CN103089151A - 用于形成孔的水下钻探装置以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于在湖、海或河流的基床上形成孔的水下钻探装置，具有：服务平台，可以将其放下放以用于置在湖、海或河流的基床上；钻探驱动器，安装成使得其可在服务平台上轴向移位；和带有钻头的钻杆，其可以经由钻探驱动器而旋转驱动。提出在钻杆中形成一种输送通道，通过其可以将输送流体与挖掘的钻屑一起向上输送，以及提供用于将流体与挖掘的钻屑一起输送的排放开口，经由其可以将输送流体与钻探驱动器上面的挖掘的钻屑一起排放到水下。本发明还涉及用于在湖、海或河流的基床上形成孔的方法。

Description

用于形成孔的水下钻探装置以及方法

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1前序所述的用于在水体的基床上形成孔的水下钻探装置。本发明还涉及根据权利要求14前序所述的用于在水体的基床上形成孔的方法。

背景技术

水下钻探装置包括：服务平台，可以将其放下以用于放置在湖、海或河流的基床上；钻探驱动器，其安装成可在服务平台上轴向移位；和带有钻头的钻杆，其可以经由钻探驱动器而被旋转驱动。

在用于在湖、海或河流的基床中形成孔的方法中，将水下钻探装置的服务平台放下到湖、海或河流的基床上，以及利用底部站立元件放置在湖、海或河流的基床上，以及一种带有钻头的钻杆经由固定在服务平台上的钻探驱动器而被旋转地驱动。

水下钻探装置和钻探方法具体地用于在湖、海或河流的基床中产生基础或基桩，例如用于将海风发电厂、潮汐能发电站的流量涡轮或油气输送单元紧固在海中。

利用在湖、海或河流的基床中形成钻孔的已知的水下钻探装置和方法，从孔中间断地收回松开的钻芯。由此，相对应的钻探方法需要很多资源，以及是时间密集的(time-intensive)。

发明内容

本发明的目的是便利实现用于在水体的基床上形成孔的水下钻探装置和方法。其便利了特别经济地产生水下孔。

通过具有权利要求1特征的水下钻探装置以及具有权利要求14特征的用于在水体的基床中形成孔的方法，根据本发明实现了该目的。在从属权利要求中指出本发明的优选实施例。

根据本发明的水下钻探装置，其特征在于：在钻杆中形成了输送通道，通过其可以将输送流体与挖掘的钻屑(drill cutting)一起向上输送；以及提供一种用于将输送流体与挖掘的钻屑一起传输的排放开口，经由其可以将输送流体与钻探驱动器上方所挖掘的钻屑一起排放到水下。

根据本发明的方法，其具体地可以利用根据本发明的水下钻探装置来执行，其特征在于，挖掘的钻屑与输送流体一起通过钻杆中的输送通道向上输送，以及经由钻探驱动器上方的排放开口而排放到水下。

从连续产生水下孔这一点上可以看出本发明的第一核心思想，其中挖掘的泥土材料经由钻杆内的诱发的流体流动而从孔中向上输送。由此，钻杆被设计为空心钻杆。输送流体可以特别地是来自在其底部形成有孔的湖、海或河流中的水。

本发明的第二核心思想是将输送流体与挖掘的钻屑一起输送到钻探驱动器上方，特别地是湖、海或河流的基床上方的区域中，以及在那里排放到周围的水中。然后，挖掘的钻屑沉淀在所形成孔的环境中的湖、海或河流的基床上。由此，在水中设置了位于钻探驱动器上方的排放开口。

根据本发明的水下钻探装置的基本方面和相对应的方法因此在于，没有将挖掘的泥土输送到水表面并且收回，而是替代地排放到水本身中。

优选地，可以将水下钻探装置的服务平台经由来自支承构件，特别地是来自船或浮动平台的索缆而放下到湖、海或河流的基床上。借助于所谓的脐带缆(umbilical)，在用于供应能量和/或例如一种用于驱动钻探驱动器的液压流体这样的流体的操作的期间，将服务平台连接到船或浮动平台上。在形成孔之后，可以经由索缆再次抬升起服务平台，且然后将其从湖、海或河流的基床处移开。为了放下和收回服务平台，可以在船或浮动平台上设置缆索绞车。

