CN106458302B - 海上钻探系统、船及方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于实施与海底钻井孔相关的作业的海上钻探系统，包括钻探船(1)，其具有经受波浪升沉运动的浮动船体(2)。主缆索波浪升沉补偿滑轮(30，31)设置用于动滑轮(24)的波浪升沉补偿。在连接缆索绞车(61，62)与顶部滑轮组件(64)之间设置连接缆索波浪升沉补偿滑轮(66，67)，所述顶部滑轮组件在船井中或者在船井上方被支撑在船的船体上。主缆索波浪升沉补偿缆索滑轮和连接缆索波浪升沉补偿滑轮以机械地方式相互连接，从而允许它们的同步运动。

Description

海上钻探系统、船及方法
技术领域
本发明涉及一种用于实施与海底钻井孔相关的作业(例如海底钻井孔钻探)的海上钻探系统，包括经受由于波浪而导致的波浪升沉运动的浮式钻探船。
本发明还涉及一种适用于在所述系统中使用的浮式钻探船和利用该系统来实施的方法。
背景技术
在例如由本申请人进行市场销售的领域中，海上钻探船已知包括：
-经受波浪升沉运动的浮动船体，该船体包括船井，
-钻塔，其在船井处或者在船井附近，
-管柱起吊设备，该管柱例如为钻柱，
-起吊设备包括：
o主起吊绞车和连接至所述绞车的主缆索，
o起重定滑轮和动滑轮，该动滑轮以所述主缆索的多级下降布置的方式而被悬挂在所述起重定滑轮上，其中动滑轮适配为使管柱(例如钻柱)沿着作业线而被悬挂在其上，所述动滑轮例如具有被适配为旋转驱动钻柱的中间顶部驱动，
-波浪升沉补偿系统，其适配成为动滑轮提供波浪升沉补偿，所述波浪升沉补偿系统包括在所述主起吊绞车与动滑轮之间的路径上的主缆索波浪升沉补偿滑轮，连接至所述主缆索波浪升沉补偿缆索滑轮的被动和/或主动波浪升沉运动补偿设备，
-立管张紧系统，其适配为连接至沿着海底钻井孔与所述船之间的作业线延伸的立管，所述立管张紧系统包括张紧环和连接至所述张紧环的张紧构件。
在已知的实施方案(例如在US6595494中所公开的实施方案)中，动滑轮波浪升沉补偿系统包括两个主缆索波浪升沉补偿滑轮，每个主缆索波浪升沉补偿滑轮都处于一个主起吊绞车与动滑轮之间的路径上。如在现有技术中已知的，这些滑轮中的每一者都安装在补偿器工作缸的杆上，这些工作缸能够经由中间液压/气体隔离缸而连接至气体缓冲器。
在海上钻探领域中，还已知利用滑动接头，也被称为伸缩接头。通常地，滑动接头具有下部滑动接头外筒和上部滑动接头内筒，其中下部外筒适配为连接至立管的延伸至到海底钻井孔至立管的固定长度部段。在已知的实施方案中，滑动接头设置有锁定机构，例如设置有液压致动销，其适配为在折叠的位置上锁定滑动接头。已知的滑动接头在折叠和锁定位置下比在动态行程模式下提供更高的压力等级。例如，滑动接头已知具有一个或者多个金属对金属的高压密封件，它们在折叠和锁定位置下起作用，而在动态模式下，一个液压致动的低压密封件或者若干低压密封件起作用。
在海上钻探领域中，已知立管张紧系统的张紧环连接至滑动接头的外筒。已知的张紧系统包括钢丝缆绳张紧系统，其中钢丝缆绳在船上从张紧环延伸至张紧器。还已知直动式立管张紧系统，其中多缸单元直接与张紧环接合。
在钻探领域中，所谓的封闭循环方法逐渐引起注意，例如，就(例如在钻探的过程中)钻井孔之内的压力控制改进方面而言。为此目的，将通常位于滑动接头上方的旋转控制设备(RCD)设置成封闭在上立管构件与穿过立管延伸的管柱之间的环。在RCD下方的一个或者多个井口自喷构件，或者与RCD形成整体的一个或者多个井口自喷构件允许连接一个或者多个软管连接，从而使得环形流体流(例如返出泥浆)能够被输送至船。由于通过RCD而形成环形区域密封，因而能够对环形区域中的流体压力进行控制(例如就诸如控制压力钻探的技术方面而言)。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的系统。例如，本发明的目的在于在进行海底钻井孔钻探的过程中提供改进的钻井孔压力控制。本发明的另一个目的在于例如在钻探项目的效率、钻探工作人员效果等方面改进如上所述的装置在实践中的使用。
本发明提供一种系统，其特征在于，船还设置有缆索连接系统，该缆索连接系统包括：
o滑动接头内筒连接器，其适配为固定至滑动接头内筒，
o连接缆索绞车和连接缆索，
o顶部滑轮组件和移动底部滑轮组件，顶部滑轮组件被支撑在船的船体上的位于船井中或者船井上方的固定的操作位置上，而移动底部滑轮组件固定至滑动接头内筒连接器，
其中连接缆索在顶部滑轮组件与底部滑轮组件之间以多级下落的方式布置的方式延伸，
o连接缆索波浪升沉补偿滑轮，其处于连接缆索绞车与顶部滑轮组件之间的路径上，
其中，主缆索波浪升沉补偿缆索滑轮和连接缆索波浪升沉补偿滑轮为机械方式地相互连接，从而允许其同步运动。
在本发明中，在滑动接头未锁定的情况下，能够通过吸收船的波浪升沉运动的滑动接头来实施与海底钻井相关的操作。这优选地由被保持在船井上方的固定位置上的钻台工作甲板来完成。
在滑动接头处于折叠和锁定位置的情况下，移动底部滑轮组件已经相对于立管而处于固定，从而相对于海底处于固定。当船经受起伏时，顶部滑轮组件与底部滑轮组件之间的距离将会由于波浪升沉运动而发生变化。结果是，连接缆索的运动将会叠加到波浪升沉补偿系统，该波浪升沉补偿系统提供动滑轮的波浪升沉补偿。因而在滑动接头锁定时，动滑轮的有效、精准且可靠的波浪升沉补偿运行。当未锁定时，该滑轮补偿系统仍然存在且可操作，但是没有由联接至滑动接头内筒的连接缆索导致的叠加效果更加有利。
