CN109944548A - 海底钻机钻井系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种海底钻机钻井系统及方法，涉及钻井设备技术领域，系统包括驳船、脐带缆、海底装置和钻井装置；驳船上装载有气电液控制装置和泥浆处理装置，气电液控制装置和泥浆处理装置分别通过脐带缆与海底装置连接；海底装置包括海底行走装置、连续管滚筒、井架、集中阀座、钻头更换装置、井口装置和套管架，集中阀座与脐带缆连接，用于将脐带缆传输来的包括泥浆、水泥和电信号进行分路；井架安装于井口装置上方，分别与钻头更换装置和套管架配合，用于进行钻头更换作业和输送、收回套管作业；钻井装置与连续管连接，用于进行钻进作业。本发明具有成本低、钻采效率高、安全性高的优点。

Description

海底钻机钻井系统及方法
技术领域
本发明涉及钻井设备技术领域，具体涉及一种海底钻机钻井系统及方法。
背景技术
海洋是人类的巨大宝库，蕴藏着大量的资源，海洋石油及其他能源如可燃冰的勘探开发已经成为我国能源发展的重大战略需求。海底矿产资源亦极为丰富，富钴结壳主要分布在1000-3000m深度的海山或海台的项部和斜坡上；热液多金属的硫化物主要分布在水深2600m的活动洋脊顶部。富钴结壳和热液多金属的硫化物等海底矿产资源的资源调查中，需要海底钻机钻井系统进行采集取样。
常规的海洋钻井中，钻机系统布置在钻井平台或钻井船上，并且与陆地钻机系统一样，都是由旋转系统、起升系统、循环系统、控制系统、钻机底座及辅助设备等组成，随着钻井水深的增加，目前的深水海洋平台钻机在钻井成本、钻井效率、技术难度和安全性等方面都存在一些问题，制约了我国深海能源高效开发进程。
因此亟需开发一种适合深海能源开发的钻井系统，以促进我国海洋工程装备的发展以及实现我国油气资源可持续发展的战略目标。
发明内容
因此，本发明实施例要解决的技术问题在于现有技术中的深水海洋平台钻机钻井成本高、钻井效率低、安全性较差。
为此，本发明实施例的一种海底钻机钻井系统，包括：驳船、脐带缆、海底装置和钻井装置；
所述驳船上装载有气电液控制装置和泥浆处理装置，气电液控制装置和泥浆处理装置分别通过脐带缆与海底装置连接，驳船用于作为泥浆、水泥循环基站及控制中心；
所述海底装置包括海底行走装置、连续管滚筒、井架、集中阀座、钻头更换装置、井口装置和套管架，连续管滚筒、井架、集中阀座、钻头更换装置、井口装置和套管架都装载在海底行走装置上；集中阀座与脐带缆连接，用于将脐带缆传输来的包括泥浆、水泥和电信号进行分路；连续管滚筒用于存储和释放连续管；井架安装于井口装置上方，分别与钻头更换装置和套管架配合，用于进行钻头更换作业和输送、收回套管作业；
所述钻井装置与连续管连接，用于进行钻进作业。
优选地，所述海底行走装置设有至少两组履带轮。
优选地，所述海底行走装置包括可充排水浮箱和动力定位装置；
可充排水浮箱用于通过充排水实现浮起和坐底；
动力定位装置用于为海底行走装置提供动力以驱动其行走，以及对海底行走装置进行定位。
优选地，所述井架包括钻进用井架和下套管井架，钻进用井架设有注入头，用于接收从连续管滚筒出来的连续管并传输至井口装置，下套管井架设有套管装卸装置，用于从套管架上抓取套管进行下套管作业。
优选地，所述套管装卸装置采用电驱动。
优选地，所述钻井装置包括井下钻井永磁电机和钻头，井下钻井永磁电机一端与连续管连接，用于驱动钻头进行钻进作业。
优选地，所述井下钻井永磁电机输出端直接与钻头连接。
优选地，所述海底行走装置和连续管滚筒采用液压马达驱动或电驱动。
优选地，所述集中阀座和钻头更换装置均置于密闭防水箱中。
本发明实施例的一种海底钻机钻井方法，包括以下步骤：
驳船装载包括脐带缆、海底装置和钻井装置并运输至指定海域；
驳船将海底装置和钻井装置下放至海底，气电液控制装置控制海底行走装置移动至指定位置；
启动泥浆处理装置进行钻进和下套管作业时的泥浆循环处理工作；
气电液控制装置控制套管装卸装置从套管架抓取套管，完成下表层套管工作；之后控制钻头更换装置完成钻头更换工作；之后控制井下钻井永磁电机驱动钻头完成钻进作业；
气电液控制装置控制经脐带缆传输水泥完成固井工作。
本发明实施例的技术方案，具有如下优点：
