CN102272409B - 液面下辅助补偿装置 - Google Patents

Abstract

一种缓冲力装置(100)，用于缓冲在管柱中的两个可相互连接部件之间的力，其中可相互连接部件中的下部件(101)与延伸至水下井(5)的管件(105，3a)的上端部连接，上部件(103)通过向上延伸到表面设备的至少一个悬挂件(3b)悬挂在该表面设备(1)上。缓冲力装置(100)与位于延伸至所述水下井的管件(3a)的上方并且位于所述悬挂件(3b)的至少一部分的下方的所述管柱连接。所述缓冲力装置(100)具有能够相互间垂直移动的上区域(109)和下区域(111)，从而缓冲所述可相互连接的上部件(103)和下部件(101)之间的冲击力，该冲击力由相对于所述管件(3a)垂直移动的所述悬挂件(3b)的所述部分的垂直升沉运动引起。

Description

液面下辅助补偿装置

技术领域

本发明涉及一种装置，该装置在液面下位置用于管柱(pipe strings)与表面设备的无害连接或断开。更具体地，本发明涉及一种用于防止由于垂直运动而产生有害冲击的装置，该垂直运动在液面下位置连接或断开中由表面设备(surface installation)的升沉运动(heave movements)引起。

背景技术

近海表面设备(如用于与水下井操作连接的钻探设备)设置升沉补偿器(heave compensator)是已知的。升沉补偿器设置在延伸至海底的管柱和表面设备之间的接合处。当表面设备由于波浪和涨潮而垂直移动时，升沉补偿器确保了表面设备的垂直运动不会传递至管柱，保持管柱仍然相对于海底垂直。但是，如果管柱与如水下井设备的海底设施断开，尽管有升沉补偿器，管柱仍将呈现出一些垂直运动。例如，表面设备的垂直升沉运动大约7米，管柱可能会上下垂直移动大约30cm的距离。

由于升沉补偿器，表面设备能够在具有几米高海浪的大浪中保持稳定运行。但是，如果情况变得非常极端，运行必须停止，并且表面设备必须与延伸至水下井的管柱断开。

例如，当从浮动的钻探设备钻探水下井时，钻杆可以延伸几千米进入水下井。为了从钻探设备上断开钻杆，钻杆被悬挂在水下井的顶部。为此，钻杆首先从钻探设备被拉出与海水深度大致相应的距离。然后悬挂工具与其下方的钻杆连接，并且被下放至水下井的顶部，该水下井的顶部在与工具的上面部分连接的钻杆上。凭借悬挂工具，钻杆悬挂在水下井的顶部(例如在井口(well head)、采油树(tree)或者井筒保护器(bore protector))，同时延伸入钻井内。然后，悬挂工具与其上方的钻杆断开，悬挂工具下放到钻杆上，从而与钻探设备断开。

当液面情况恢复到操作情况下，钻探设备可以再次与悬挂工具连接。如钻杆的悬挂件(suspension element)从设备上被下放，并且与悬挂工具连接。然后，悬挂工具被拉起至钻探设备并拆卸。钻杆再次延伸并下放，并且恢复运行。

当悬挂工具从悬挂件上断开时，例如在悬挂工具上的管柱，如果相当大的波浪影响设备，尽管在钻探设备上有升沉补偿器，悬挂件将呈现一些垂直运动。因而，断开之后，管柱可能向下移动并且与断开的部件碰撞。悬挂件的重量能够造成二者的连接接合处实质的损坏。即，配合连接部件的下部件和上部件可能被损坏。当部件重新连接时，会产生相同的问题。当上部件从表面下放时，除主动下放外，随着上部件靠近下部件，上部件可能呈现往返垂直运动。因而，在上连接部件与下部件正确连接前，连接接合处可能被损坏。

传统的连接方式是螺纹连接。因而，当连接或者断开时，上连接部件随着下放旋转到下部件，或者从下部件向上拉起。因此，最外层的螺纹常常被损坏。克服该问题的显而易见的方式是，可以使用承受更多冲击的较大螺纹。但是，较大螺纹意味着较大的螺距，该螺距可能增加自身连接旋松的危险。而且，当连接或断开时，更大的螺纹可能会被足够严重损坏而产生问题。无论如何，垂直升沉运动都将导致有害的撕裂和磨损。