本发明系统(当滑动接头锁定时)在RCD将立管与钻柱或者其他管柱之间的环形部密封的情况下，允许例如较高精确度的波浪升沉补偿。在这种状况下，且滑动接头锁定并且具有RCD时，立管内的流体容积已经有效地变成固定容积，任何波浪升沉运动或者残留的波浪升沉运动将会导致这种固定容积的流体的主要压力变化。本发明的系统允许使这种压力变化(如果有的话)保持在有限的且可接受的水平。
在一个实施方案中，船设置有竖直移动的工作甲板，其在包括下固定位置的移动范围内竖直移动，其中工作甲板用作为滑动接头未锁定时的固定钻台甲板，移动范围还包括位于比所述下固定位置更高处的波浪升沉补偿移动范围。在该波浪升沉补偿移动范围内，工作甲板能够相对于船的船体进行波浪升沉补偿运动。
在一个实施方案中，所述系统包括上立管部段，其适配为安装在立管上且从滑动接头向上延伸至少至所述工作甲板的下固定位置上方，优选地延伸至波浪升沉补偿移动范围。
优选地，所述工作甲板适配为放置在上立管部段上，优选地所述上立管部段是所述工作甲板的唯一的竖直负载支撑。后者的实施方案的优势在于，例如对于在所述上立管部段中通向任何装置的管路或者其他(电)线路而言，对于泥浆管线等而言能够最优地到达上立管部段。例如，这种装置能够是一个或者多个RCD、转向器、BOP等。
优选地，船设置有钻机舱甲板和位于其上的钻机舱，工作甲板的下固定位置处在所述钻机舱甲板的水平处。这例如使得在滑动接头折叠且锁定的情况下操作时，并且工作甲板在波浪升沉运动中处在升高的波浪升沉运动补偿范围内时，允许在所述舱室内的钻探工作人员直接观察上立管部段中的装置以及附接至所述装置的管路。
本发明的系统还能够实施为使得处于波浪升沉运动补偿模式中的工作甲板自身的重量及位于其上的负载(如果有的话)不放置在上部立管部段上或者不完全放置在上立管部段上。那么则工作甲板设置有向下依附的甲板架，移动底部滑轮组件连接至所述向下依附的甲板架的下端。这种甲板架可以是例如包括竖直支架、格状工件等。
优选地，工作甲板在其中具有与作业线对齐的开口，所述开口的尺寸至少允许延伸到立管中并通过所述立管的管柱通过。
优选地，工作甲板设置有管柱悬挂设备，例如为钻探领域已知的滑动件的设备。
工作甲板可以设置有旋转台。
优选地，顶部滑轮组件在其固定操作位置时处在工作甲板下方的水平处，例如顶部滑轮组件在其下固定位置时处在工作甲板下方，以其固定的布置。如果需要，则顶部滑轮组件能够在其固定的操作位置和缩回(例如在侧方缩回)的非操作位置之间移动。例如，顶部滑轮组件安装在跨越船井的可移动框架(例如可在沿着船井侧方的轨道上移动)上。或者，顶部滑轮组件能够悬挂在高架的甲板结构上，例如具有允许顶部滑轮组件在操作位置与缩回位置之间移动的轨道。在工作甲板底板下方设置顶部滑轮允许例如在作业线与管状储存架之间的管道架设操作中不受阻碍地从侧方到达工作甲板。
如在现有技术中已知的，在优选的实施方案中，主起吊设备包括第一主起吊绞车和第二主起吊绞车，其中所述主缆索在其每端处分别连接至第一主起吊绞车和第二主起吊绞车。这例如允许在主起吊设备中的绞车冗余量。
在一个实施方案中，波浪升沉运动补偿设备包括：处于第一主起吊绞车与动滑轮之间的路径上的第一主缆索波浪升沉补偿滑轮，连接至所述第一主缆索波浪升沉补偿缆索滑轮的被动和/或主动第一波浪升沉运动补偿设备，并且所述波浪升沉运动补偿设备包括，处于第二主起吊绞车与动滑轮之间的路径上的第二主缆索波浪升沉补偿滑轮，连接至所述第二主缆索波浪升沉补偿缆索滑轮的被动和/或主动第二波浪升沉运动补偿设备。
在一个实施方案中，每个波浪升沉运动补偿设备都包括具有活塞杆的液压缸，主缆索波浪升沉补偿滑轮连接至所述活塞杆。液压缸连接至液压/气体分离油缸，其一个腔室连接至现有技术中已知的气体缓冲器。
例如，补偿器工作缸具有5至15米之间，例如6米的行程。
在一个实施方案中，设置两个连接器缆索绞车，每个都连接至连接器缆索的端部。这种布置提供所述连接器缆索绞车的冗余量。
在一个实施方案中，第一连接器缆索波浪升沉补偿滑轮布置在第一连接器缆索绞车与顶部滑轮组件之间的路径上，其中第二连接器缆索波浪升沉补偿滑轮布置在顶部滑轮组件与第二连接器缆索绞车之间的路径上。在一个替代性方案中，所述第二端部连接至固定的末端。在这种布置中，第一和第二连接器缆索波浪升沉补偿滑轮分别以机械方式地连接至第一和第二主缆索波浪升沉补偿滑轮，从而允许它们同步运动，以获得所需的叠加。
在一个实施方案中，顶部滑轮组件和底部滑轮组件的每一者都具有左侧组件和右侧组件，所述左侧组件具有一个或者多个滑轮，所述右侧组件具有一个或者多个滑轮，所述左侧组件和所述右侧组件布置在作业线的相对的两侧上并被隔开以允许立管构件在作业线中且在所述组件之间通过，优选所述组件的滑轮具有共用的滑轮轴线，其与作业线相交。
在一个实施方案中，多组底部滑轮组件安装在承载架或者梁上，所述梁还承载或者形成内筒连接器。例如，所述承载架或者装置在其中具有中心凹部或者开口，允许上立管部段通过。
在一个实施方案中，连接至动滑轮的一个或者多个主缆索滑轮具有单独的下锁止设备，该下锁止设备允许单独的滑轮连接至动滑轮，或者使单独的滑轮与动滑轮脱离连接。优选地，这种一个或者多个滑轮还具有上锁止设备，如果滑轮与动滑轮脱离连接，那么该上锁止设备允许将该滑轮锁止至起重定滑轮。这种“能拆解的滑块”装置在现有技术中是已知的。
在一个实施方案中，优选地在与用于动滑轮的能拆解的滑块组合的实施方案中，底部滑轮组件的一个或者多个滑轮具有单独的下锁止设备，该下锁止设备允许单独的滑轮连接至内筒连接器，或者使单独的滑轮与内筒连接器脱离连接。优选地，这种一个或者多个滑轮还具有上锁止设备，如果滑轮与内筒连接器脱离连接，那么该上锁止设备允许滑轮锁止至顶部滑轮组件。
