a和第二刀具組件50b的運動類似。鑽井泥漿和固體被抽離中心空腔39穿過固體處理裝置28，並且離開第二排放埠 88。儘管已發現逆向流動模式有助於移動泥漿和固體，但是在實施本發明時也可以採用流動方向不相反的其它流型。本發明不限於任何特定的流型。圖6示出了具有完整外殼56的固體處理裝置28的透視圖，外殼56具有上端58和下端60。外殼56包圍內部套筒64，其在內表面上形成中空的空心中心空腔39，如圖6中的箭頭所示。中心空腔39不存在機械障礙，且在側面由第一盒94和第二盒96界定。其它結構基本上與圖4C所述的相同。第二盒96被示出可作為單個單元從固體處理裝置28中取出，使得能夠方便且有效地維護和置換刀具組件。同樣，在將裝置28從水中取出以通過在鑽臺上快速插入新的盒94、96而進行維護時，由於無需如非模塊式設計中所需要的對刀具組件全部重建或重構，可以節省大量時間。圖6示出了先前在圖4C中示出的其它部件。圖7是圖4A的固體處理裝置的橫截面圖，其示出了利用從立管24伸入固體處理裝置的中心空腔39中的衝洗工具102衝洗固體處理裝置28內部的方法。具有噴嘴104的衝洗工具102可以沿著鑽井管柱35向下進入立管24，並且直接進入中心空腔39以直接衝洗刀具組件(諸如刀具組件50b)表面上的粘泥、粘土或其它碎片。這種維護對於固體處理裝置28的操作而言非常重要，且它的實現源於固體處理裝置28的共線構造(即與鑽井管柱29和立管24共線)。當刀具組件發生堵塞或阻塞時，這可能是最有效的碎片清理方法。圖7中還示出了第一驅動機構98和第二驅動機構100。這些驅動器向固體處理裝置28兩側上的刀具組件的相應軸提供動力。為驅動器機構98、100提供動力的一種有用方式是利用來自泥漿提升泵30的液壓動力，然而本領域還知曉其它動力生成手段，且這些手段可以用於實施本發明。圖8示出了本發明的第二實施例110，其中示出了不同的刀具組件和盒結構。在該實施例中，刀具組件132a-b (具有相應的軸112a-b)成對地位於第一盒116中，同時刀具組件132c-d (具有相應的軸112c-d)也成對地位於第二盒118中，但是與刀具組件132a_b間隔一定距離。同樣地，刀具組件134a-b (具有軸114a-b)構成第三盒120，構成第四盒122的刀具組件134c-d (具有軸114c-d)也以成對的構造示出。本發明的一些實施例可以從圖8所示的結構中獲益，該結構使用全部四個盒來替代圖4C和6的兩個盒的結構(第一實施例)。中心空腔124不存在障礙物，並且通過入口孔126接收泥漿和固體。下部元件128支撐固體處理裝置110的底側。第二實施例110的流動特性(與圖4C的固體處理裝置28的第一實施例相比)可更能夠某些特定操作條件或者鑽井所得固體的某些具體地質性質，這些將從測試或實際使用中變得顯而易見。固體處理裝置被設計成避免尺寸大於約1.5英寸X0.5英寸X0.5英寸的固體(或「巖屑」)到達泥漿提升泵30，因此這個尺寸是最合適的這類泵設計所能接受的最大的固體顆粒尺寸。固體處理裝置28中的刀具組件通常將能夠剪切比這些尺寸大的物體。小於要求的最小值的鑽屑通過固體處理裝置28。經處理的固體92的尺寸可減小成約為在實施本發明時巖屑要通過的管道或閥門的直徑的1/3或更小。在通過固體處理裝置28之後，鑽井泥漿和經處理的固體92可被送至泥漿提升泵30，然後通過立管上的泥漿回流管線36被泵送至地面。閥門(未示出)可以被用於控制從固體處理裝置28到泥漿提升泵30的流動。在一些實施例中，泥漿提升泵30可以是隔膜型泵。被認為理想的是採用由從地面泵送的海水提供動力的6腔(80加侖)的隔膜泵。期望所採用的泥漿提升泵30為具有獨立控制的吸入和排放閥的容積泵。由於各個腔室可獨立工作，因此泥漿提升泵30可以充當兩個三缸泵、一個五缸、一個四缸、一個三缸、一個雙缸泵或者充當單缸泵。當泵在小於最大容量的情況下工作時，這種能力形成期望的冗餘。