一種帶有自動扶正水中防噴器的深水鑽井裝置的製作方法

2023-10-08 16:48:19 3

專利名稱：一種帶有自動扶正水中防噴器的深水鑽井裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種海洋石油鑽井裝置，特別是關於一種帶有自動扶正水中 防噴器的深水鑽井裝置。
技術背景深水鑽井裝置概括起來有三種，包括將防噴器(BOP)設置在海底泥線處的常 規鑽井裝置、將防噴器設置在水中的鑽井裝置和將防噴器設置在水上的鑽井裝置。常規鑽井裝置將防噴器放置於海底，鑽井船和海底井口用隔水管連接。隨著 水深的增加，常規水下設置防噴器的鑽井方式面臨著很大的挑戰。 一方面，隨著 水深的增加，需要更長的隔水管和鑽杆，由此將耗費更多的泥漿、更高壓力等級 的設備，隔水管與防噴器的重量和尺寸也大大增加，所以必須具有足夠的甲板負 荷和甲板空間以便儲存所需的隔水管、鑽杆、套管以及其它散料等，以滿足鑽井 施工的要求，於是就要具有更大的作業設備，以滿足設備移運的需要。另一方面， 水深增加，深水惡劣的作業環境加劇，使得起下隔水管、套管和鑽杆會耗費很長 時間，特別是在遇到颱風等緊急情況下，隔水管的脫離更加困難，這樣將導致鑽 井非生產時間增多，對設備的可靠性要求提高，使深水鑽井平臺呈現出大型化的 趨勢，包括甲板可變載荷、平臺主尺度、載重量、物資儲存能力等各項指標都向 大型發展，這樣一方面使得鑽井作業的費用大幅度增加，也給深水鑽井作業帶來 了很大的風險。為了克服常規水下設置防噴器的深水鑽井裝置的缺點，近年來發展了一種將 防噴器設置在水上的表面防噴器系統(SB0P)。水上設置防噴器的鑽井裝置包括 水面防噴器、高壓隔水管、水下斷開系統(SID)以及用於這些組件的控制系統等。 水上設置防噴器的鑽井裝置其主要優點是，可使用小的輕的隔水管,使便宜的第三 代鑽井船能夠進入深水，從而大大降低深水作業的費用。但是水上設置防噴器的 鑽井裝置也有自身的缺點，由於防噴器在水面以上，與鑽井船不能分開，因此造 成在緊急情況下隔水管脫離困難，使用時受到海況和地質條件的限制較大，只能 在海況條件比較好，地層情況比較清楚的井位使用。另外，挪威ADTH公司提出了一種人工海底鑽井系統(ABS系統)，是將一個直 徑為20米、高10米的浮筒安裝於水下250米處，井口與防噴器安置在浮筒上，浮筒 下部與回接管(外徑22寸)連接。這樣可方便撤離，能降低對鑽井船的要求，在輔助作業船的協助下，可以使便宜的第三代鑽井船進入深水。但是這種ABS系統存 在以下缺點1、由於受系統受力狀態的影響，ABS系統不能承受太大的流速，浮筒安裝於水下較深(250米 300米)，不但對系統的要求很高，而且作業也不方 便。2、由於浮筒本身的重量較大(達379. l噸)，還需要承受防噴器以及下部回 接管的所有重量，這就需要提供足夠的浮力，因此使得浮筒的尺寸很大(直徑近 20米，高10米)。3、由於浮筒的尺寸很大，因此安裝作業非常費時，製造的費用 也高，使用的水深也受到限制，最大水深為1500米。4、由於防噴器直接坐於浮筒 上，而防噴器重量很大，這樣使得浮筒與防噴器組成的系統重心偏高，系統的穩 性不好，因此對系統的安全及作業等都帶來了很大的負面影響。針對上述問題，本實用新型的目的是提供一種穩定性好，適用性強、費用低 廉、可用於較深海域的一種帶有自動扶正水中防噴器的深水鑽井裝置。