在一个实施方案中，塔是具有顶部和底部的井架，所述底部临近所述船井，其中一个或者多个波浪升沉运动补偿设备的一个或者多个液压缸例如在竖直方向上布置在所述井架之内。
在一个实施方案中，连接器缆索在升高的位置处沿着井架的表面，例如沿着井架的外表面的外部沿着井架向下从滑轮延伸直至在井架底部的底部滑轮，并且优选地在工作甲板的下固定位置下方，从所述底部滑轮延伸直至顶部滑轮组件。
在一个实施方案中，船设置有立管钢丝缆绳张紧系统，其具有基于不同钢丝缆绳滑轮并且连接至张紧环的一个或者多个钢丝缆绳，所述张紧环能够连接至滑动接头的外筒。或者立管张紧器可以是直接作用的可伸缩的立管张紧器，其具有连接至张紧环的多个可伸缩的张紧器支腿。
本发明还涉及一种钻探船，其包括：
-经受波浪升沉运动的浮动船体，该船体包括船井，
-钻塔，其在船井处或者在船井附近，
-管柱起吊设备，该管柱例如为钻柱，该起吊设备包括：
o主起吊绞车和连接至所述绞车的主缆索，
o起重定滑轮和动滑轮，该动滑轮以所述主缆索多级下落方式而悬挂在所述起重定滑轮上，其中动滑轮适配为使管柱(例如钻柱)沿着作业线悬挂在动滑轮上，所述作业线例如具有适配为旋转驱动钻柱的中间顶部驱动器，
-波浪升沉补偿系统，其适配为提供动滑轮的波浪升沉补偿，该波浪升沉补偿系统包括在所述主起吊绞车与动滑轮之间的路径上的主缆索波浪升沉补偿滑轮，连接至所述主缆索波浪升沉补偿缆索滑轮的被动和/或主动波浪升沉运动补偿设备，
-立管张紧系统，其适配为连接至沿着作业线并在海底钻井孔与船之间延伸的立管，立管张紧系统包括张紧环和连接至所述张紧环的张紧构件，其中立管张紧系统的张紧环适配为连接至滑动接头的外筒，
其特征在于，船还设置有缆索连接系统，该缆索连接系统包括：
-滑动接头内筒连接器，其适配为固定至滑动接头内筒，
-连接缆索绞车和连接缆索，
-顶部滑轮组件和移动底部滑轮组件，所述顶部滑轮组件被支撑在船的船体上的位于船井中或者船井上方的固定的操作位置上，所述移动底部滑轮组件固定至滑动接头内筒连接器，
其中连接缆索在顶部滑轮组件与底部滑轮组件之间以多级下落布置的方式延伸，
-连接缆索波浪升沉补偿滑轮，其处于连接缆索绞车与顶部滑轮组件之间的路径上，
其中，主缆索波浪升沉补偿缆索滑轮和连接缆索波浪升沉补偿滑轮为机械方式地相互连接，从而允许其同步运动。
应当理解，本发明的船在当处于这样的情况时是最优的：船在船上具有滑动接头，该滑动接头具有下滑动连接外筒和上滑动连接内筒，其中外筒适配为连接至立管的伸至海底钻井孔的为固定长度的部段，其中滑动接头设置有锁定机构，所述锁定机构适配为在折叠位置锁定所述滑动接头。
本发明还涉及一种钻探船，其包括：
-经受波浪升沉运动的浮动船体，该船体包括船井，
-钻塔，其位于船井处或者在船井附近，
-管柱起吊设备，该管柱例如为钻柱，该起吊设备包括：
o主起吊绞车和连接至所述绞车的主缆索，
o起重定滑轮和动滑轮，该动滑轮以所述主缆索多级下落方式而悬挂在所述起重定滑轮上，其中动滑轮适配为使管柱(例如钻柱)沿着作业线悬挂在动滑轮上，所述作业线例如具有适配为旋转驱动钻柱的中间顶部驱动器，
-波浪升沉补偿系统，其适配为提供动滑轮的波浪升沉补偿，该波浪升沉补偿系统包括在所述主起吊绞车与动滑轮之间的路径上的主缆索波浪升沉补偿滑轮，连接至所述主缆索波浪升沉补偿缆索滑轮的被动和/或主动波浪升沉运动补偿设备，
-竖直移动工作甲板，其设置有具有开口的底板，作业线穿过该开口，
-立管张紧系统，其适配为连接至沿着作业线在海底钻井孔与船之间的延伸的立管，立管张紧系统包括张紧环和连接至所述张紧环的张紧构件，
其特征在于，工作甲板设置有在底板下方向下依附的工作甲板架，并且所述船还设置有缆索连接系统，该缆索连接系统包括：
-连接缆索绞车和连接缆索，
-顶部滑轮组件和移动底部滑轮组件，所述顶部滑轮组件被支撑在船的船体上的位于船井中或者船井上方的固定的操作位置上，所述移动底部滑轮组件固定至工作甲板架的下端部，
其中，连接缆索在顶部滑轮组件与底部滑轮组件之间以多级下落布置的方式延伸，
-连接缆索波浪升沉补偿滑轮，其处于连接缆索绞车与顶部滑轮组件之间的路径上，
其中，主缆索波浪升沉补偿缆索滑轮和连接缆索波浪升沉补偿滑轮为机械方式地相互连接，从而允许其同步运动。
例如，工作甲板设置有立管连接器，从而使工作甲板固定至在作业线中延伸的立管，例如固定至立管的顶端或者固定至立管中的滑动接头的内筒。
上述设置允许提供动滑轮与工作甲板的同步的波浪升沉补偿运动，同时完全保持工作甲板底板是可到达的。这例如允许在作业线与管状储存架之间进行管道架设操作，而没有任何妨碍。例如，这与在WO 2013/169099中公开的方案相比是有利的方案。在其中描述的简单的实施方案中，工作甲板通过杆、缆索或者链条而直接悬挂于动滑轮，从而跟随其波浪升沉补偿运动。文献WO2013/169099描述了将入井装置，例如挠性管注入头单元，放置在工作甲板上。同时对于这种操作而言，工作甲板与动滑轮之间的任何直接的悬挂设备可都是可以的，这种悬挂设备限制到达作业线，并且因此可能限制所述船在进行不同的作业活动方面的操作能力。
本发明的系统允许以具有较高精度和可靠度的简单的方式来实现工作甲板与动滑轮的同步的波浪升沉补偿运动。通过连接缆索绞车，能够使工作甲板不依赖于动滑轮的位置来进行设置，例如，利用选择正确长度的上立管部段来进行设置，例如通过增加较短长度的立管单元来进行设置。