根据优选实施例，通过钻探驱动器引导钻杆。因此，可以通过钻探驱动器将输送流体向上输送到水中。特别地，钻探驱动器可以配置为一种包围着钻杆的回转工作台。

为了将挖掘的钻屑喷出到钻探驱动器上方的某一高度处，一种喷出线优选地布置在钻探驱动器上方。喷出线流体连接到可旋转钻杆的输送通道，并且蔓延到湖、海或河流的基床上，且优选地蔓延到水中的服务平台上方的预定最低高度处。喷出线优选地经由旋转联接器与可旋转的钻杆旋转地断开联接。对于甚至是与钻杆的旋转运动无关的挖掘的钻屑的排放，优选地将喷出线安装在服务平台上。喷出线优选地形成为一种从钻探驱动器向上延伸的刚性线(rigidline)。

根据本发明，优选地，可以沿服务平台将钻探驱动器放下到孔中。为了即使当将钻探驱动器和钻杆放下到孔中时，也使挖掘的钻屑很容易地喷出到湖、海或河流的基床的上方，则将喷出线设计成伸缩的是有益的。

因此，在钻探工序的过程中，喷出线可以向上延伸，以便将挖掘的钻屑喷出到湖、海或河流的基床之上和/或服务平台之上。

根据本发明的另一优选实施例，提出，所述喷出线包括弯头，其使输送流体在横向上偏斜于相对于钻杆偏移的位置处，特别是横向地，且使得所带有的钻屑被移除以用于喷出。由此优选地，排放开口在将要产生的孔的旁边横向地偏移，从而使得移开的钻屑可以在服务平台旁边横向排出。

根据本发明特别优选地安装了喷出线，从而使得它可以旋转以用于在相对于钻杆和/或钻探驱动器和/或服务平台的某一方向上对准目标排放钻屑，以及特别地可以依赖于水流而旋转。优选地，流动把手(flow lug)连接到喷出线上，其依赖于水流而旋转喷出线。由此可以有目的地确保在想要的方向上，特别地在水流动的方向上、而不是与此相反的方向上，不断地排放挖掘的钻屑。因而，可以防止挖掘的钻屑在排放之后流回到服务平台的方向并且损坏它。

通过布置在排放开口的区域中的单向阀，可以防止异物体的流回或不想要地侵入输送通道中。

此外，根据本发明优选地，为了在输送通道中生成沿钻杆向上取向的流动，提供用于压缩气体的馈送通道，从其中可以将压缩气体馈送回输送通道。压缩气体可以经由馈送开口或吹入喷嘴从馈送通道吹入输送通道，以便在那里产生向上取向的流动。压缩气体也可以直接地被导入钻头中，从其中它流入输送通道。压缩气体在输送通道中生成液体输送流体、气体和钻屑的三相混合流体，其密度比孔中的钻杆周围的水的密度更小。由此在输送通道中生成向上的流动。

为了馈送压缩气体到钻杆上所设置的馈送通道中，优选地，在湖、海或河流的水表面处提供将馈送通道与输送单元相连接的馈送线，输送单元具体地是压缩机。特别地在包含用于驱动钻探驱动器的能量线的所谓的脐带缆中，可布置用于压缩气体的馈送线。

用于在输送通道中生成向上取向的流动的另一可能性在于提供泵，特别是吸入泵和/或喷射泵。泵可以例如布置在服务平台的区域中的钻探驱动器之上。如果是吸入泵，则输送流体通过泵与钻屑一起流动通过该泵。特别地，喷射泵也可以布置在钻头的区域中，特别是在其中，以及经由沿钻杆引导的燃料线而被供应燃料。经由馈送通道或者经由介于钻杆与孔边缘之间的环形空间可以将输送流体馈送给输送通道。

