一種張力系泊式水中鑽井系統及其安裝方法

2023-04-26 23:03:26

專利名稱：一種張力系泊式水中鑽井系統及其安裝方法
技術領域：
本發明涉及一種海洋油氣鑽採技術，特別是一種用於在超深海環境下的張力系泊式水中鑽井系統及其安裝方法。
背景技術：
隨著陸地、近海與中深海域油氣資源的逐漸枯竭，為了滿足人類對石油資源的巨大需求，當下深海(500 1500m)與超深海(1500m以上)油氣田勘探開發是世界石油工業的主要增長點。
目前，國際海洋石油工業通過使用現有的鑽井船(或鑽井平臺)，進行海洋石油鑽井是一種成熟的技術。然而，這種現有的海洋石油鑽井技術用於超深海的石油勘探，對鑽井船(或鑽井平臺)以及海底鑽井設備的設計要求高，造價昂貴。此外，在超深海環境中對海底鑽井設備的檢修難度大，檢修成本高。
為此，依據美國專利申請第4511287號以及中國專利申請第97194273. 0號可知， 將海底鑽井設備放置在水中一立管塔或潛沒浮體上，即水中鑽井技術，可極大地降低海面鑽井設施和鑽井設備的設計要求，同時大大降低超深海油氣田勘探開發的技術難度和資本投入。
然而，按照現有的水中鑽井技術，在下部隔水管與水中鑽井設備的安裝過程中，潛沒浮體的穩定性不夠，加大了安裝工藝的難度；此外，通過使用安裝完畢的下部隔水管作為張力支柱為潛沒浮體提供穩定性支撐，在簡化工藝的同時卻帶來了極大的安全問題。在深海石油鑽井過程中，需考慮到井筒內部的不確定性壓力作用到下部隔水管的問題，由此引發的巨大上提張力可能會造成下部隔水管的斷裂，同時潛沒浮體迅速上浮，與海面鑽井船 (或鑽井平臺)發生撞擊，潛在風險巨大。發明內容
為解決現有水中鑽井技術在超深海環境中遇到的上述問題，本發明要提供一種張力系泊式水中鑽井系統及其安裝方法，能夠在下部隔水管與水中鑽井設備的安裝過程中為下部隔水管與水中鑽井設備提供穩定的安裝平臺，同時極大地提高現有水中鑽井技術的安全係數。
為了實現上述目的，本發明的技術方案如下
一種張力系泊式水中鑽井系統，包括鑽井船、水中鑽井平臺、張力系泊裝置、防噴器組、上部隔水管、下部隔水管以及海底井口裝置；
所述的水中鑽井平臺位於海面下Hl處，通過張力系泊裝置系泊在海床上以約束水中鑽井平臺在水中的運動；水中鑽井平臺上部設置有三個井口頭，每個井口頭的下端設置有隔水管通道；下部隔水管的上端通過隔水管通道與水中鑽井平臺上部的井口頭連接、 其下端與海底井口裝置連接；上部隔水管的上端與鑽井船連接、其下端與防噴器組連接； 所述的防噴器組安裝在水中鑽井平臺上部的井口頭上；所述的Hl為150-350m;
所述的水中鑽井平臺採用海星式結構，中央柱結構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採用中性浮力的桁架結構。
本發明所述的張力系泊裝置包括三根螺旋鋼絲繩股和三個海底樁基。
一種張力系泊式水中鑽井系統的安裝方法，包括以下步驟
A、預備工作
將樁基、海底井口裝置安裝在海床上；安裝駁船拖曳水中鑽井平臺到達目標海域；
B、水中鑽井平臺的安裝
Bi、安裝駁船利用吊裝纜繩將水中鑽井平臺吊入到海面下Hl處；
B2、安裝駁船下放遠程控制機器人，遠程控制機器人完成螺旋鋼絲繩股與海底樁基的連接；
B3、安裝駁船通過臍帶纜向水中鑽井平臺輸送壓縮氮氣，提升水中鑽井平臺的淨浮力，同時張緊三根螺旋鋼絲繩股，從而為下部隔水管的安裝提供一個相對平穩的工作環境；所述的三根螺旋鋼絲繩股的頂張緊力係數為1. 1-1. 3 ；