通过合适地控制连接器缆索绞车，能够使工作甲板相对于船体处于固定位置上，例如利用滑动接头未锁定，例如位于最低的停泊位置上，从而工作甲板可能被锁定在所述的停泊位置上，但是动滑轮可以继续以波浪升沉补偿模式操作。
在非常实用的实施方案中，主缆索波浪升沉补偿缆索滑轮和连接器缆索波浪升沉补偿滑轮安装在共用的刚性承载架上，例如固定至补偿器工作缸的杆的承载架。
本发明的系统可以实施为使得连接器绞车和缆索系统适配为在波浪升沉补偿运动的同时支撑至少300公吨，例如400至800公吨之间的竖直负载。
如将在下文中详细介绍的，可以设想，在一个实施方案中，滑动接头是锁定的且RCD就位运行，通过附接至动滑轮的顶部驱动器装置，并将钻管附加至通过悬挂的立管延伸的钻柱来实施钻探。然后，工作甲板设置有钻柱防滑装置，其适配为当新的钻管附接至钻柱时，或者在释放的过程中移除钻柱时来支撑钻柱。在该操作过程中，动滑轮和工作甲板都相对于船的船体处于波浪升沉补偿模式。由于本发明的系统提供的精准度，即使立管中的液体容积由于RCD而保持恒定，钻井孔中的压力变化也会受到限制，从而提高比如控制压力钻探的钻探技术。于是能够进行控制压力钻探作业，而不需要动态行程滑动接头的压力限制。
在一个实施方案中，可以设想，本发明的系统实施为允许钻探并在所述过程中向钻柱增加新钻管，同时滑动接头处于折叠且锁定的位置，例如在工作甲板处于波浪升沉补偿模式下，例如工作甲板放置在立管的顶端上。
在一个实施方案中，船设置有钻管储存架，例如传送带，其适配为在其竖直方向储存钻管，钻管储存架安装在船体上，从而与船体一同经受波浪升沉运动。船体还设置有管件支架系统，其适配为在钻管储存架和作业线在动滑轮与工作甲板之间的位置之间移动管道部段。设置有钻柱滑动件，当钻柱与动滑轮脱离连接(例如与顶部驱动器脱离连接)时，考虑到新钻管与悬挂的钻柱的连接，所述钻柱滑动件在立管内支撑悬挂的钻柱。
管件支架系统设置有波浪升沉运动同步系统，其适配成使从钻管储存架获得的钻管形成与悬挂的钻柱在滑动接头的折叠和锁定位置上相对于船的船体所进行的波浪升沉运动同步的竖直运动。如果设置竖直移动工作甲板，则可以认定如下这种情况是有好处的：如果防滑装置安装在所述工作甲板上或者安装在所述工作甲板中，且甲板处于波浪升沉运动，例如当甲板放置在立管的顶端上时。
因此，上述的管件支架系统允许在相对于船的船体的波浪升沉运动中，利用立管的顶端和钻柱防滑装置，还可能是利用支撑防滑装置的工作甲板来进行钻探操作。这允许用锁定的滑动接头进行所述钻探操作，例如允许使用RCD设备来密封环形部，并从而例如就控制压力钻探而言，将实现立管内的受控的压力。
在实施方案中，船设置有布置在工作甲板上(例如在竖直移动的移动工作甲板上)的铁钻工设备。这例如允许铁钻工甲板用于实现或者断开钻管之间或者其他管之间的螺纹连接。
在可选的实施方案中，船具有铁钻工设备，其没有安装在工作甲板上，反而单独被支撑于船的船体，例如沿通过竖直驱动器安装至塔的轨道竖直移动。于是铁钻工设备设置有波浪升沉运动竖直驱动器，其适配为使铁钻工设备以与悬挂的钻柱的波浪升沉运动同步的波浪升沉运动方式来进行移动，从而能够在处于波浪升沉运动中的同时来操作铁钻工设备。
波浪升沉运动补偿管件支架系统能够用于在钻管储存架与作业线之间使钻管(例如双管支座或者三管支座)移动，从而在处于波浪升沉运动中时使新钻管连接至由防滑装置保持的管柱。
可以设想，这对于受控压力钻探而言将具有巨大价值，在受控压力钻探中需要以较高精准度来控制钻眼压力。
附图说明
现在将参考附图来阐述绍本发明的各个方面。在这些附图中：
图1示意性地显示根据本发明的钻探船的竖直横断面，
图2显示船的一部分以示出本发明，其具有带有补偿器工作缸的钻探井架和移动工作甲板，以及滑动接头。
图3示意性地显示图1的井架，
图4显示图3的一部分，从而显示其中的波浪升沉补偿器工作缸，
图5示意性地显示图1的船的主起吊设备和缆索连接系统，
图6显示图5的一部分以来示出缆索连接系统，
图7示出了具有立管张紧系统和缆索连接系统的滑动接头，
图8从另一个不同的角度显示图7的状况，
图9显示缆索连接系统处于波浪升沉补偿模式的下方位置上，
图10显示缆索连接系统处于波浪升沉补偿模式的上方位置上，
图11示出了图1的船的井架，其具有移动工作甲板，所述井架设置有竖直轨道，两个移动管道支架臂单元和移动铁钻工设备以波浪升沉补偿模式在竖直轨道上移动，管道储存传动带安装在船体上，
图12示出了新的钻管在波浪升沉运动下被组装至钻柱，
图13示出了图11和图12的托载管状夹持构件的操作臂单元，
图14示出了图1的船的井架、船井和钻探作业线装备。
具体实施方式
将参考附图来讨论根据本发明的用于实施与海底钻井孔相关的作业(例如，海底钻井孔钻探)的海上钻探系统的示例。
所述系统包括钻探船1，其具有经受波浪升沉运动的浮动船体2，船体包括船井5，这里船井具有船首部分5a和船尾部分5b。
船1优选为具有船井的单体船，船井延伸穿过船的设计吃水线。在另一个实施方案中，例如，船是具有潜入水中的浮筒(可能是环形的浮筒)的半潜船，在浮筒上具有支撑水线上方的甲板箱型结构的柱体。则船井可以设置在甲板箱型结构中。
船在船井处或者在船井附近装备有钻塔10。在该示例中，优选地是，所述塔是具有封闭的外壁并具有顶部和底部的井架。井架的底部固定至船体2。在该示例中，井架安装在船井5上方，底部在横向方向上跨越船井。
在另一个实施方案中，所述塔可以实施为起重吊杆，例如，具有立在船井上方的网格状的起重吊杆框架。