在某些情況下，泥漿提升泵30在所有腔室均工作的情況下提供1800加侖/分鐘的最大額定流速。這種泵通常將具有兩種主要的工作模式:(a)恆定入口壓力模式，其用於大多數操作；以及(2)恆定速率模式，其用於某些控制良好的操作。固體處理裝置28被用於減少井眼固體和巖屑的尺寸，以確保通向泥漿提升泵30的吸入管線(吸入管線未示出)或者從泥漿提升泵30進入泥漿回流管線36的排出流不會發生堵塞或不期望的阻塞事件。在實施本發明時，固體處理裝置28、110從物理上講通常位於水下旋轉設備(SRD)和底部海洋立管總成之間。然而，固體處理裝置28、110也可以設在其它位置上，諸如泥漿提升泵30內部或其內。固體處理裝置28、110通常藉助由臍帶纜(未示出)運送的信號接收控制和液壓功率。在一個實施例中，固體處理裝置28將具有兩個冗餘的流體路徑，以便在一個整體盒或切割組件被碎片堵塞或卡住時，整個流動能夠通過任一路徑(即通過第一實施例中的任一盒)繼續進行。另外，刀具組件優選將具有使驅動方向反向以清理堵塞物的能力。在DGD操作期間，沿環形空間向上流動的鑽井泥漿回流將在水下旋轉設備26處停止沿海洋鑽井立管向上流動。水下旋轉設備26密封海洋鑽井立管24內的環形空間，同時允許鑽井管柱(未示出)通過及旋轉。這將致使鑽井泥漿回流尋求另一條離開立管24的路徑。在一個實施例中，固體處理裝置28被設置成與立管24共線。固體處理裝置28、110通常將直接位於SRD下方，且可以在立管壁上具有窗口(未示出)，其將允許鑽井回流離開。切割組件將被設在固體處理單元28、110上位於立管下方的豎直方位設置的內部套筒中。在實施文中所述的雙梯度鑽井法時，鑽井管柱閥(未示出)可以被用於防止在循環停止時鑽井管柱離開井中的U管。鑽井管柱閥可以在數種鑽井管柱尺寸下使用，且一般正好在井底組件上方使用。藉助18.5磅/加侖的泥漿，它可以用在水深10，000英尺且總豎直深度TVD高達35，000的井中。對於構造固體處理裝置28、110中的刮刀而言，恰當且有利的材料是非磁性、高強度的抗腐蝕合金。可供使用的這樣一種合金是由West Virginia, Huntington的SpecialMetals公司製造的|\'101^丨@鎳合金。這種合金阻止美國墨西哥灣岸區地址環境下的粘土和粘泥土壤「粘附」在刮刀的金屬表面上，這有助於防止固體處理裝置28、110發生堵塞或卡堵。實際上，刮刀可以處理粘泥、浙青(柏油)、水泥、頁巖、巖石、彈性體、金屬(諸如浮鞋)及鑽井操作過程中遇到的其它井眼材料。刮刀通過適應碎片及鑽井泥漿的材料及表面處理形成。固體處理裝置28、110可以在每條流動路徑(每個盒)上獲得多達1800加侖/分鐘的流速。通過這種方式，即使一個刀具組件出現堵塞或其它不能工作的情形，藉助固體處理裝置28、110的其它側面或其它盒仍然具有足夠的流動能力來管理整個流動體積。這個特徵在避免需要將整個裝置28、110拉出水面以進行補救操作(這是費時且費錢的)方面特別有價值。在實施本發明時，固體處理裝置28、110通常將能夠通過約60.5英寸的鑽架旋轉臺，其中所述旋轉臺具有內徑為59英寸的分流器殼體。在本發明的一個有用實施例中，固體處理裝置28、110的最大外徑不超過58英寸。刀具組件可以具有密封的軸承和齒輪箱設計，其位於壓力補償油槽中以防止在水體深度下發生不期望的流體入侵。這種壓力補償系統通常將具有略高於環境的壓力，以確保任何油漏都將發生在從密封空腔到鑽井泥漿回流的方向上。下列規範是可用在鑽井系統中的部件及管線的可用尺寸及參數的實例，這可由鑽井領域的技術人員所認識到。然而，本發明不限於所列參數:節流&壓井管線管道尺寸為6.5』』的0DX4.5』』的ID15, OOOpsi的 工作壓力H2S 供給最小允許腐蝕度=0.05英寸