C、下部隔水管的安裝
Cl、鑽井船運行到達海上目標作業區，鑽井船利用下入管柱使得下部隔水管順利通過水中鑽井平臺；
C2、在下部隔水管通過水中鑽井平臺，距離海底井口裝置上方50米左右時，鑽井船通過水中鑽井平臺的浮力調節裝置逐漸降低其淨浮力，放鬆先前張緊的螺旋鋼絲繩股， 下部隔水管藉助下入管柱繼續下放，並完成與海底井口裝置的對接；
C3、鑽井船通過臍帶纜向水中鑽井平臺送入壓縮氮氣，提升水中鑽井平臺的淨浮力，水中鑽井平臺上浮完成與下部隔水管的連接；
C4、鑽井船通過臍帶纜繼續向水中鑽井平臺送入壓縮氮氣，提升水中鑽井平臺的淨浮力，使下部隔水管的頂張緊力達到設計標準；所述的設計標準為下部隔水管的頂張緊力係數1. 4-1. 6，三根螺旋鋼絲繩股的頂張緊力係數1. 1-1. 3 ；
D、防噴器組的安裝
防噴器組安裝在上部隔水管的下端，在水中鑽井平臺上部的臨時導向設備的輔助下，防噴器組下放安裝在水中鑽井平臺上部的井口頭處。
本發明步驟Cl所述的下部隔水管的安接方法包括以下步驟
在水中鑽井平臺上部的井口頭處安裝臨時導向基座，使得下部隔水管準確通過水中鑽井平臺上的隔水管通道。
本發明步驟C2所述的下部隔水管與海底井口裝置的對接方法包括以下步驟
在位於海床上的海底井口裝置設置有導向喇叭口，便於下部隔水管的下端與海底井口裝置的準確對接。
與現有技術相比，本發明具有以下有益效果
1、本發明的水中鑽井平臺能夠在下部隔水管與水中鑽井設備的安裝過程中為下部隔水管與水中鑽井設備提供穩定的安裝平臺。水中鑽井平臺採用海星式結構，中央柱結構邊緣連接三根矩形截面懸臂浮筒；中央柱結構與懸臂浮筒可獨立設計與建造，這極大地3/5頁降低了水中鑽井平臺的設計難度與建造成本。
2、本發明的懸臂浮筒末端採用了中性浮力的桁架結構。當設計要求需要額外加大水中鑽井平臺的淨浮力時，只需減少桁架結構在懸臂浮筒上的比例長度或增加懸臂浮筒的長度即可；若滿足設計浮力要求，可加大桁架結構在懸臂浮筒上的比例長度，從而降低水中鑽井平臺的自重。這極大地提高了水中鑽井平臺的設計靈活性，同時簡化了懸臂浮筒的建造工藝難度，降低了建造成本。
3、本發明的水中鑽井平臺通過螺旋鋼絲繩股張力系泊在位於海床的樁基上，這極大地提高了水中鑽井平臺的穩定性，降低了下部隔水管與防噴器組的安裝難度；同時，張緊的螺旋鋼絲繩股可以分擔可能由於井筒內部的不確定性壓力所引起的巨大上提張力，防止下部隔水管被拉斷，這極大地提高了現有水中鑽井技術的安全係數。
4、本發明採用螺旋鋼絲繩股來張力系泊水中鑽井平臺，在滿足張力筋腱拉伸強度的前提下，解決了傳統的張力系泊裝置在超深海環境下，張力筋腱自重過大的問題(計算表明3000m長度、130mm直徑的螺旋鋼絲繩股的水中表觀重量只有200噸左右)。
5、本發明的水中鑽井平臺可在鑽井船就位前安裝，可縮短安裝工期，從而降低安裝成本。
6、本發明將原本位於海床上的防噴器組，安裝到位於海面下150-350m處的水中鑽井平臺上，從而使得相關的安裝與維修作業由超深海作業變為在海面下150-350m的淺水作業，極大地降低了安裝與維修的技術難度以及成本投入。
7、本發明在遇到緊急危險情況時，上部隔水管與防噴器組可與水中鑽井平臺上部的井口頭迅速分離，從而形成海面鑽井船與水中鑽井平臺的斷開狀態，提升了水中鑽井系統的安全係數。


本發明共有附圖2張，其中
圖1是本發明的整體結構示意圖。