另外，可以使用其他可拆的连接方式。但是，不管使用哪种连接，向下移动的管柱形式的悬挂件都相当于实质的力，不管怎样，该力都需要减小。

因此，本发明的目的是当断开和再连接时，对上述连接接合处的损坏问题提供一种解决方案。

发明内容

根据本发明，提供了一种缓冲力装置，该缓冲力装置用于缓冲在管柱中的两个相互连接部件之间的力，其中，下部件与延伸至水下井的管件(stringelement)的上端部连接，并且上部件通过至少一个悬挂件悬挂在浮动的表面设备上，所述悬挂件向上延伸到所述表面设备。所述管件可以是延伸进水下井的任何管件，例如金属管(string of wire)、钻杆或者挠性管(coiled tubing)。根据本发明，所述缓冲力装置与所述管柱连接，所述管柱位于延伸至所述水下井的管件的上方，并且在所述悬挂件的至少一部分的下方。而且，所述缓冲力装置具有能够相互间垂直移动的上区域和下区域，从而缓冲(yieldingfor)所述相互连接的上部件和下部件之间的冲击力，该冲击力由相对于所述管件垂直移动的所述悬挂件的所述部分的垂直升沉运动引起。

术语“垂直”不应当解释为绝对垂直于标准的水平方向，而应当解释为在缓冲力装置位置上的管件或者悬挂件的总体走向。该走向通常是大致垂直的。但是，本领域技术人员也能够想到相对于绝对垂直方向的倾斜方向。

本发明的实施方式中，所述上区域和所述下区域能够旋转地相互连接，通过该相互连接的方式，一个区域的旋转将立即地或者最终地引起另一个区域的旋转，或者引起施加到另一个区域的旋转力。因此，例如从所述浮动的表面设备施加到所述钻杆的管柱的旋转力，将通过所述缓冲力装置向下传递到设置在缓冲力装置的下方的所述钻杆的下区域。

在进一步的实施方式中，所述悬挂件包括钻柱(drill string)。因而，在实际使用中，当钻柱被悬挂在水下井中时使用缓冲力装置。在这种情况下，所述钻柱被提升到同海水深度大约一致的距离，然后所述悬挂工具设置到余下的钻柱上。缓冲力装置再与所述悬挂工具连接，或者优选地至少靠近所述悬挂工具。此后，组件被下放在所述钻柱中，此时，所述钻柱成为悬挂件。

当所述相互连接部件处于断开状态，所述管件优选地通过悬挂工具悬挂。

在一个实施方式中，所述两个相互连接部件为螺纹连接。因而，当在浮动的表面设备下方的一定距离内连接或断开所述相互连接部件时，例如在水下井处，缓冲力装置将保护最外层的螺纹而不受升沉运动的损坏。

优选地，所述区域的一个区域具有隔间(compartment)，所述另一个区域的一部分能够在该隔间中沿垂直方向往返运动。该特征使提供缓冲功能成为可能。在一个实施方式中，所述另一个区域通过偏心的贯穿部(throughpart)延伸进所述隔间，该贯穿部贯穿展示的所述部(compartment-exhibitingsection)中的偏心开口，从而第一区域的旋转运动将在第二区域上产生旋转力。这是其中一种提供传递旋转力的方式。

并且，所述另一个区域能够具有设置在所述隔间中的活塞件，隔间形成为活塞缸的形状，并且可以设置密封所述活塞缸和所述活塞件的密封件。

在一个具体的优选实施方式中，所述缓冲力装置包括一个或者多个通路(vent)，该通路各自用于进入或排出所述隔间的周围水的流入或者流出，所述通路用作缓冲所述两个区域之间的相对运动的缓冲器。

所述相互连接部件的一个与所述区域的一个形成为一体。这样缓冲力功能将被定向在相互连接的接合处，有利于使所述接合处和所述缓冲力装置之间产生较小的质量(mass)。

在本发明的一个实施方式中，缓冲力组件还包括弹簧，该弹簧有效地设置在所述两个区域之间，以缓冲所述两个区域的相互垂直运动。

优选地，为了使根据本发明的缓冲力装置功能良好，所述缓冲力装置应当靠近所述两个相互连接部件或者靠近他们的接合处设置。因此，当管件在水下井的位置或者处于悬挂在水下井的情形，所述缓冲力装置应当优选地离所述海底的距离比离所述液面的距离更近。在该位置或者在该状态，所述相互连接部件通常接近水下井口。