水下動力流體管線(經過濾和可能地處理的海水)管道尺寸為7.5」的0DX0.75』』的壁7, 5OOpsi的工作壓力泥漿回流管線(泥漿及巖屑)管道尺寸為7.5』』的0DX0.75』』的壁7, 500psi的工作壓力最小允許腐蝕度=0.05英寸液壓導管管線兩條管線，其尺寸為2.875』』的ODX 0.276」的壁5，OOOpsi的工作壓力固體處理裝置28、110的共線構造的一個優點在於能夠利用下放穿過立管24、SRD且直接進入裝置28、110的中心空腔的衝洗工具102有效且快速地清理裝置內部的泥漿和碎片。當高壓水在外圍環形區域中被噴射到刮刀表面上時，衝洗工具102的高壓噴嘴104可以被用於清洗和衝刷這些刮刀。這是一種高效的清洗固體處理裝置28、110的刮刀的方法，且可以通過與立管24對齊地直接共線放置裝置28、110來實現。由於在實施本發明時優選避免尖銳的90度彎曲和180度轉向，因此在可能的情況下利用彎曲彎頭進行排出管線的布線。管道布局應使流體方向改變次數最少，因為過多的彎曲將導致固體停留在管道中以及在管道中形成高的壓降。刀具組件可以由雙向可變速驅動器驅動。如果驅動功率不再能夠提供給定轉速下需要的力矩或者刀具組件上的壓降超過預設值，則控制器會降低每分鐘的轉數(rpm)或者切換刀具的方向以清理阻塞。一旦已將阻塞清理或者在相反方向上受到過大的液壓驅動壓力時，刮刀則將再次在處理方向上以降低的速度和更高的力矩進行旋轉，以便處理任何可能導致阻塞的附加材料。對於本發明的裝置而言，可以通過適當的材料選擇、塗層系統及陰極保護來提供腐蝕控制，參見SSM-SU-54.11:水下儀器的整體要求。在實施本發明時，文中列出的鑽井流體優選在工作溫度和壓力下與儀器的彈性體相兼容。系統的壓力設計考慮約18.3ppg的最大靜態泥漿重量。在恰當的情況下，所有設計還額外考慮在期望的主要流速下的摩擦壓力。在實施本發明時可採用的特定泥漿組分如下:(a)具有30%土乙二醇的10%NaCl，用於將水合物抑制至35 °F(2°C)。這種泥漿系統特別用於其中壓裂梯度低的鑽井表面孔洞間隔。它提供含鹽量低的水合物抑制。這種配方下的泥眾密度約為9.5ppg。(b)具有聚合物和乙二醇的26%氯化鈉。這種泥漿的重量範圍在12.0ppg-16.0ppg之間。這個配方用於其中由於壓裂梯度低而不能在鹽下方使用合成泥漿的鑽井鹼式鹽井。(c) 20-25%的氯化鈣。泥漿密度在12.0ppg-16.0ppg之間。(d) 20-25%的氯化鉀。泥漿密度在12.0ppg-16.0ppg之間。(e) C16-C18IO (內烯烴)泥漿系統。泥漿密度在14.0ppg-18.3ppg之間。(f)低鹽度的褐煤/木質素磺酸鹽系統。稱重高達18.3ppg。(g)矽酸鈉泥漿系統。稱重為12-18.3ppg。(h)額外材料可以包括重晶石、碳酸鈣和赤鐵礦。
本說明書可以設想本發明的附加實施例，且文中示出或描述但未具體引述的其它實施例落在所要求的發明的範圍內。
權利要求
1.一種固體處理裝置，包括: 具有中心空腔的內部套筒， 外殼，該外殼沿圓周設置在內部套筒外側以在外殼與內部套筒之間形成外圍環形區域， 位於外圍環形區域內的第一刀具組件，該第一刀具組件包括其上裝配有第一刮刀的第一軸， 與中心空腔流體連通的入口孔，該入口孔能夠將鑽井泥漿和固體送至中心空腔，以及 排放埠，該排放埠能夠將鑽井泥漿和經處理的固體排出外圍環形區域。
2.如權利要求1所述的固體處理裝置，其中該固體處理裝置包括第二刀具組件，該第二刀具組件包括其上裝配有第二刮刀的第二軸，其中第一和第二軸大體平行排列，並且第一和第二軸被構造成能夠反向旋轉。
3.如權利要求2所述的固體處理裝置，其中第三刀具組件和第四刀具組件設置在外圍環形區域內。
4.如權利要求2所述的固體處理裝置，其中所述第一和第二刀具組件被保持在第一盒中。
5.如權利要求4所述的固體處理裝置，其中具有多個刀具組件的第二盒布置在外圍環形區域內。
6.如權利要求1所述的固體處理裝置，其中第一刀具組件能夠接收來自位於外殼外部的驅動機構的動力。
7.如權利要求1所述的固體處理裝置，其中該固體處理裝置被構造成用於直接連接至立管。