船1设置有管柱主起吊设备，管柱例如为钻柱15。
主起吊设备包括：
-主起吊绞车，这里为第一和第二绞车20、21，以及连接至所述绞车20、21的主缆索22，
-起重定滑轮23和动滑轮24，其中定滑轮这里是处于井架10的顶端，而动滑轮24是以主缆索22的多级下降布置的方式被悬挂在起重定滑轮23上。
动滑轮24适配为沿着作业线16将管柱(例如钻柱15)悬挂在作业线上，这里显示的(优选的)是具有中间顶部驱动器18，所述中间顶部驱动器18被动滑轮24支撑并适配为旋转驱动钻柱。
船1设置有波浪升沉补偿系统，波浪升沉补偿系统适配成为动滑轮24提供波浪升沉补偿。所述波浪升沉补偿系统包括主缆索波浪升沉补偿滑轮，这里为两个滑轮30、31，两个滑轮30、31中的每一个都处于每个主起吊绞车20、21与动滑轮24之间的路径上。这些滑轮30、31每个都连接至被动和/或主动波浪升沉运动补偿设备，这里包括液压缸32、33，液压缸32、33中的每个分别连接至主缆索波浪升沉补偿缆索滑轮30、31。如在现有技术中已知的，每个缸32、33都连接至液压/气体隔离缸，其一个腔室连接至现有技术中已知的气体缓冲器。而且，优选地是，缸32、33沿着竖直方向安装在井架内。
在一个实施方案中，每个波浪升沉运动补偿设备都包括具有活塞杆的液压缸，主缆索波浪升沉补偿滑轮连接至所述活塞杆。
例如，每个补偿器工作缸32、33都具有5至15米之间，例如6米的行程。
图3和图4主要示出优选在井架10内安装这些竖直方向上较长的缸32、33，以及其活塞杆完全延伸和缩回的位置。
所述船还设置有立管张紧系统，其适配为连接至在海底钻井孔(例如在海底井口上的BOP)与船1之间沿作业线16延伸的立管19。立管张紧系统包括张紧环40和连接至张紧环40的张紧构件41。在显示的示例中，显示为钢丝绳张紧器，构件41是从环40向上延伸到滑轮42然后到张紧装置(例如包括缸43和气体缓冲器)的钢丝绳。
附图还显示滑动接头50，其具有下部滑动接头外筒51和上部滑动接头内筒52。如在现有技术中已知的，外筒52适配为在其下端部(例如，经由螺栓)而连接至立管19的延伸至海底的固定长度部段。如在现有技术中已知且这里未详细示出，滑动接头设置有锁定机构53，例如包括液压致动的锁定销，所述锁定机构53适配为在折叠的位置上锁定滑动接头。如在前文中介绍的，滑动接头在处于折叠和锁定时比在动态行程模式下具有更高的压力等级，例如锁定位置包括在滑动接头中起作用的金属对金属密封件。
如在现有技术中已知的，立管张紧系统的张紧环40适配为连接至滑动接头50的外筒51，由此允许吸收立管的有效重量。
船1还设置有缆索连接系统，该缆索连接系统包括：
-滑动接头内筒连接器60，其适配为固定至滑动接头内筒52，
-连接缆索绞车，这里为两个绞车61、62，以及在缆索的任一端处连接至所述两个绞车61、62的连接缆索63，
-顶部滑轮组件64和底部移动滑轮组件65，顶部滑轮组件64在船井5中或者在船井5上方被支撑在船的船体上的固定的操作位置，底部移动滑轮组件65固定至滑动接头内筒连接器60。
连接缆索63在顶部滑轮组件64与底部滑轮组件65之间以多级下降布置的方式延伸，但是，在简单的实施方案中，单级下降布置也是可能的。
在缆索连接系统中，连接缆索波浪升沉补偿滑轮66、67布置在连接缆索绞车61、62与顶部滑轮组件64之间的路径上。
可以看出，每个主缆索波浪升沉补偿缆索滑轮30、31机械地互联至连接缆索波浪升沉补偿滑轮66、67中的一个，从而允许它们同步运动。
船1设置有竖直移动工作甲板70，所述竖直移动工作甲板70在包括下部固定位置71的移动范围内竖直地移动，其中工作甲板用作固定钻台甲板且滑动接头50未锁定，所述移动范围还包括波浪升沉补偿移动范围72，其比下部固定位置71更高。在该波浪升沉补偿移动范围内，工作甲板70能够进行相对于船的船体的波浪升沉补偿运动。
例如，波浪升沉补偿移动范围在5至10米之间，例如6米。例如，工作甲板在波浪升沉运动中在具有船的舱室74的钻机舱甲板73上方的平均高度大约是10米。
所述系统还包括上部立管部段80，其安装在立管的顶部并从滑动接头50的内筒52向上延伸至少到达工作甲板的下部固定位置71的上方，优选地直至甲板70的波浪升沉补偿移动范围。
下部部段构件81这里形成内筒52的实际端部与连接器60之间的刚性连接，这里构件81具有放置在连接器60上的套环82。另一个立管构件83从所述构件81向上延伸直至平面71(甚至是在图9中显示的最低的波浪升沉运动位置)的上方。在所述立管构件83上方安装有与立管顶部成整体的装置(诸如优选至少为旋转控制设备(RCD)84)和泥浆管线连接器85。例如，这里也可以设置其它与立管形成整体的装置(如圆形BOP86)。
在显示的示例中，工作甲板70放置在上部立管部段80上，并且该上部立管部段80是工作甲板70的唯一的竖直负载支撑。
如在图12中最佳可见，立管的位于具有钻机舱74的钻机舱甲板73上方的高度允许：在折叠和锁定位置操作滑动接头50的时候，该舱室中的钻探操作人员直接观察到上部立管部段80中的装置以及附接至上立管部段80的全部管线，且工作甲板70处于波浪升沉运动补偿范围内的升高状态下的波浪升沉运动。
本发明的系统还能够实施为使得处于波浪升沉运动补偿模式下的工作甲板70不会将其重量以及位于其上的负载(如果存在的话)(例如来自由工作甲板70上的防滑装置悬挂的钻柱)放置在上部立管部段上或者不会全部放置在上部立管部段上。于是工作甲板设置有向下依附的甲板框架，底部移动滑轮组件65连接至所述向下依附的甲板框架的下端。这种甲板框架可以是例如包括竖直支架、格状物件等。