圖2是本發明的水中鑽井平臺的俯視圖。
圖中2、桁架結構，3、井口頭，5、防噴器組，7、螺旋鋼絲繩股，8、樁基，10、水中鑽井平臺，11、中央柱結構，12、懸臂浮筒，15、鑽井船，16、海面，17、海床，20、上部隔水管，25、下部隔水管，28、海底井口裝置。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明進行進一步地描述。
如圖1所示，一種張力系泊式水中鑽井系統，主要包括鑽井船15、水中鑽井平臺 10、張力系泊裝置、防噴器組5、上部隔水管20、下部隔水管25以及海底井口裝置觀。
如圖1所示，水中鑽井平臺10位於海面16下Hl處，以避開海面下的紊流區，使得水中鑽井平臺10幾乎不受近海面16處的風、浪、流影響，保持良好的在位性能。水中鑽井平臺10上部設置有三個井口頭3，每個井口頭3的下端設置有隔水管通道(圖中未展示)； 下部隔水管25的上端通過隔水管通道與水中鑽井平臺10上部的井口頭3連接、其下端與海底井口裝置28連接；上部隔水管20的上端與鑽井船15連接、其下端與防噴器組5連接；6所述的防噴器組5安裝在水中鑽井平臺10上部的井口頭3上。海底井口裝置觀在採集海底的油氣資源後，通過下部隔水管25、防噴器組5和上部隔水管20，最終到達鑽井船15，從而完成海上油氣的開採。
如圖1-2所示，水中鑽井平臺10採用海星式結構，即中央柱結構11邊緣連接三根矩形截面懸臂浮筒12，三根矩形截面懸臂浮筒12在平面上的夾角為120°，形成輻射狀，懸臂浮筒12的末端採用中性浮力的桁架結構2 ；中央柱結構11與懸臂浮筒12可獨立設計與建造，中性浮力的桁架結構2使得水中鑽井平臺10在滿足設計浮力的情況下，可降低水中鑽井平臺10的自重，這極大地提高了水中鑽井平臺10的設計靈活性，同時簡化了懸臂浮筒 12的建造工藝難度，降低了建造成本。
如圖1所示，本發明的水中鑽井平臺10通過三根螺旋鋼絲繩股7張力系泊在位於海床17的樁基8上，這極大地提高了水中鑽井平臺10的穩定性；同時，張緊的螺旋鋼絲繩股7可以分擔可能由於井筒內部的不確定性壓力所引起的巨大上提張力，防止下部隔水管 25被拉斷，這極大地提高了現有水中鑽井技術的安全係數。
特別地，本發明採用螺旋鋼絲繩股7來張力系泊水中鑽井平臺10，在滿足張力筋腱拉伸強度的前提下，解決了傳統的張力系泊裝置在超深海環境下，張力筋腱自重過大的問題(計算表明3000m長度、130mm直徑的螺旋鋼絲繩股的水中表觀重量只有200噸左右)。
一種張力系泊式水中鑽井系統的安裝方法，包括以下步驟
A、預備工作
將樁基8、海底井口裝置28安裝在海床17上；安裝駁船拖曳水中鑽井平臺10到達目標海域；
B、水中鑽井平臺10的安裝
Bi、安裝駁船利用吊裝纜繩將水中鑽井平臺10吊入到海面16下Hl處；
B2、安裝駁船下放遠程控制機器人，遠程控制機器人完成螺旋鋼絲繩股7與海底樁基8的連接；
B3、安裝駁船通過臍帶纜向水中鑽井平臺10輸送壓縮氮氣(防腐蝕)，提升水中鑽井平臺10的淨浮力，同時張緊三根螺旋鋼絲繩股7 (此時三根螺旋鋼絲繩股7的頂張緊力係數1. 1-1. 3)，從而為下部隔水管25的安裝提供了一個相對平穩的工作環境；
C、下部隔水管25的安裝
Cl、鑽井船15運行到達海上目標作業區，鑽井船15利用下入管柱使得第一根下部隔水管25順利通過水中鑽井平臺10上部的第一個井口頭3 ；