根据本发明的优选实施例，钻杆形成为一种套管，其中形成了用于输送流体和/或压缩气体的输送通道与馈送通道。馈送通道优选地绕中心的输送通道而环状地延伸。

为了吸入松开的钻屑，优选地，钻头包括一种被流体连接到输送通道与馈送通道的吸入腔。由此通过输送通道中的向上取向的流动而产生吸入效果。吸入腔优选地包括向上取向的孔，其优选地位于钻头的钻具的区域中。由此，钻屑在从孔的底部松开之后，可以被直接移除。

因为馈送通道包括了一种下出口开口，所述下出口开口径向向外地开口进入吸入腔内、并且在那里生成径向向外取向的流动；以及因为吸入腔包括了偏斜构件，所述偏斜构件在输送通道的方向上携带着挖掘的钻屑而产生径向向外取向的流动向径向向内取向的流动的偏斜，可以实现松开的钻屑从孔底部特别有效地移开。钻头，特别地是吸入腔，优选地形成为呈钟的形状，从而使得可以应归于吸入腔的钟形轮廓而调节想要的流动。径向向内取向的流动特别地是直接在孔底部之上，从而将挖掘的钻屑径向向内输送到钻头的中心区域中，输送通道的入口位于其中。

为了沿服务平台引导钻探驱动器，优选地，服务平台包括导管，沿其引导钻探驱动器从而使得它可以轴向移动。优选地保持住导管从而使得可以对它进行调节并且将它固定在服务平台的固定架(mount)中。

因而，导管承担类似中间物的功能，沿其引导钻探驱动器从而使得它可以移动。此外，大面积地保护了布置在导管内并且在导管内受引导的钻探驱动器不受诸如水流动这样的外部影响。

为了引导钻探驱动器，导管优选地包括与钻探驱动器的引导元件协同工作的、在轴向延伸的线性引导。

优选地以如此方式安装导管，从而使得它可以在服务平台的固定架上轴向地移动或发生旋转，从而，在形成孔的期间可以移动导管，具体地是可以放下和抬升起或旋转所述导管。此外，可以将导管固定到固定架上，从而确保不会相对于服务平台的基础主体转动和/或轴向移动。

在钻探驱动器的操作期间，固定的导管可以用作钻探驱动器的邻接件/支座(abutment)或支承。此外，应归于服务平台的基础主体上的可调节固定架，可以随后在钻探方向上供应导管，以便向下延伸对钻探驱动器的引导。具体地，导管本身，特别是旋转的导管本身可以插入湖、海或河流的基床中。为此，提供导管驱动器。也可以将钻探驱动器沿导管导入到湖、海或河流的基床中或孔中。

在钻孔之后可以再次抬升起整个服务平台，然后从湖、海或河流的基床上移开。

附图说明

以下使用在附图中示出的优选的示例性实施例更详细地描述本发明，其中：

图1示出水下钻探装置的侧视图；

图2示出布置在导管中的带有钻探驱动器的钻探单元的剖视图；

图3示出在导管中向下移动的钻探单元。

在所有附图中，利用相同的附图标记标识等同物元件。

具体实施方式

图1示出根据本发明的水下钻探装置10，具有：服务平台20，其可以放置在如湖、海或河流之类的水体的基床上；和钻探驱动器50，其受引导以及安装在服务平台20上。服务平台20包括也可以描述为基架的基础主体30、和用于引导钻探驱动器50的导管22。

基础主体30包括用于站立在湖、海或河流的基床上的多个底部站立元件32。底部站立元件32优选地设计成可调节的，从而使得可以补偿湖、海或河流的基床中的不平，以及可以将服务平台20直立在湖、海或河流的基床上的想要的方位，特别地是水平。基础主体30还包括多个支柱34和用于导管22的中心固定架36。安装所述导管22从而使得它可以在固定架上进行调节。

为了相对于基础主体30旋转导管22，在服务平台20的基础主体30上设置一种旋转驱动器40。旋转驱动器40包括一种液压可夹持夹头42，其可以借助于水平/卧式油缸44而旋转。为了施加竖直力到导管22上，还提供一种轴向驱动器，特别是竖直/立式油缸46。