1.本发明实施例提供的海底钻机钻井系统，通过设置海底装置，将成套钻井设备移到海底直接进行钻井作业，受风浪流影响较小，通过驳船上的气电液控制装置进行控制操作，并采用连续管钻井方式，节省了拆卸钻杆及下放、回收水下器具等作业时间，降低了钻井成本，提高了钻采效率，并且极大的降低了工作人员的劳动强度，以及提高了钻井工作人员的安全性。
2.本发明实施例提供的海底钻机钻井方法，通过海底装置集中阀座分路步骤，实现传输泥浆、水泥、电信号等的集中统一分路分配，简化了路线，降低了成本，并且安全检修方便，提高了系统安全性。通过设置海底直接钻井作业步骤，受风浪流影响较小，并采用连续管钻井方式，节省了拆卸钻杆及下放、回收水下器具等作业时间，降低了钻井成本，提高了钻采效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1中海底钻机钻井系统的一个具体示例的结构示意图；
图2为本发明实施例1中密闭防水箱的一个具体示例的结构示意图；
图3为本发明实施例2中海底钻机钻井方法的一个具体示例的流程图。
附图标记：1-驳船，11-气电液控制装置，12-泥浆处理装置，2-脐带缆，3-海底装置，31-海底行走装置，311-履带轮，32-连续管滚筒，33-井架，331-钻进用井架，3311-注入头，332-下套管井架，3321-套管装卸装置，34-集中阀座，35-钻头更换装置，36-井口装置，37-套管架，4-钻井装置，41-井下钻井永磁电机，42-钻头，5-密闭防水箱，51-第一容器壁，52-第二容器壁，53-第三容器壁，54-第一通道，55-防水膜，56-第二通道，57-密闭门，58-湿度传感器，59-第三通道。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，本文所用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并非旨在限制本发明。除非上下文明确指出，否则如本文中所使用的单数形式“一”、“一个”和“该”等意图也包括复数形式。使用“包括”和/或“包含”等术语时，是意图说明存在该特征、整数、步骤、操作、元素和/或组件，而不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元素、组件、和/或其他组合的存在或增加。术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通；可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本实施例提供一种海底钻机钻井系统，如图1所示，包括：驳船1、脐带缆2、海底装置3和钻井装置4。
驳船1上装载有包括气电液控制装置11和泥浆处理装置12，还装载有例如司钻房，气电液控制装置11和泥浆处理装置12分别通过脐带缆2与海底装置3连接，驳船1用于作为泥浆、水泥循环基站及控制中心。
海底装置3包括海底行走装置31、连续管滚筒32、井架33、集中阀座34、钻头更换装置35、井口装置36和套管架37，连续管滚筒32、井架33、集中阀座34、钻头更换装置35、井口装置36和套管架37都装载在海底行走装置31上；集中阀座34与脐带缆2连接，用于将脐带缆2传输来的包括泥浆、水泥和电信号进行分路；连续管滚筒32用于存储和释放连续管；井架33安装于井口装置36上方，分别与钻头更换装置35和套管架37配合，用于进行钻头更换作业和输送、收回套管作业；
钻井装置4与连续管连接，用于进行钻进作业。
海底行走装置31的一种优选方案为：设有至少两组履带轮311。如图1所示，海底行走装置31上设有三组履带轮311。另一种优选方案为：包括可充排水浮箱和动力定位装置。可充排水浮箱用于通过充排水实现浮起和坐底。动力定位装置用于为海底行走装置提供动力以驱动其行走，以及对海底行走装置进行定位。
优选地，井架33包括钻进用井架331和下套管井架332，钻进用井架331设有注入头3311，用于接收从连续管滚筒32出来的连续管并传输至井口装置36，下套管井架332设有套管装卸装置3321，用于从套管架37上抓取套管进行下套管作业。
优选地，套管装卸装置3321采用电驱动。
优选地，钻井装置4包括井下钻井永磁电机41和钻头42，井下钻井永磁电机41一端与连续管连接，用于驱动钻头42进行钻进作业。
优选地，井下钻井永磁电机41输出端直接与钻头42连接。