附图显示工作甲板70在其中具有与作业线16对齐的开口75，开口75的尺寸设置为至少允许管柱15通过，所述管柱15延伸到立管19、80中并穿过立管19、80。工作甲板设置有管柱悬挂装置，例如在钻探领域中已知为滑动件77的设备。
工作甲板可以设置有转台。
顶部滑轮组件64在其固定的操作位置下设置在工作甲板70下方的水平处，这里优选在处于其下部固定位置71时顶部滑轮组件64位于工作甲板下方。如果需要的话，顶部滑轮组件64能够在其固定的操作位置与缩回的(例如向侧方缩回)非操作位置之间移动。例如，顶部滑轮组件安装在跨越船井5的可移动框架(例如可在沿着船井旁的轨道移动)上。或者，顶部滑轮组件能够悬挂在高架甲板结构12(这里还形成钻机舱甲板)上，例如具有允许顶部滑轮组件在操作位置与缩回位置之间移动的轨道。在工作甲板底板下方设置顶部滑轮组件64允许例如在作业线与管状储存架之间的管道架设操作中不受阻碍地从侧方到达工作甲板。
如在图5和图6最佳显示，顶部滑轮组件和底部滑轮组件64、65的每一者都具有左侧组件64a、65a和右侧组件64b、65b，所述左侧组件64a、65a具有一个或者多个滑轮，该右侧组件64b、65b具有一个或者多个滑轮，左侧组件和右侧组件布置在作业线的相对的侧部并被隔开以允许立管构件80在作业线中且在组件之间通过。优选地是，这些组件的滑轮具有共用的滑轮轴线，它们与作业线16交叉。
顶部滑轮组件的过渡滑轮66与组件64a、b成直角设置并通常位于组件64a与64b之间。
底部滑轮组件的组件65a，65b安装在承载架上，或者在图6中显示的另一个实施方案中安装在梁上，所述梁也承载或者形成内筒连接器60。例如，承载架或者承载装置在其中具有中心凹部或者开口，该中心凹部或者开口允许上部立管段通过。
在一个实施方案中，连接至动滑轮24的一个或者多个主缆索滑轮具有单独的下锁止设备，以允许将单独的滑轮连接至动滑轮，或者使单独的滑轮与动滑轮脱离连接。优选地，这种一个或者多个滑轮还具有上锁止设备，如果滑轮与动滑轮脱离连接，那么该上锁止设备允许将该滑轮锁止至起重定滑轮。这种“能分离的块体”装置在现有技术中是已知的。
在一个实施方案中，优选地在与用于动滑轮的能分开的块体组合的实施方案中，底部滑轮组件65的一个或者多个滑轮具有单独的下锁止设备，该下锁止设备允许单独的滑轮连接至内筒连接器60，或者使单独的滑轮与内筒连接器60脱离连接。优选地是，这种一个或者多个滑轮还具有上锁止设备，如果滑轮与内筒连接器脱离连接，那么该上锁止设备允许滑轮锁止至顶部滑轮组件64。
如所示的，这里，连接器缆索63在升高的位置处沿着井架的表面，例如沿着井架的外表面的外部，并沿着井架10向下从滑轮68a、68b延伸直至在井架底部的底部滑轮69a、69b，并且连接器缆索63优选在工作甲板的下固定位置71下方，从所述底部滑轮69a、69b延伸直至顶部滑轮组件64。
在图11中，图1的船的井架以立体图的形式显示，其中相同的元件以相同的附图标记表示。
船设置有竖直移动的工作甲板70，其在包括下固定位置的移动范围内竖直移动，其中工作甲板用作为固定的钻台甲板，且滑动接头未锁定，移动范围还包括比所述下固定位置更高的波浪升沉补偿移动范围。这种位置在图11中显示。船设置有钻机舱甲板73，在其上具有钻机舱(未示出)，并且工作甲板的下固定位置处于所述钻机舱甲板的水平处。
船还设置有立管张紧系统(未示出)，其适配为连接至在海底钻井孔(例如在海底井口装置上的BOP)与船之间的沿作业线16延伸的立管。该钻探系统还包括上立管部段80，其安装在滑动接头的内筒(未示出)上，并从从该滑动接头向上延伸至少到工作甲板的下固定位置71上方，优选地直至波浪升沉补偿移动范围，如在图11中可见。
船还设置有钻塔，这里实施为具有封闭中空结构的井架10。已将包括绞车和顶部驱动器的顶部段从附图中移除。还已知的是用于管件(例如钻管和套管，这里是多连接式的管)的储存架110、111。这种架还优选为传动带。
在井架10面向作业线16的侧部处，钻探系统设置有管件支架系统，这里其包括两个管件支撑设备140和140’，两个管件支撑设备140和140’中的每一者都安装在井架10的拐角处。如果没有井架，例如具有具有格状吊杆，则可以设置支撑结构以实现与支撑设备140和140’相对于作业线16的设置相似的设置。
在示出的实施方案中，每个支撑设备140、140’具有多个，这里为三个支撑组件。这里为较低的第一管件支撑组件141、141’、可在比第一管件支撑组件处于更高的高度处操作的第二管件支撑组件142、142'、以及第三管件支撑组件143、143’。
支撑组件的每组组件(这里，每一者都在井架10的拐角处)布置在固定至井架10的共用的竖直轨道145、145’上。
在图11的实施方案中，钻管的多接头的管件可以由支撑组件142’和141’而被保持在井中心27上方的作业线上，从而允许将所述管件连接至上立管部段80。每个所述组件142’和141’在组件操作臂的端部处承载管件夹持构件142’t和141’t。
另一个支撑设备140的下支撑组件143承载铁钻工设备150，在铁钻工设备150上还选择性地具有旋转器。
根据本发明的优选实施方案，管件支架系统设置有波浪升沉运动同步系统，其适配为使来自钻管储存架的钻管实现与立管的上端(例如支撑在工作甲板上的工作甲板的上端)的波浪升沉运动同步的竖直运动，从而允许钻管与悬挂于防滑装置的钻柱相互连接。因此，在示出的实施方案中，两个管件支撑设备140和140’(每个都具有三个支撑组件)以波浪升沉补偿模式移动。