为了更容易地拧入湖、海或河流的基床中，在导管22的下端处包括一种具有多个切削齿的切削构件28。为了使导管22相对于基础主体30牢固固定，在圆柱形导管22的外部周围上布置多个固定元件23。

在导管22内，布置可以经由缆索(未示出)而导入到所述导管22中的钻探驱动器50。也可以描述成一种旋转驱动器的钻探驱动器50驱动了钻杆60，在其下端上布置了一种带有钻具82的钻头80。安装钻探驱动器50，从而使得它可以在导管22中轴向移动，以及可以在导管22中张紧。可以特别地描述成脐带缆的线12用于向钻探驱动器50提供液压流体。

在导管22的内壁上形成线性引导24，沿所述线性引导24而轴向引导所述钻探驱动器50。特别地通过重力可以实现带有钻头80的钻杆60的前进运动。为了增加钻头80上的负载，在钻头80以上的钻杆60上，特别是在钻杆60的钻环76上布置了负载板78。负载板78包括用于钻杆60的中心通道，特别地可松开地布置在钻杆60上。他们大面积地延伸到导管22的整个横截面上。

除通过重力的前进运动之外，在钻探驱动器50上还可以提供一种前进构件，特别地是一种馈送油缸，其控制着钻头80上的负载。

空心钻杆60包括中心输送通道62和环状周围馈送通道66。钻杆60由钻探驱动器50旋转驱动，并且通过钻探驱动器50而轴向延伸。在钻探驱动器50上方，带有排放开口69的喷出线68经由联接构件70而附连到钻杆60上，且然后流体连接到输送通道62上。

喷出线68向上延伸，且可以包括弯头(未示出)，其使带有钻屑的输送流体横向偏斜。排放开口69由此优选地布置到服务平台20的侧面，从而使得从服务平台20的旁边排放钻屑。

可以用不同的方式在输送通道62中产生流动。例如，可以使用空气上升工序。借助于馈送通道66，气体例如压缩空气可以经由吹入开口64或喷嘴而向下输送以及引入到输送通道62中，从而减少输送通道62中的输送流体的密度，以及产生向上取向的流动。气体可以经由馈送线58，特别地经由脐带缆12而从水表面上的支承单元馈送。

替代地或补充地，还可以借助于泵而在输送通道62中产生流动。例如，可以在钻探驱动器50以上布置吸入或位移泵74，如图2和3所示。吸入或位移泵74吸入输送通道62中的输送流体，且因而在输送通道62中产生向上取向的流动。泵74将喷出线68中的输送流体和钻屑一起输送。

替代地或补充地，可以提供喷射泵86，以在引导通道62中生成向上取向的流动。喷射泵86也可以安置在钻探驱动器50以上，或如图3示意地所示在钻头80的区域内，特别是在以下更详细地描述的钻头80的吸入腔84内。借助于燃料线(未示出)而向喷射泵86供应燃料。

吸入腔84流体连接到馈送通道66和输送通道62。在馈送通道66的下端处包括出口开口，经由其可以用如此方式将例如水或空气这样的流体引入到吸入腔84中，从而使得在那里产生携带着松开的钻屑径向向内的流动。在吸入腔84的中心区域中，通过输送通道62中的向上取向流动，将松开的钻屑向上拉出。

以下，描述了用于在湖、海或河流的基床上产生孔的发明的钻探方法。

最初，借助于索缆(未示出)将包括导管22的服务平台20从布置在水表面上的例如浮动平台或船这样的支承构件而放下，并且直立在湖、海或河流的基床上。然后定向服务平台20，且还可以将其固定到底部。

在已将服务平台20布置在湖、海或河流的基床上的想要的方向上之后，利用钻探驱动器50、钻杆60和钻头80将钻探单元引入到导管22中。钻杆60由钻探驱动器50来旋转驱动。通过钻探的进行，钻探驱动器50沿导管22向下行进。一旦钻探驱动器50已到达导管22的下端，就可以沿所形成的孔在导管22上钻孔，其中钻探驱动器50在导管22的上端方向上再次移动。然后，钻探驱动器50可以沿导管22再次向下移动，由此再次挖掘泥土材料。因而钻探驱动器50可以在服务平台20的导管22中钻入所产生的孔中。