為實現上述目的，本實用新型採取以下技術方案 一種帶有自動扶正水中防噴器的深水鑽井裝置，其特徵在於它包括一與鑽井平臺連接的隔水管，所述隔水管的中間設置一上柔性接頭，所述隔水管上設置一張緊環，4 6根所述張緊繩 的一端分別固定在所述鑽井平臺上，另一端分別連接在所述張緊環上，所述隔水 管穿過一浮力艙與一防噴器連接，所述浮力艙上端設置一脫離裝置，所述防噴器 的下方設置一壓載艙，所述防噴器與所述壓載艙之間為一上部井口， 一連接有扶 正器的應力接頭的上端深入所述壓載艙中心軸孔內與所述上部井口連接，所述應 力接頭的下端連接一高壓隔水管，所述高壓隔水管外部設置有浮力塊，高壓隔水 管的底端依次連接下柔性接頭、下部井口、導管和套管，所述套管固定於海底， 在所述防噴器的周向至少設置有一個螺旋推進器。所述螺旋推進器為導管螺旋槳或Z型導管螺旋槳；所述推進器的直徑按照下式計算發明內容所述推進器的功率按照下式計算-其中，D為所述推進器的直徑；Fp為所述推進器螺旋槳的推力，Fp =、(l-f)PDV ;Kp為無因次推力係數，查圖得無阻擋時系統的推力係數為O. 37; t為推力衰減係數，無因次，對於系泊狀態，取為0.04;P為海水密度，取為1025kg/m、 n為推進器的轉速，預先已給定； P為系泊狀態推進器的吸收功率；《為Bendemann靜推力因數，導管螺旋槳在系泊狀態的《值可以近似等於l。所述浮力艙為一個細長圓柱形的密閉金屬桶，沿其中心軸線具有一縱向貫穿 所述浮力艙的中心軸孔，所述浮力艙的內部具有若干個密閉的艙室。所述壓載艙為一個橢圓形的密閉金屬球體，其中心軸線具有一縱向貫穿所述 壓載艙的中心軸孔，所述壓載艙的內部具有若干個密閉的艙室。所述防噴器位於水面以下80 100m處。所述高壓隔水管的外徑為16"。在所述下柔性接頭和下部井口之間設置有一所述緊急關斷裝置。 本實用新型由於採取以上技術方案，其具有以下優點1、本實用新型將防噴 器安裝在距水面以下80 100m的位置，這樣可方便水下作業，降低對設備的浮力 要求。2、本實用新型在壓載艙的周向設置了至少一個螺旋推進器作為自動扶正裝 置，可以減少浮力系統及防噴器的橫向位移，改善系統的力學性能，提高系統的 適應性，增加作業窗口。 3、本實用新型將已有技術的一個浮力筒，分成設置在防 噴器上、下的兩個浮力筒，即浮力艙和壓載艙，因此不但可以有效地降低包括浮 力艙、防噴器和壓載艙在內的整個系統的重心，提高系統的穩定性和適應性，而 且可以實現減小上、下浮筒的尺寸和突破水深限制的功效。4、本實用新型根據上 部井口與高壓隔水管的連接處是系統中最薄弱環節的特點，設置了一應力接頭， 從而有效地改善了本實用新型的力學性能，減少了系統的最大應力，提高了整個 系統的適用性。5、本實用新型採用外徑為16"的小直徑高壓隔水管，並在高壓隔 水管的外部增加套設其上的浮力塊，因此可以減小下浮筒提升其下部高壓隔水管 所需要的浮力，為突破水深的限制起到很大的作用。本實用新型具有適用性強、 性能良好、費用低廉、水下作業方便等優點，既可以克服表面防噴器系統(SBOP) 存在的隔水管脫離困難的問題，又能克服了人工海底鑽井系統(ABS)存在的諸多 缺點，本實用新型可以廣泛用於各種深水鑽井過程中。

圖1是本實用新型的結構示意圖圖2是本實用新型的局部結構示意圖 圖3是本實用新型推進器控制系統框圖 圖4是本實用新型浮力艙結構示意圖 圖5是本實用新型壓載艙外部結構示意圖 圖6是本實用新型壓載艙的內部結構示意圖 圖7是本實用新型在安裝過程中壓載艙拖航就位的示意圖 圖8是本實用新型在安裝過程中控制壓載艙水下定位操作的示意圖 圖9是本實用新型在安裝過程中控制壓載艙水下定位操作的示意圖具體實施方式