优选地，海底行走装置31和连续管滚筒32采用液压马达驱动或电驱动。
优选地，集中阀座34和钻头更换装置35均置于密闭防水箱中。注入头3311也置于密闭防水箱中。
优选地，如图2所示，密闭防水箱5包括：由外至内的第一容器壁51、第二容器壁52和第三容器壁53、第一通道54、防水膜55、第二通道56、密闭门57、湿度传感器58以及第三通道59。第三容器壁53、第二容器壁52和第一容器壁51所围空间均为密闭空间，其耐压性能逐渐增强，第三容器壁53位于第二容器壁52所围空间内，第二容器壁52位于第一容器壁51所围空间内。第一通道54设于第二容器壁52上，用于连通第一容器壁51和第二容器壁52所夹空间和第二容器壁52和第三容器壁53所夹空间，第一容器壁51和第二容器壁52所夹空间内预先存有一定量的液体，第二容器壁52和第三容器壁53所夹空间内预先充入具有一定压力的气体。防水膜55密封连接在第一通道54的上端口处。第二通道56连通第三容器壁53所围空间和外界，与集中阀座34、钻头更换装置35或注入头连接的缆线以及密闭防水箱内器件(与外界的流通)均在第二通道56内穿过密闭门57输出。湿度传感器58安装在第二容器壁52内侧底部，用于检测第二容器壁52所围空间内是否存在液体，湿度传感器58的信号线通过与第二通道密封连接的第三通道59与气电液控制装置11连接。密闭防水箱具有超压破损报警功能，当其下降到第一容器壁51所不能承受的压力的超深海底时，第一容器壁51和防水膜55同时破裂，具有一定压力的气体冲出，液体流入第二容器壁52所围空间内，湿度传感器58检测当前湿度并传输给气电液控制装置11，气电液控制装置11判断到湿度变化而产生报警信号，以禁止控制海底行走装置继续下行或控制其返航，避免进一步下行后海底压力将第三容器壁53压损而破坏里面的器件，提高了安全性。
进行海底钻井作业时，首先由驳船1将海底钻机钻井系统的成套钻井设备运输至指定海域，然后将海底装置3下放至海底，位于驳船1舱内的泥浆处理装置12完成钻井和下套管作业时的泥浆循环处理工作，泥浆循环处理工作在整个钻进或下套管作业过程中都有执行，驳船1和海底装置3通过脐带缆2连接，传输泥浆、水泥、电信号等至海底钻机集中阀座34，再进行分路，此时驳船可看做海底钻机钻井系统的泥浆、水泥循环基站及控制中心。海底装置3下放至海床以后，通过气电液控制装置11控制海底行走装置31移动至指定地点，然后由气电液控制装置11控制套管装卸装置3321从套管架37抓取套管，进行下表层套管工作，接着由气电液控制装置11控制钻头更换装置35进行钻头更换后由井下钻井永磁电机41直接驱动钻头42进行钻进作业。由驳船泥浆处理装置12经脐带缆2传输水泥进行固井工作。
上述海底钻机钻井系统，通过设置海底装置，将成套钻井设备移到海底直接进行钻井作业，受风浪流影响较小，通过驳船上的气电液控制装置进行控制操作，并采用连续管钻井方式，节省了拆卸钻杆及下放、回收水下器具等作业时间，降低了钻井成本，提高了钻采效率，并且极大的降低了工作人员的劳动强度，以及提高了钻井工作人员的安全性。
实施例2
本实施例提供一种海底钻机钻井方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、驳船1装载包括脐带缆2、海底装置3和钻井装置4并运输至指定海域；
S2、驳船1将海底装置3和钻井装置4下放至海底，气电液控制装置11控制海底行走装置31移动至指定位置，气电液控制装置11控制海底行走装置31移动等动作所产生的控制信号的传输路径为：控制信号经脐带缆2传输至海底装置集中阀座34，经集中阀座34分路后，发送至海底行走装置31。下面步骤中由气电液控制装置11发出的控制信号的传输路径均基本相同，都是经集中阀座34分路后发送，不同的是发送给不同的被控对象。
优选地，海底行走装置31行走过程中，气电液控制装置11实时进行密闭防水箱的密闭性检测，具体步骤包括：
气电液控制装置11实时获取湿度传感器58所检测到的湿度值，根据湿度值判断密闭防水箱是否破损泄露(如当湿度值大于或等于预设值时，则获得密闭防水箱破损泄露的判断结果，反之则密闭防水箱没有破损泄露)；当密闭防水箱破损泄露时，控制海底行走装置31停止或返航，从而提高了安全性。
S3、启动泥浆处理装置12进行钻进和下套管作业时的泥浆循环处理工作，泥浆循环处理工作在整个钻进或下套管作业过程中都有执行；