借助于在输送通道62中生成的向上取向的流动将挖掘的泥土向上输送，且然后借助于排放开口69而排放到水中。

可以用不同的方式在输送通道62中产生向上取向的流动。例如，气体，特别是空气，可以被吹入到输送通道中，从而使得减少了输送通道62中的输送流体的密度，且因而产生向上取向的流动。替代地或补充地，有可能将输送流体向上泵送到输送通道62中，由此这可以例如通过吸入泵74或喷射泵86而发生。通过将水下钻探装置10与在水表面处所提供的支承构件相连接的所谓的脐带缆，可以向泵供应液压流体或燃料。优选地也可以从水表面以上经由脐带缆提供将要引入到输送通道62中的空气。

Claims (14)

1.用于在水体的基床上形成孔的水下钻探装置，具有

服务平台，可以将其放下以用于放置在该水体的基床上，

钻探驱动器，安装成使得其可以在该服务平台上轴向移位，和

带有钻头的钻杆，其可以经由该钻探驱动器而可旋转地受驱动，

其中

在该钻杆中形成输送通道，通过其可以将输送流体与挖掘的钻屑一起向上输送，和

提供用于将该输送流体和该挖掘的钻屑一起输送的排放开口，经由其可以将该输送流体与该钻探驱动器上面的挖掘的钻屑一起排放到水下。

2.根据权利要求1所述的水下钻探装置，

其中

通过该钻探驱动器引导该钻杆。

3.根据权利要求1所述的水下钻探装置，

其中

用于将该输送流体和该钻屑一起喷出的喷出线布置在该钻探驱动器的上面。

4.根据权利要求3所述的水下钻探装置，

其中

该喷出线设计成可伸缩。

5.根据权利要求3所述的水下钻探装置，

其中

该喷出线具有弯头，其使得带有该挖掘的钻屑的该输送流体偏斜以用于在相对于该钻杆偏移的位置处喷出到横向。

6.根据权利要求3所述的水下钻探装置，

其中

该喷出线相对于该钻杆和/或该钻探驱动器和/或该服务平台而旋转安装。

7.根据权利要求1所述的水下钻探装置，

其中

单向阀布置在该排放开口的区域中。

8.根据权利要求1所述的水下钻探装置，

其中

为了在该输送通道中生成沿该钻杆的向上取向的流动，提供用于压缩气体的馈送通道，从其中可以将该压缩气体馈送给该输送通道。

9.根据权利要求8所述的水下钻探装置，

其中

提供馈送线，其将该馈送通道连接到该湖、海或河流的水表面上的输送单元，具体地是压缩机。

10.根据权利要求1所述的水下钻探装置，

其中

为了在该输送通道中生成向上取向的流动，提供泵，具体地是吸入泵和/或喷射泵。

11.根据权利要求1所述的水下钻探装置，

其中

该钻杆形成为套管，其中形成用于该输送流体和/或压缩气体的该输送通道和馈送通道。

12.根据权利要求11所述的水下钻探装置，

其中

该钻头包括流体连接到该输送通道和该馈送通道的吸入腔。

13.根据权利要求11所述的水下钻探装置，

其中

该馈送通道包括下出口开口，其径向向外开口进入该吸入腔，以及在那里产生径向向外取向的流动，以及

该吸入腔包括偏斜构件，其在该输送通道的方向上产生了携带着挖掘的钻屑的该径向向外取向的流动到径向向内取向的流动的偏斜。

14.用于利用用具体地根据权利要求1所述的水下钻探装置在该水体的基床上形成孔的方法，其中

将该水下钻探装置的服务平台放下到该水体的基床上，以及利用底部站立元件放置在所述水体的所述基床上，和

带有钻头的钻杆经由安装在该服务平台上的钻探驱动器来旋转驱动，

其中

挖掘的钻屑与输送流体一起通过该钻杆中的输送通道而向上输送，以及经由该钻探驱动器上面的排放开口而排放到水下。

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