特別說明的是在水中鑽井平臺10上部的井口頭3處安裝臨時導向基座，以使得下部隔水管25準確通過水中鑽井平臺10上的隔水管通道。
C2、在第一根下部隔水管25穿過水中鑽井平臺10、距離第一個海底井口裝置觀上方50m左右時，鑽井船15通過水中鑽井平臺10的浮力調節裝置逐漸降低其淨浮力，放鬆先前張緊的螺旋鋼絲繩股7，第一根下部隔水管25藉助下入管柱繼續下放，並完成與第一個海底井口裝置觀的對接；
特別說明的是在位於海床17上的所有海底井口裝置觀均設置有導向喇叭口，便於下部隔水管25的下端與海底井口裝置28的準確對接。
在安裝完成第一根下部隔水管25後，再依次分別操作第二根和第三根下部隔水管分別穿過水中鑽井平臺10上部的第二個和第三個井口頭3，並完成與第二個和第三個海底井口裝置觀的分別對接。
C3、鑽井船15通過臍帶纜向水中鑽井平臺10送入壓縮氮氣，提升水中鑽井平臺10 的淨浮力，水中鑽井平臺10上浮完成與三根下部隔水管25的連接；
C4、鑽井船15通過臍帶纜繼續向水中鑽井平臺10送入壓縮氮氣，提升水中鑽井平臺10的淨浮力，使下部隔水管25的頂張緊力達到設計標準(最終，下部隔水管25的頂張緊力係數1. 4-1. 6，三根螺旋鋼絲繩股7的頂張緊力係數1. 1-1. 3)；
D、防噴器組5的安裝
將防噴器組5安裝在上部隔水管20的下端，在水中鑽井平臺10上部的臨時導向設備的輔助下，防噴器組5下放安裝在水中鑽井平臺10上部的第一個井口頭3處；在完成了對第一個海底井口裝置觀的鑽採工作後，上提防噴器組5，依次分別與第二個和第三個井口頭3連接，分別完成對第二個和第三個海底井口裝置觀的鑽採工作。
至此，一種張力系泊式水中鑽井系統安裝完畢。
特別地，在超深海油氣田勘探中，在遇到緊急危險情況時(如當颱風或颶風來襲)，上部隔水管20與防噴器組5可與水中鑽井平臺10上部的井口頭3迅速分離，從而形成海面16上的鑽井船15與水中鑽井平臺10的斷開狀態，鑽井船15可迅速避險，以防止開發油田由於緊急危險情況而引發巨大的人員傷亡和財產損失。
權利要求
1.一種張力系泊式水中鑽井系統，其特徵在於包括鑽井船(15)、水中鑽井平臺(10)、 張力系泊裝置、防噴器組(5)、上部隔水管(20)、下部隔水管0 以及海底井口裝置08)；所述的水中鑽井平臺(10)位於海面(16)下Hl處，通過張力系泊裝置系泊在海床(17) 上以約束水中鑽井平臺(10)在水中的運動；水中鑽井平臺(10)上部設置有三個井口頭 (3)，每個井口頭C3)的下端設置有隔水管通道；下部隔水管0 的上端通過隔水管通道與水中鑽井平臺(10)上部的井口頭C3)連接、其下端與海底井口裝置08)連接；上部隔水管 (20)的上端與鑽井船(1 連接、其下端與防噴器組( 連接；所述的防噴器組(5)安裝在水中鑽井平臺(10)上部的井口頭(3)上；所述的Hl為150-350m ；所述的水中鑽井平臺(10)採用海星式結構，中央柱結構(11)邊緣連接三根矩形截面懸臂浮筒(12)，它們在平面上的夾角為120°，形成輻射狀，矩形截面懸臂浮筒(12)末端採用中性浮力的桁架結構O)。
2.根據權利要求1所述的一種張力系泊式水中鑽井系統，其特徵在於所述的張力系泊裝置包括三根螺旋鋼絲繩股(7)和三個海底樁基(8)。