附图说明

以下，为了阐明和解释本发明的特征和优点，介绍了实施方式的非限定的详细实例。该实例参考附图得以说明，其中：

图1显示了浮动的钻探设备与悬挂工具再连接过程的原理示意图，所述悬挂工具悬挂了延伸进入水下井的钻杆；

图2显示了两个可拆的相互连接部件在连接位置，也是根据本发明的缓冲力装置的截面；

图3显示了图2中连接装置的立体截面图；

图4显示了图3中连接装置的立体截面图；

图5显示了连接装置从轴向方向看的部分截面图；

图6显示了根据本发明的缓冲力装置的可选择实施方式；

图7显示了图6中装置的截面图。

具体实施方式

图1说明了钻探设备1与留在水下井5中的钻杆3a的再连接过程。由于恶劣天气，钻探设备1能够与钻杆3a断开。从钻探设备1向下延伸的钻杆3b由此与钻杆部3a断开。钻杆3a在水下井中可以延伸几千米进入海床中(例如储层7)。当从设备1断开，钻杆3a借助设置在海底13的井口11中的悬挂工具9悬挂。需要强调的是图1仅是原理概述，以图示使用根据本发明的缓冲力装置的类似情形。

图2显示了根据本发明的实施方式的缓冲力装置100的截面图。在本实施方式中，显示了处于连接位置的两个可拆卸的相互连接部件101、103。下相互连接部件101具有向内朝向的螺纹101a，同时上相互连接部件103相应地具有向外朝向的螺纹103a。从而，下部件101和上部件103可以利用他们之间的相互旋转而连接或者断开。下部件101适用于借助管部105与延伸至水下井5的钻杆3a的管柱连接。相应地，第二部件103适用于借助管部109e与钻杆3b连接。

缓冲力装置100包括上区域109和下区域111，上区域109和下区域111能够相互间轴向移动。下区域111具有隔间111a，上区域109的一部分设置在该隔间111a中。该部分形成为活塞件109a的形状，该活塞件109a可以在隔间111a中轴向地往返运动。活塞件109a的径向外表面连接有两个密封件109b，密封件109b紧靠隔间111a的向内朝向的表面密封。具有方形贯穿部109c的上区域109，借助在下区域111的上部相应成型的通路111c，延伸至隔间111a。因此，上区域109的旋转将导致下区域111相应的旋转。

下相互连接部件101和上相互连接部件103的螺纹部分之间的连接和断开，可以由上区域109相对于下区域111的适当旋转来提供。

应当注意的是在本实施方式中，参考上述，缓冲力装置100的下区域111与上相互连接部件103为相同的部件。

在下区域111的上部中，设置有多个贯穿通道111d，该贯穿通道111d提供了隔间111a(在活塞件109a上方)和周围海水之间的流体连通。贯穿通道111d的主要作用是将活塞件109a上的隔间排空，以避免活塞件109a的水压锁定。其次的作用是缓冲上区域109和下区域111之间的轴向运动。后者的作用通过制定贯穿通道111d合适的尺寸来实现。较小的横截面和少数的通道将降低上区域109和下区域111之间的相对轴向运动。另一方面，较大的横截面和多个通道将导致较小的制动运动。

如本说明书中大体讨论的，当两个相互连接部件连接或断开时，由于悬挂上部件的浮动表面设备的升沉运动，上部件可以相对于下部件上下移动。由于悬挂件(如钻杆3b(图1))所具有的重量，这些运动可能在所述部件之间产生不可忽视的冲击力。参考图2，本领域技术人员可以理解的是，在相互连接部件101、103对齐并且连接之前(和之后)，下区域111能够相对于上区域109轴向地或垂直地移动。因此，在旋合上相互连接部件103和下相互连接部件101的初始阶段，该特征将保护最外层的螺纹和表面而免受损坏。当旋松螺纹101a、103a而断开相互连接部件101、103时，如果上区域109的向下的升沉运动正好发生在拧松螺纹完成之前或之后，螺纹以相应的方式得到保护而免受损坏。