以下結合附圖和實施例，對本實用新型進行詳細地描述。如圖1、圖2所示，本實用新型包括與鑽井平臺1相連接的常規隔水管2，隔 水管2中間連接一上柔性接頭3，隔水管2上設置一張緊環4，將4 6根張緊繩5 的一端分別固定在鑽井平臺1上，另一端分別連接在張緊環4上。隔水管2貫穿 過一浮力艙6與一防噴器7相連接，浮力艙6上端設置一與隔水管2連接的脫離 裝置8，防噴器7置於一壓載艙9上部。 一上部井口 10位於防噴器7與壓載艙9 之間並坐掛於壓載艙9中心軸孔內， 一應力接頭11的上端深入壓載艙9中心軸孔 內與上部井口 10連接，應力接頭11與壓載艙9中心軸孔壁之間設置有扶正器12。 應力接頭11的下端連接一高壓隔水管13，高壓隔水管13的外部套設有一浮力塊 14，高壓隔水管13的下端按常規方法順序連接一下柔性接頭15、 一緊急關斷裝置 16 (可選用或不用)、 一下部井口 17、一導管18和一套管19，導管18和套管19 都固定於海底。為了減少浮力系統(即浮力艙6和壓載艙9)及防噴器7的橫向位移，改善系 統的力學性能，提高系統的適應性，增加作業窗口，本實用新型在壓載艙9的周 向設置了兩個螺旋推進器20作為扶正裝置，推進器20也可以是一個或兩個以上， 一般使用兩個比較簡單又穩定。 一旦浮力系統(即浮力艙6和壓載艙9)及防噴器 7發生橫向位移，通過推進器產生一個反方向的推力，使防噴器7回復到初始位置。推進器20可以是普通的導管螺旋槳和Z型導管螺旋槳等現有產品，Z型導管 螺旋槳是一種舵槳合一的特種推進器，該推進器的特點是退航推力與進航推力 基本相同，操縱系統通過蝸杆機構帶動連接導管和槳轂的豎軸在水平方向做360 度旋轉，只要將螺旋槳向左右轉動，產生側向推力，就可起到舵的作用，進退轉 換迅速，操縱性能好。本實用新型採用的推進器20的尺寸與功率，以壓載艙9處於零速狀態時，推進器20的表觀效率為零，按照以下式l、 2計算:formula see original document page 8
(2)其中， 一般已給定推進器20的轉速n; D為推進器直徑；Fp為螺旋槳的推力，&=/^(1-0/^>4"2; Kp為無因次推力係數，無阻擋時系統的推力係數取為0.37;t為推力衰減係數，無因次，對於系泊狀態，取為0.04;P為海水密度，取為1025kg/m、 P為系泊狀態推進器的吸收功率；《為Bendemarm靜推力因數，導管螺旋槳在系泊狀態的《值可以近似等於l。推進器20由推進器控制系統調控(如圖3所示)，推進器控制系統包括一 用於測量壓載艙9處的洋流流速和方向的多譜勒流速儀21、 一信號放大器22、 一 控制器23、 一控制電機轉速24和舵杆方向25的執行裝置26，該執行裝置26連 接並控制推進器20。推進器20運行時，通過多譜勒流速儀21測得壓載艙9處的 洋流大小和方向，洋流大小的信息用來控制電機的轉速，從而控制螺旋槳輸出力 的大小，而洋流方向的信息則可用來控制舵機，控制螺旋槳力的方向。在壓載艙9的兩側設置Z型導管螺旋槳有較多的優越性首先，導管螺旋槳一般轉速較高，直徑較小，這樣一方面可以省去大傳速比的減速機構，另一方面， 也便於布置，而且導管起到保護螺旋槳的作用。其次，導管螺旋槳就其水動力特 性來講最適合壓載艙9的零速和超低速狀態，在這種工況下工作的導管螺旋槳可 以表現出較高的工作效益。 一般狀態下，如果不需要螺旋槳進行360度旋轉，也可 考慮在壓載艙9的兩側設置普通導管螺旋槳，普通導管螺旋槳是在螺旋槳外緣加 裝一機翼形截面的圓形導管而成，此導管又稱柯氏導管，導管被連接在轉動的舵 杆上兼起舵葉作用的稱可轉導管。導管可提高螺旋槳的推進效率，這是因為導管 內部流速高、壓力低，導管內外的壓力差在管壁上形成了附加推力，導管和螺旋槳葉間的間隙很小，限制了槳葉尖的繞流損失，導管可以減少螺旋槳後的尾流收縮，使能量損失減少。