8.如權利要求7所述的固體處理裝置，其中中心空腔能夠接收從立管伸出的衝洗工具。
9.一種用於處理在水體內的由鑽井得到的固體的處理系統，該水體具有上部水面和下部泥線面，該處理系統包括: 在上部水面下方延伸的立管，該立管裝填有第一密度的第一流體， 在下部泥線面下方延伸的井眼，該井眼裝填有第二密度的第二流體，其中第二密度大於第一密度， 與立管和井眼連通的流體分離機構，該流體分離機構能夠保持第一和第二流體之間的分離和密度差， 泥漿提升泵，以及 連接至泥漿提升泵的固體處理裝置，該固體處理裝置具有中心空腔，該中心空腔被布置成與立管共線，該固體處理裝置能夠用於將鑽井得到的固體接收在中心空腔中以及減小鑽井得到的固體的顆粒尺寸，以形成經處理的固體。
10.如權利要求9所述的處理系統，其中該固體處理裝置包括至少與立管的壓力等級一樣大的壓力等級。
11.如權利要求9所述的處理系統，其還包括將固體處理裝置與泥漿提升泵連接的排放埠，其中經處理的固體通過排放埠從固體處理裝置傳送至泥漿提升泵。
12.如權利要求9所述的處理系統，其中該固體處理裝置還包括包圍中心空腔的內部套筒，該固體處理裝置還包括沿圓周設置在內部套筒之外的外殼，其中在內部套筒和外殼之間設有外圍環形區域，固體處理裝置還包括設在外圍環形區域中的第一刀具組件，固體處理裝置還包括與中心空腔連通的入口孔，該入口孔能夠用於將鑽井得到的固體傳送給固體處理裝置。
13.如權利要求12所述的處理系統，其中內部套筒為負載軸承，其能夠接收和傳遞鑽井管柱的負載。
14.如權利要求12所述的處理系統，其中第一刀具組件包括第一軸，其中還設置具有第二軸的第二刀具組件，其中第一軸和第二軸大體平行排列。
15.如權利要求14所述的處理系統，其中第一和第二刀具組件的第一和第二軸被構造成能夠相反旋轉。
16.一種與立管相聯的用於處理在水體內的固體的處理裝置，該處理裝置包括: 具有中心空腔的固體處理裝置，該中心空腔被設置成與立管共線，該固體處理裝置能夠用於將固體接收在中心空腔內並且減小固體的顆粒尺寸，以形成經處理的固體。
17.如權利要求16所述的處理裝置，其中該固體處理裝置還包括: 外殼，以及 設在外殼內的內部套筒,其中該內部套筒包括位於內部套筒內部的中心空腔以及位於內部套筒之外的外圍環形區域，該外圍環形區域被設置在內部套筒和外殼之間。
18.如權利要求17所述的處理裝置，其中該固體處理裝置還包括設在外圍環形區域中的切削機構，該切削機構被構造成用於減小固體的尺寸。
19.一種用於處理在水體內的固體的處理方法，該水體具有水面和泥線面，其中立管在水面下方延伸，該立管裝填有第一密度的第一流體，井眼在泥線面下方延伸，該井眼裝填有第二密度的第二流體，其中第二密度大於第一密度，流體分離機構與立管相連且與井眼流體連通，該流體分離機構能夠用於保持第一和第二流體之間的密度差，該處理方法包括以下步驟: 提供具有中心空腔的固體處理裝置，該固體處理裝置被設置成與流體分離機構共線， 將固體從井眼傳送至固體處理裝置的內部空間， 減小固體的尺寸以產生經處理的固體，以及 將經處理的固體排出固體處理裝置。
20.如權利要求19所述的處理方法，其還包括以下步驟: 提供泥漿提升泵，以及 將經處理的固體傳送至泥漿提升泵。
全文摘要
公開了一種用於處理由水體下挖掘或鑽井產生的地質固體或鑽屑的裝置、系統及方法。與立管相聯的用於處理固體的裝置可以採用具有中心空腔的固體處理裝置，所述中心空腔基本不存在機械障礙物。中心空腔可以被設置成與立管共線。該裝置可以能夠將固體接收在中心空腔內、以及藉助位於中心空腔外側的刀具組件減小固體的顆粒尺寸。經切割和處理的固體可以被泵送至水面。
文檔編號E21B21/06GK103154421SQ201180048388
公開日2013年6月12日 申請日期2011年9月28日 優先權日2010年10月5日
發明者L·D·裡德 申請人:雪佛龍美國公司