3.一種張力系泊式水中鑽井系統的安裝方法，其特徵在於包括以下步驟A、預備工作將樁基(8)、海底井口裝置08)安裝在海床(17)上；安裝駁船拖曳水中鑽井平臺(10) 到達目標海域；B、水中鑽井平臺(10)的安裝Bi、安裝駁船利用吊裝纜繩將水中鑽井平臺(10)吊入到海面(16)下Hl處；B2、安裝駁船下放遠程控制機器人，遠程控制機器人完成螺旋鋼絲繩股(7)與海底樁基(8)的連接；B3、安裝駁船通過臍帶纜向水中鑽井平臺(10)輸送壓縮氮氣，提升水中鑽井平臺(10) 的淨浮力，同時張緊三根螺旋鋼絲繩股(7)，從而為下部隔水管0 的安裝提供一個相對平穩的工作環境；所述的三根螺旋鋼絲繩股(7)的頂張緊力係數為1. 1-1. 3 ；C、下部隔水管05)的安裝Cl、鑽井船(1 運行到達海上目標作業區，鑽井船(1 利用下入管柱使得下部隔水管 (25)順利通過水中鑽井平臺(10)；C2、在下部隔水管0 通過水中鑽井平臺(10)，距離海底井口裝置08)上方50米左右時，鑽井船(1 通過水中鑽井平臺(10)的浮力調節裝置逐漸降低其淨浮力，放鬆先前張緊的螺旋鋼絲繩股(7)，下部隔水管0 藉助下入管柱繼續下放，並完成與海底井口裝置 (28)的對接；C3、鑽井船(1 通過臍帶纜向水中鑽井平臺(10)送入壓縮氮氣，提升水中鑽井平臺 (10)的淨浮力，水中鑽井平臺(10)上浮完成與下部隔水管05)的連接；C4、鑽井船(1 通過臍帶纜繼續向水中鑽井平臺(10)送入壓縮氮氣，提升水中鑽井平臺(10)的淨浮力，使下部隔水管0 的頂張緊力達到設計標準；所述的設計標準為下部隔水管05)的頂張緊力係數1. 4-1. 6，三根螺旋鋼絲繩股(7)的頂張緊力係數1. 1-1. 3 ；D、防噴器組(5)的安裝防噴器組(5)安裝在上部隔水管OO)的下端，在水中鑽井平臺(10)上部的臨時導向設備的輔助下，防噴器組( 下放安裝在水中鑽井平臺(10)上部的井口頭C3)處。
4.根據權利要求3所述的一種張力系泊式水中鑽井系統的安裝方法，其特徵在於步驟Cl所述的下部隔水管05)的安接方法包括以下步驟在水中鑽井平臺(10)上部的井口頭C3)處安裝臨時導向基座，使得下部隔水管05) 準確通過水中鑽井平臺(10)上的隔水管通道。
5.根據權利要求3所述的一種張力系泊式水中鑽井系統的安裝方法，其特徵在於步驟C2所述的下部隔水管0 與海底井口裝置08)的對接方法包括以下步驟在位於海床(17)上的海底井口裝置08)設置有導向喇叭口，便於下部隔水管05)的下端與海底井口裝置08)的準確對接。
全文摘要
本發明公開了一種張力系泊式水中鑽井系統及其安裝方法，所述的系統包括鑽井船、水中鑽井平臺、張力系泊裝置、防噴器組、上部隔水管和下部隔水管。本發明的水中鑽井平臺通過螺旋鋼絲繩股張力系泊在位於海床的樁基上，極大地提高了水中鑽井平臺的穩定性，可為下部隔水管與水中鑽井設備提供穩定的安裝平臺。本發明張緊的螺旋鋼絲繩股可以分擔可能由於井筒內部的不確定性壓力所引起的巨大上提張力，防止下部隔水管被拉斷，極大地提高了現有水中鑽井技術的安全係數。本發明在遇到緊急情況時，上部隔水管和防噴器組可與水中鑽井平臺上的井口頭迅速分離，形成鑽井船和水中鑽井平臺的斷開狀態，鑽井船可以去安全海域避險，同時保證了水中鑽井系統的安全。
文檔編號E21B7/12GK102518397SQ20111043903
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月24日 優先權日2011年12月24日
發明者劉剛, 張崎, 李紅霞, 甄興偉, 黃一 申請人:大連理工大學