上述實施例中，上柔性接頭3、隔水管2、脫離裝置8與常規深水鑽井裝置相 同，脫離裝置8的作用是在需要時可通過脫離裝置8將隔水管2與下部的裝置脫 離開。下柔性接頭15和下部井口 17均為常規深水鑽井裝置所採用的部件，設置 在泥線附近的緊急關斷裝置16，可以增加緊急情況下本實用新型系統的安全性。 緊急關斷裝置16可根據實際需要從市場選購。根據具體情況，本實用新型也可以 不設置緊急關斷裝置16。上述實施例中，應力接頭ll的具體型號需要根據具體的海況條件選用，根據 相關的計算分析表明，應力接頭11所處位置是整個裝置的薄弱環節，本實用新型 在此處添加應力接頭ll可減少系統的最大應力，改善本實用新型的力學性能，提 高其適用性。如圖4所示，上述實施例中，浮力艙6可以是一個細長圓柱形的密閉金屬桶 61，其中心軸線具有一縱向貫穿浮力艙6的中心軸孔62，中心軸孔62可供鑽井裝 置的常規隔水管2穿過；浮力艙6內分隔為若干個相互密閉的艙室63,如果有個 別艙室63發生破損，浮力艙6仍能夠提供足夠的浮力，浮力艙6提供的浮力，主 要承擔防噴器7的重量。如圖5、 6所示，上述實施例中，壓載艙9是一個橢圓形的密閉金屬球體91， 其中心軸線具有一縱向貫穿壓載艙9的中心軸孔92，鑽井裝置的上部井口 10可坐 掛於中心軸孔92的上口內，應力接頭11上端可從中心軸孔92的下口深入該中心 軸孔92內與上部井口 IO連接。壓載艙9內分隔為若干個相互密閉的艙室93，當 其中有一個艙室93破損時，壓載艙9仍能夠提供足夠的浮力。壓載艙9內裝有一 套常規壓載系統(圖中未示出)，其通過臍帶纜與鑽井平臺1的控制系統相連，以 控制壓載艙9進行壓載作業。壓載艙9提供的浮力主要承擔鑽井裝置中上部井口 10的重量和部分高壓隔水管13的重量，另外壓載艙9還提供與高壓隔水管13的 接口。上述實施例中，浮力艙6和壓載艙9的浮力與防噴器7的重量等相協調，使 得浮力艙6、防噴器7及壓載艙9的重心最低，穩定性最好，進而擴展本實用新型 的作業窗口。高壓隔水管13採用外徑16"的小直徑高壓隔水管，可以減少對本實 用新型裝置浮力系統的要求，在高壓隔水管13的外部加設浮力塊14，其直徑較小， 這樣也可方便的從浮力艙6和壓載艙9中通過。由於外徑16"的高壓隔水管13 的規格較小，同時設置有浮力塊14，所以可以減小浮力系統對其下部的高壓隔水管13的提升力。本實用新型裝置在安裝過程中，首先利用作業船27將壓載艙9拖航就位(如 圖7所示)，然後將壓載艙9上的垂重鏈28的一端連接到第二艘作業船27上(如 圖8所示)，再通過兩作業船27和垂重鏈28來控制壓載艙9下潛入水中置於鑽 井平臺下方，順序將應力接頭11、高壓隔水管13、浮力塊14、下柔性接頭15、 緊急關斷裝置16等下入水下，通過兩作業船27和垂重鏈28將壓載艙9及下部裝 置一起下放到海面A以下80 100米深度的位置(如圖l、圖9所示)，與下部井 口17、導管18、套管19等連接，然後通過隔水管2將脫離裝置8、浮力艙6、防 噴器7—起下入到水下，使防噴器7連接上部井口 8，並座於壓載艙9上，連接上 柔性接頭3等，完成系統的安裝，開始鑽井作業。本實用新型裝置在使用過程中，如遇到颱風等緊急情況時，可以緊急脫離作 業。需要脫離時，本實用新型裝置可從脫離裝置8處實施脫離，取出隔水管2。同 時也可以關斷泥線處的緊急關斷裝置16。