值得注意的是通路113轴向穿过图2中所示的整个装置，从管部109e上方到管部105下方，穿过相互连接的部件并且穿过上区域109和下区域111。因此，在连接状态中，通过缓冲力装置100保持流体连通。

图3和图4分别显示了图2中缓冲力装置100的立体图和截面立体图。首先参考图3，四个狭槽101c围绕下相互连接部件101的外周周向设置。相对应地，上相互连接部件103具有狭槽103c。所述狭槽101c、103c提供了相互连接部件101、103与海底取油管(marine riser)的内表面(未显示)之间的流体路径。由于流体在取油管中可以自由地流过相互连接部件101、103，促进了海底取油管内的垂直运动。假设在下相互连接部件101上的狭槽101c与在上相互连接部件103上的狭槽103c未对齐，周向地设置的狭槽101b提供了未对齐的狭槽101c和103c之间的流体连通。

参考图4，上相互连接部件103具有两个密封件103b，在连接状态中该密封件103b紧靠下相互连接部件101密封。在螺纹103a的每一侧(上侧和下侧)设置一个密封件103b。当处于连接状态时，与密封件109b一起，密封件103b密封通路113和隔间111a(位于活塞件109a下方)中的流体与周围的海水隔开，反之亦然。

如图2和图4中所示，管部105利用多个螺栓115与下相互连接部件101连接。

图5是上相互连接部件103的截面图，在该实施方式中，上相互连接部件103是与下区域111相同的部件。该视图具体图示了通路111c和贯穿部109c的方形结构，该方形结构使旋转力的传递成为可能。

根据本发明，上相互连接部件和下相互连接部件不必是参考图1至图5所描述的在实施方式中所显示的装置的一部分。可替换地，相互连接部件可以位于根据本发明的缓冲力装置的下方或者上方。但是，为了以有利的方式实现本发明的主要目的，缓冲力装置应当优选地设置在相互连接部件上方的位置，在该位置，在相互连接部件和缓冲力装置之间设置有极小的重量。由于重量的垂直升沉运动，在相互连接部件正好断开之前或者断开之后，这些重量可能会在相互连接部件之间产生上述不需要的力。

另一方面，如果缓冲力装置设置在相互连接部件之下，应当优选地将缓冲力装置靠近相互连接部件设置。那样，缓冲力装置和相互连接部件之间的重量将减至最小，从而减小重量的惯性以及由两个相互连接部件碰撞而引起的各种力。当缓冲力装置设置在相互连接部件之下，缓冲力装置可以配备弹簧偏压工具，以便在上位置偏压上区域，从而在相互连接部件之间碰撞的情形下，使上区域即时受向下的力。

图6和图7分别显示了根据本发明的缓冲力装置100的可选择实施方式的垂直视图和截面视图。此处，未显示相互连接部件。上区域109’的上面部分和下区域111’的下面部分具有用于与钻杆连接的螺纹连接接合处。因而，缓冲力装置100’设置成在管柱长度之间插入管柱。

并且，在该实施方式中，提供的传递上区域109’和下区域111’之间的旋转力的方式是通过多个轴向延伸的滑动狭条(sliding lists)109f’，该滑动狭条109f’在下区域111’的上面部分朝向螺栓111f’延伸。

无论缓冲力装置100、100’相对于相互连接部件101、103设置在什么位置，缓冲力装置100、100’能够设置弹簧偏压工具(未显示)，以便在轴向延伸的位置偏压上区域109、109’和下区域111、111’。这样，缓冲力装置100、100’将在任何时候(假设缓冲力装置未被轴向压缩)处于即时缓冲垂直碰撞力的状态。

优选地，缓冲力装置设置在相互连接部件之间接合处的30米内。更优选地，缓冲力装置设置在相互连接部件之间接合处的10米内或者甚至5米内。但是，在最优选的实施方式中，一个相互连接部件与缓冲力装置的一部分区域是相同组件。

Claims (15)