可想到支撑组件以波浪升沉补偿模式而相对于它们共用的竖直轨道145、145’移动，还可想到具有支撑组件的共用的竖直轨道145、145’以波浪升沉补偿模式而相对于井架10移动。
在图12中，由图11的管件支架系统固定的新的钻管15的组件包括安装在竖直轨道上的支撑组件，该管件支架系统设置有波浪升沉运动同步系统，该波浪升沉运动同步系统使来自钻管储存架(未示出)的钻管15实现与立管的上端的波浪升沉运动同步的竖直运动，从而允许钻管15与悬挂于防滑装置的钻柱相互连接。波浪升沉运动方式的钻柱以详细的立体视图显示。支撑组件143、143’和141、141’在图12中可见，其中支撑组件141’夹持钻管15。
在显示的示例中，工作甲板70支撑在上立管部段80上，并且该上立管部段80是工作甲板70的唯一的竖直负载支撑。
上立管部段80包括与立管顶端(诸如优选为至少是旋转控制装置(RCD)84)成整体的装置以及泥浆管线连接器85。
立管的位于具有钻机舱74的钻机舱甲板(未示出)上方的高度允许该舱室中的钻探工作人员直接观察上立管部段80中的装置以及附接至上立管部段80的全部管线，且工作甲板70处于波浪升沉运动中的升高的波浪升沉运动补偿范围内。
在图13中，更为详细地显示了图11和图12的适配为承载管件夹持构件的支撑组件141的操作臂141m。这里，操作臂141m实施为可伸缩延伸式的臂，该臂具有第一臂段141m-1，其经由竖直轴线的轴承147而连接至底部141b，从而允许操作臂141m围绕该竖直轴线旋转。优选地是，该竖直轴线仅仅形成操作臂的旋转轴线。操作臂具有两个可伸缩的附加的臂段141m-2和141m-3，外臂段设置有连接器148用于管件夹持器141't和/或井定心工具(例如，铁钻工设备、多螺栓扭矩工具、定心器工具或者引导件)。
管件支撑组件141的底部141b设置有一个或者多个(这里为两个)与竖直具有有齿部的支架(未示出)啮合的小齿轮(未示出)。底部设置有一个或者多个(这里为两个)驱动小齿轮的马达162，从而允许支撑组件141的受控的竖直运动。
优选地是，驱动一个或者多个小齿轮161的一个或者多个马达162是电动马达。在一个实施方案中，超级电容器包括在为所述一个或者多个竖直运动马达供电的电力回路中，其允许在组件向下运动的过程中临时储存可以由所述一个或者多个马达产生的电。之后该电能能够被再次用于向上的运动。
为了减少部件的数量，优选地是，所有操作臂都相同，从而仅需要有限的备用部件。例如，将一个单独的完整的操作臂，或者一个完整的支撑组件储存在船上。
为了减少部件的数量，优选地是，位于底部141b与操作臂141m之间的竖直轴线轴承147布置在轴承罩147a中，所述轴承罩147a可拆除地附接至支撑组件的底部141b。如这里所显示的，底部141b设置左侧附接位置“L”(如在图13中所表示的)和右侧附接位置(如显示在图13中所使用的)以用于轴承罩147a，这允许在支撑设备140和140’中使用相同的底部。优选地是，附接位置由在其中具有孔的底部上的元件和在其中具有相匹配的孔的罩147a形成，从而一个或者多个连接销156能够用于将罩固定至底部。
在图14中，以立体图显示图1的船的相关部分。特别地，具有船井5和在船井5处或者在船井5附近的井架10的浮动船体2。钻柱15由起吊设备固定，所述起吊设备包括起重定滑轮23和动滑轮24。特别地，动滑轮24适配为沿着作业线16悬挂钻柱15，这里显示有(优选地)中间顶部驱动器18，该中间顶部驱动器由动滑轮24支撑，并适配为提供钻柱的旋转驱动。
工作甲板70放置在上立管部段80上，并且该上立管部段80是工作甲板70的唯一的竖直负载支撑。
立管的位于具有钻机舱74的钻机舱甲板73上方的高度允许该舱室中的钻探人员直接观察上立管部段80中的装置和附接至上立管部段80的全部管线，且工作甲板70处于波浪升沉运动中的升高的波浪升沉运动补偿范围内。

Claims (17)

1.一种海上钻探系统，用于实施海底钻井孔相关的作业，其中所述钻探系统包括钻探船，
所述钻探船(1)包括：
-经受波浪升沉运动的浮动船体(2)，该船体包括船井(5，5a，5b)，
-钻塔(10)，其在船井处或者在船井附近，
-管柱主起吊设备，所述管柱主起吊设备包括：
о主起吊绞车(20，21)和连接至所述绞车的主缆索(22)，
о起重定滑轮(23)和动滑轮(24)，该动滑轮以所述主缆索多级下落布置的方式悬挂在所述起重定滑轮上，其中动滑轮适配为使管柱沿着作业线(16)悬挂在所述动滑轮上，
-波浪升沉补偿系统，其适配为提供动滑轮的波浪升沉补偿，该波浪升沉补偿系统包括在位于所述主起吊绞车(20，21)与动滑轮(24)之间的路径上的主缆索波浪升沉补偿滑轮(30，31)，连接至所述主缆索波浪升沉补偿滑轮(30，31)的被动和/或主动波浪升沉运动补偿设备(32，33)，
-立管张紧系统(40，41，42，43)，其适配为连接至沿着位于海底钻井孔与船之间的作业线延伸的立管，立管张紧系统包括张紧环(40)和连接至所述张紧环的张紧构件(41)，
其中所述钻探系统还包括：
-滑动接头(50)，其具有下部滑动接头外筒(51)和上部滑动接头内筒(52)，其中外筒适配为被连接至延伸至海底钻井孔的立管(19)的固定长度部段，其中滑动接头设置有锁定机构(53)，所述锁定机构(53)适配为将所述滑动接头锁定在折叠位置上，
其中立管张紧系统的张紧环(40)适配为连接至滑动接头的外筒(51)，