S4、气电液控制装置11控制套管装卸装置3321从套管架37抓取套管，完成下表层套管工作；之后控制钻头更换装置35完成钻头更换工作；之后控制井下钻井永磁电机41驱动钻头42完成钻进作业；
S5、气电液控制装置11控制经脐带缆2传输水泥完成固井工作。
上述海底钻机钻井方法，通过海底装置集中阀座分路步骤，实现传输泥浆、水泥、电信号等的集中统一分路分配，简化了路线，降低了成本，并且安全检修方便，提高了系统安全性。通过设置海底直接钻井作业步骤，受风浪流影响较小，并采用连续管钻井方式，节省了拆卸钻杆及下放、回收水下器具等作业时间，降低了钻井成本，提高了钻采效率。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种海底钻机钻井系统，其特征在于，包括：驳船(1)、脐带缆(2)、海底装置(3)和钻井装置(4)；
所述驳船(1)上装载有气电液控制装置(11)和泥浆处理装置(12)，气电液控制装置(11)和泥浆处理装置(12)分别通过脐带缆(2)与海底装置(3)连接，驳船(1)用于作为泥浆、水泥循环基站及控制中心；
所述海底装置(3)包括海底行走装置(31)、连续管滚筒(32)、井架(33)、集中阀座(34)、钻头更换装置(35)、井口装置(36)和套管架(37)，连续管滚筒(32)、井架(33)、集中阀座(34)、钻头更换装置(35)、井口装置(36)和套管架(37)都装载在海底行走装置(31)上；集中阀座(34)与脐带缆(2)连接，用于将脐带缆(2)传输来的包括泥浆、水泥和电信号进行分路；连续管滚筒(32)用于存储和释放连续管；井架(33)安装于井口装置(36)上方，分别与钻头更换装置(35)和套管架(37)配合，用于进行钻头更换作业和输送、收回套管作业；
所述钻井装置(4)与连续管连接，用于进行钻进作业。
2.根据权利要求1所述的海底钻机钻井系统，其特征在于，所述海底行走装置(31)设有至少两组履带轮(311)。
3.根据权利要求1所述的海底钻机钻井系统，其特征在于，所述海底行走装置(31)包括可充排水浮箱和动力定位装置；
可充排水浮箱用于通过充排水实现浮起和坐底；
动力定位装置用于为海底行走装置(31)提供动力以驱动其行走，以及对海底行走装置(31)进行定位。
4.根据权利要求1-3任一项所述的海底钻机钻井系统，其特征在于，所述井架(33)包括钻进用井架(331)和下套管井架(332)，钻进用井架(331)设有注入头(3311)，用于接收从连续管滚筒(32)出来的连续管并传输至井口装置(36)，下套管井架(332)设有套管装卸装置(3321)，用于从套管架(37)上抓取套管进行下套管作业。
5.根据权利要求1-4任一项所述的海底钻机钻井系统，其特征在于，所述套管装卸装置(3321)采用电驱动。
6.根据权利要求1-5任一项所述的海底钻机钻井系统，其特征在于，所述钻井装置(4)包括井下钻井永磁电机(41)和钻头(42)，井下钻井永磁电机(41)一端与连续管连接，用于驱动钻头(42)进行钻进作业。
7.根据权利要求6所述的海底钻机钻井系统，其特征在于，所述井下钻井永磁电机(41)输出端直接与钻头(42)连接。
8.根据权利要求1-7任一项所述的海底钻机钻井系统，其特征在于，所述海底行走装置(31)和连续管滚筒(32)采用液压马达驱动或电驱动。
9.根据权利要求1-8任一项所述的海底钻机钻井系统，其特征在于，所述集中阀座(34)和钻头更换装置(35)均置于密闭防水箱中。
10.一种海底钻机钻井方法，其特征在于，包括以下步骤：
驳船(1)装载包括脐带缆(2)、海底装置(3)和钻井装置(4)并运输至指定海域；
驳船(1)将海底装置(3)和钻井装置(4)下放至海底，气电液控制装置(11)控制海底行走装置(31)移动至指定位置；
启动泥浆处理装置(12)进行钻进和下套管作业时的泥浆循环处理工作；
气电液控制装置(11)控制套管装卸装置(3321)从套管架(37)抓取套管，完成下表层套管工作；之后控制钻头更换装置(35)完成钻头更换工作；之后控制井下钻井永磁电机(41)驱动钻头(42)完成钻进作业；
气电液控制装置(11)控制泥浆处理装置(12)经脐带缆(2)传输水泥完成固井工作。
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