1.一种管柱组件，所述管柱组件穿过在海底（13）的井口（11）延伸进水下井（5）中，所述管柱组件包括悬挂工具（9）和两个可相互连接部件，其中所述两个可相互连接部件的下部件（101）与延伸进所述水下井（5）的管件（105，3a）的上端部连接，并且所述两个可相互连接部件的上部件（103）通过至少一个悬挂件（3b）悬挂在浮动的表面设备（1）上，所述管件（105，3a）和所述悬挂件（3b）为所述管柱组件的部件，

其特征在于，

-所述管柱组件还包括缓冲力装置（100），所述缓冲力装置（100）与所述管柱组件连接，所述管柱组件位于延伸至所述水下井的所述管件（105、3a）的上方，并且位于所述悬挂件（3b）的至少一部分的下方，当所述管件（105、3a）位于所述水下井或者处于悬挂在所述水下井（5）的状态时，所述缓冲力装置离所述海底（13）的距离比离液面的距离更近；

-其中，所述缓冲力装置（100）具有能够相互间垂直移动的上区域（109）和下区域（111），从而缓冲所述两个可相互连接部件的上部件（103）和所述两个可相互连接部件的下部件（101）之间的冲击力，该冲击力由相对于所述管件（3a）垂直移动的所述悬挂件（3b）的所述部分的垂直升沉运动引起。

2.根据权利要求1所述的管柱组件，其特征在于，所述上区域（109）和所述下区域（111）能够旋转地相互连接，通过该相互连接的方式，一个区域的旋转将立即地或者最终地引起另一个区域的旋转，或者引起施加到该另一个区域上的旋转力。

3.根据权利要求1或2所述的管柱组件，其特征在于，所述悬挂件（3b）包括钻柱。

4.根据权利要求1所述的管柱组件，其特征在于，当所述可相互连接部件处于断开状态时，所述管件（3a）通过悬挂工具悬挂。

5.根据权利要求1所述的管柱组件，其特征在于，所述两个可相互连接部件（101，103）具有螺纹连接部（101a，103a）。

6.根据权利要求1所述的管柱组件，其特征在于，所述上区域（109）和所述下区域（111）中的一个区域具有隔间（111a），所述上区域（109）和所述下区域（111）中的另一个区域的部分（109a）能够在该隔间（111a）中沿垂直方向往返运动。

7.根据权利要求6所述的管柱组件，其特征在于，所述另一个区域延伸通过偏心的贯穿部（109c）延伸进所述隔间（111a），该贯穿部（109c）贯穿具有所述隔间的所述区域中的偏心开口（111c），从而所述上区域（109）和所述下区域（111）中的一个区域的旋转运动将在所述上区域（109）和所述下区域（111）中的另一个区域上产生旋转力。

8.根据权利要求6或7所述的管柱组件，其特征在于，所述另一个区域具有设置在所述隔间（111a）中的活塞件（109a），所述隔间（111a）形成为活塞缸的形状，并且设置有密封在所述活塞缸和所述活塞件（109a）之间的密封件（109b）。

9.根据权利要求8所述的管柱组件，其特征在于，所述缓冲力装置（100）包括一个或者多个通路（111d），该通路（111d）各自用于进入或排出所述隔间（111a）的周围水的流入或者流出，所述通路用作缓冲所述两个区域（109、111）之间的相对运动的缓冲器。

10.根据权利要求1所述的管柱组件，其特征在于，所述两个可相互连接部件的上部件（103）与所述下区域（111）形成为一体。

11.根据权利要求1所述的管柱组件，其特征在于，所述缓冲力装置（100）设置在所述两个可相互连接部件（101，103）的接合处的下方。

12.根据权利要求1所述的管柱组件，其特征在于，所述缓冲力装置（100）设置在所述两个可相互连接部件（101，103）的接合处的上方。

13.根据权利要求1所述的管柱组件，其特征在于，所述缓冲力装置（100）设置在离所述两个可相互连接部件（101，103）之间的接合处的30米内。

14.根据权利要求1所述的管柱组件，其特征在于，所述缓冲力装置（100）还包括弹簧，该弹簧设置在所述两个区域（109，111）之间，以缓冲所述两个区域的相互垂直运动。

15.根据权利要求1所述的管柱组件，其特征在于，所述缓冲力装置（100）具有流体连通部，该流体连通部提供设置在所述缓冲力装置的各个端部的两个管柱之间的流体连通。

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