其特征在于，所述钻探船(1)还设置有缆索连接系统，该缆索连接系统包括：
-滑动接头内筒连接器，其适配为固定至滑动接头内筒(52)，
-连接缆索绞车(61，62)和连接缆索(63)，
-顶部滑轮组件(64)和移动底部滑轮组件(65)，所述顶部滑轮组件(64)被支撑在船的船体上的位于船井(5)中或者船井(5)上方的固定的操作位置上，所述移动底部滑轮组件固定至滑动接头内筒连接器，
其中连接缆索(63)在顶部滑轮组件(64)与底部滑轮组件(65)之间以多级下落布置的方式延伸，
-连接缆索波浪升沉补偿滑轮(66，67)，其处于连接缆索绞车(61，62)与顶部滑轮组件(64)之间的路径上，
其中，主缆索波浪升沉补偿滑轮(30，31)和连接缆索波浪升沉补偿滑轮(66，67)为机械方式地相互连接，从而允许其同步运动。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述钻探船设置有竖直移动的工作甲板(70)，其在包括下固定位置(71)的移动范围内竖直移动，其中工作甲板用作为固定钻探底甲板，且滑动接头未锁定，所述移动范围还包括比所述下固定位置更高的波浪升沉补偿移动范围(72)。
3.根据权利要求1所述的系统，还包括上立管部段(80)，其安装在滑动接头的内筒(52)上，并从该滑动接头(50)向上延伸至少到工作甲板的下固定位置(71)上方。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述工作甲板(70)适配为放置在上立管部段(80)上，所述上立管部段是所述工作甲板的唯一的竖直负载支撑。
5.根据权利要求3所述的系统，其中，所述钻探船设置有钻机舱甲板(73)和位于所述钻机舱甲板(73)上的钻机舱(74)，工作甲板的下固定位置处于所述钻机舱甲板的水平处。
6.根据权利要求2所述的系统，其中，所述顶部滑轮组件(64)在其固定的操作位置上处于所述工作甲板(70)下方的水平处。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述管柱主起吊设备包括第一主起吊绞车(20)和第二主起吊绞车(21)，其中所述主缆索(22)在其每一端处分别连接至第一主起吊绞车和第二主起吊绞车中的一个。
8.根据权利要求7所述的系统，其中波浪升沉补偿系统包括，处于第一主起吊绞车(20)与动滑轮(24)之间的路径上的第一主缆索波浪升沉补偿滑轮(30)；连接至所述第一主缆索波浪升沉补偿滑轮(30)的被动和/或主动第一波浪升沉运动补偿设备(32)，并且所述波浪升沉运动补偿设备包括，处于第二主起吊绞车(21)与动滑轮(24)之间的路径上的第二主缆索波浪升沉补偿滑轮(31)；连接至所述第二主缆索波浪升沉补偿滑轮(31)的被动和/或主动第二波浪升沉运动补偿设备(33)。
9.根据权利要求3所述的系统，其中，顶部滑轮组件和底部滑轮组件(64，65)的每一者都具有左侧组件(64a，65a)和右侧组件(64b，65b)，所述左侧组件(64a，65a)具有一个或者多个滑轮，所述右侧组件(64b，65b)具有一个或者多个滑轮，所述左侧组件与所述右侧组件布置在作业线的相对两侧上并被隔开，以允许上立管部段(80)在作业线中且在所述组件之间通过。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，多组所述底部滑轮组件(65a，65b)安装于承载架或者梁，所述承载架或梁还承载或者形成内筒连接器。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述塔是具有顶部和底部的井架，所述底部临近所述船井(5a)，其中一个或者多个滑轮运动补偿设备的一个或者多个液压缸布置在所述井架之内。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，连接缆索(63)在升高的位置处沿着井架的表面沿着井架向下从升高的滑轮(68)延伸至在井架底部的底部滑轮(69a，69b)，并且所述连接缆索(63)从所述底部滑轮延伸直至顶部滑轮组件(64)。
13.用于海底钻井孔钻探的方法，其中，使用根据权利要求1-12任一项所述的系统。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述方法包括：
在海底井口装置与钻探船之间布置立管绳索(19，50)，所述立管绳索包括滑动接头(50)，
其中，在一个模式下，所述滑动接头是未锁定的，
并且在另一个模式下，所述滑动接头是折叠的且锁定的，从而连接缆索系统运行。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述钻探船具有竖直移动的工作甲板，其放置在所述立管上，并且当所述滑动接头锁定时，所述工作甲板在升沉运动补偿范围内进行相对于所述钻探船的升沉运动。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述立管绳索设置有旋转控制设备(RCD)。
17.根据权利要求13所述的方法，其中，钻探船包括管件支架系统，其设置有波浪升沉运动同步系统，所述波浪升沉运动同步系统适配为使来自钻管储存架的钻管实现与立管的上端的波浪升沉运动同步的竖直运动，从而允许钻管与从防滑装置(77)悬挂的钻管绳索相互连接。
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