權利要求1、一種帶有自動扶正水中防噴器的深水鑽井裝置，其特徵在於它包括一與鑽井平臺連接的隔水管，所述隔水管的中間設置一上柔性接頭，所述隔水管上設置一張緊環，4～6根所述張緊繩的一端分別固定在所述鑽井平臺上，另一端分別連接在所述張緊環上，所述隔水管穿過一浮力艙與一防噴器連接，所述浮力艙上端設置一脫離裝置，所述防噴器的下方設置一壓載艙，所述防噴器與所述壓載艙之間為一上部井口，一連接有扶正器的應力接頭的上端深入所述壓載艙中心軸孔內與所述上部井口連接，所述應力接頭的下端連接一高壓隔水管，所述高壓隔水管外部設置有浮力塊，高壓隔水管的底端依次連接下柔性接頭、下部井口、導管和套管，所述套管固定於海底，在所述防噴器的周向至少設置有一個螺旋推進器。
2、 如權利要求l所述的一種帶有自動扶正水中防噴器的深水鑽井裝置，其特徵在於所述螺旋推進器為導管螺旋槳或Z型導管螺旋槳； 所述推進器的直徑按照下式計算其中，D為所述推進器的直徑；i^為所述推進器螺旋槳的推力，Fp =^(1-0/^>V ; Kp為無因次推力係數，查圖得無阻擋時系統的推力係數為O. 37;t為推力衰減係數，無因次，對於系泊狀態，取為0.04;P為海水密度，取為1025kg/m、 n為推進器的轉速，預先已給定； P為系泊狀態推進器的吸收功率；《為Bendemann靜推力因數，導管螺旋槳在系泊狀態的《值可以近似等於l。
3、如權利要求l所述的一種帶有自動扶正水中防噴器的深水鑽井裝置，其特 徵在於所述浮力艙為一個細長圓柱形的密閉金屬桶，沿其中心軸線具有一縱向所述推進器的功率按照下式計算:貫穿所述浮力艙的中心軸孔，所述浮力艙的內部具有若干個密閉的艙室。
4、 如權利要求2所述的一種帶有自動扶正水中防噴器的深水鑽井裝置，其特 徵在於所述浮力艙為一個細長圓柱形的密閉金屬桶，沿其中心軸線具有一縱向 貫穿所述浮力艙的中心軸孔，所述浮力艙的內部具有若干個密閉的艙室。
5、 如權利要求1或2或3或4所述的一種帶有自動扶正水中防噴器的深水鑽井裝置，其特徵在於所述壓載艙為一個橢圓形的密閉金屬球體，其中心軸線具 有一縱向貫穿所述壓載艙的中心軸孔，所述壓載艙的內部具有若干個密閉的艙室。
6、 如權利要求1或2或3或4所述的一種帶有自動扶正水中防噴器的深水鑽 井裝置，其特徵在於所述防噴器位於水面以下80 100m處。
7、 如權利要求5所述的一種帶有自動扶正水中防噴器的深水鑽井裝置，其特 徵在於所述防噴器位於水面以下80 100m處。
8、 如權利要求1或2或3或4或7所述的一種帶有自動扶正水中防噴器的深 水鑽井裝置，其特徵在於所述高壓隔水管的外徑為16"。
9、 如權利要求1或2或3或4或7所述的一種帶有自動扶正水中防噴器的深 水鑽井裝置，其特徵在於在所述下柔性接頭和下部井口之間設置有一所述緊急關斷裝置。
10、 如權利要求8所述的一種帶有自動扶正水中防噴器的深水鑽井裝置，其特徵在於在所述下柔性接頭和下部井口之間設置有一所述緊急關斷裝置。
專利摘要本實用新型涉及一種帶有自動扶正水中防噴器的深水鑽井裝置，其特徵在於它包括一連接鑽井平臺的隔水管，隔水管的中間設置一上柔性接頭，隔水管上設置一張緊環，4～6根張緊繩的一端分別固定在鑽井平臺上，另一端分別連接在張緊環上，隔水管穿過一浮力艙與一防噴器連接，浮力艙上端設置一脫離裝置，防噴器的下方設置一壓載艙，防噴器與壓載艙之間為一上部井口，一連接有扶正器的應力接頭的上端深入壓載艙中心軸孔內與上部井口連接，應力接頭的下端連接一高壓隔水管，高壓隔水管外部設置有浮力塊，高壓隔水管的底端依次連接下柔性接頭、下部井口、導管和套管，套管固定於海底，在防噴器的周向至少設置有一個螺旋推進器。本實用新型適應性強，方便隔水管脫離，可以廣泛用於深水鑽井中。
文檔編號E21B7/12GK201092825SQ20072017292
公開日2008年7月30日 申請日期2007年9月3日 優先權日2007年9月3日
發明者偉 姜, 蔣世全, 許亮斌 申請人:中國海洋石油總公司;中海石油研究中心