CN110359843B - 一种适合于深水天然气水合物开采的吸力锚式表层建井装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适合于深水天然气水合物开采的吸力锚式表层建井装置。所述吸力锚式表层建井装置包括吸力锚式导管顶盖、吸力锚外筒、内导管、防土塞功能型肋板、支撑肋板、可回收式锥形导管塞；吸力锚式导管顶盖、吸力锚外筒、内导管组合形成吸力锚式导管基本形式；可回收式锥形导管塞由锥形导管塞、伸缩式固定装置组成。本发明将吸力锚安装技术与导管结合可实现吸力锚式表层建井技术，替代常规表层建井喷射下入导管技术，极大提升井口系统承载能力，适用于深水天然气水合物开采，同时避免吸力锚安装时常遇到的土塞现象，且实现安装后导管内干净无泥。
Description
技术领域
本发明涉及一种适合于深水天然气水合物开采的吸力锚式表层建井装置及其安装方法，属于深水天然气水合物开采技术领域及作业技术领域。
背景技术
目前国内深水表层建井主要为喷射下导管建井。该技术作业方式单一，对地质要求高，承载力小，作业安全系数低，需表层套管提供额外的支撑力；浅层地质灾害应对能力差，作业控制要求高。而天然气水合物试采井口的纵向稳定性具有较大的风险，容易出现下沉的风险。其原因在于水合物富集层埋深较浅，通常100-140m。而常规深水油气井的富集层埋深可达到500-600m。由于天然气水合物储层埋深较浅，上覆地层沉积过程复杂，严重影响到井身结构的下深设计，导管及套管下入深度不足可能难以承担水下井口与防喷器的重量，进而导致井口下沉的风险，这对水合物试采作业井口稳定性和导管承载能力提出了更高的要求，因此本发明提供新型表层建井装置及其表层建井方式，对我国深水天然气水合物开采发展进程具有重要意义。
吸力锚作为海上浮动式平台的基础之一，一般为上端封闭、下端开口的圆筒形结构，顶板留有排水孔连接抽水设备，并通过锚链与浮动式平台连接，形成锚泊系统。吸力锚沉贯过程中，首先利用自重沉入海床一定深度，形成筒内封闭环境，随后利用抽水设备抽出筒内海水，在筒内外压差作用下继续下沉，直至贯入设定深度为止。具有造价低、设计简单、安装工艺先进、适用范围广、可重复使用等优势。然而在吸力锚安装过程中，筒内土体在内外压差和渗流力作用下上升，使筒内土体高度升高，形成“土塞”，并在沉锚后期提前与锚顶板接触，阻碍吸力锚的继续下沉，造成沉锚达不到设计深度。缩短吸力锚的使用寿命，无法使吸力锚安全使用，土塞现象是近年来困扰吸力锚技术的难题之一。
发明内容
本发明提供一种适合于深水天然气水合物开采的吸力锚式表层建井装置，将吸力锚技术与导管结合形成吸力锚式表层建井装置，极大提升导管承载能力，可替代常规表层建井喷射下入导管技术，实现吸力锚式表层建井技术，并避免吸力锚安装时常遇到的土塞现象，且实现导管内干净无泥，便于后续钻井操作，可解决目前天然气水合物开采时常规导管型式无法满足井口稳定性要求的难题。
本发明提供一种适合于深水天然气水合物开采的吸力锚式表层建井装置，包括吸力锚式导管顶盖、吸力锚外筒、内导管、防土塞功能型肋板、支撑肋板、可回收式锥形导管塞，吸力锚式导管顶盖上设有通流阀门、吸力泵接口、压力表、牛眼、方形孔，内导管位于吸力锚外筒内部，与吸力锚式导管顶盖链接端半径大于下部，呈倒“凸字”型，内导管底部设有环形卡槽装置，防土塞功能型肋板安装于吸力锚外筒于内导管之间顶部，支撑肋板安装于吸力锚外筒于内导管之间中部，可回收式锥形导管塞由锥形导管塞、伸缩式锁定装置组成。
防土塞功能型肋板安装于吸力锚外筒“U”型槽内，且内导管设有挡环,所述防土塞功能型肋板包括四根支肋板，支肋板中设有蜈蚣型注水管、排水管及一个吊耳，蜈蚣型注水管主管一端伸出吸力锚式导管顶盖外部，下端链接六组支管伸出支肋板“V”型底部两侧，排水管一端伸出吸力锚式导管顶盖外部，一端伸出支肋板上侧中部，吊耳伸出吸力锚式导管顶盖外部，蜈蚣型注水管连接高压泵，排水管连接吸力泵，吸力泵与高压泵设置等流量。
可回收式锥形导管塞由锥形导管塞、伸缩式锁定装置。锥形导管塞下端为圆柱形，上部为圆柱形且有圆凹槽，顶面设有螺栓孔、导管塞吊耳，内部空心，具有一定厚度，伸缩式锁定装置由翼板、弹簧、拉压式开关、连杆组成，翼板呈十字型布置于锥形导管塞顶部，每对相对的两个翼板链接两根弹簧，弹簧位于圆凹槽空间内，拉压式开关与四根翼板通过连杆与各自挠性接头连接，通过固定部件与螺丝将翼板固定于锥形导管塞顶部，翼板与固定部件存在一定活动间隙，安装状态时，连杆处于水平状态，拉压式开关顶面与翼板顶面处于同一水平面，拉压式开关设有吊耳与吊绳相连。
可回收式锥形导管塞回收状态时，四根连杆呈梯形状，且连杆位于死点无法继续抬升，拉压式开关处于翼板上方，翼板位于锥形导管塞顶面内。
本发明具有以下优点：
1、本发明与目前国内采用最多的喷射法下入导管相比可较好的解决当前喷射建井面临的问题，浅层地质适应性强，作业安全性高，高承载力大，无需额外的承载力，井身结构优化空间大，与井口及采油树匹配性高，作业可重复作业风险控制难度低，且可采用工程船作业，减少钻机时间，经济性高。
2、本发明可实现吸力锚式导管安装过程中土塞的自动消除，设计可回收式锥形导管塞装置简便实用，可实现导管内干净无泥，便于后续钻井过程。
附图说明
图1是本发明一种适合于深水天然气水合物开采的吸力锚式表层建井装置的结构示意图。
图2是本发明一种适合于深水天然气水合物开采的吸力锚式表层建井装置的防土塞功能型肋板结构示意图。
图3是本发明一种适合于深水天然气水合物开采的吸力锚式表层建井装置的可回收式锥形导管塞支撑状态下结构示意图。
图4是本发明一种适合于深水天然气水合物开采的吸力锚式表层建井装置的可回收式锥形导管塞回收状态下结构示意图。
图5是本发明一种适合于深水天然气水合物开采的吸力锚式表层建井装置的吸力锚式导管顶盖结构示意图。
图中，1、排水管；2、蜈蚣型注水管；3、吸力锚式导管顶盖；4、防土塞功能型肋板；5、吸力锚外筒；6、支撑肋板；7、内导管；8、导管塞吊绳；9、环形卡槽装置；10、可回收式锥形导管塞；11、吊绳；12、通流阀门；13、吸力泵接口；14、压力表；15、吊耳；16、挡环；17、支肋板；18、拉压式开关；19、连杆；20、弹簧；21固定部件；22翼板；23、锥形导管塞；24、导管塞吊耳；25、牛眼；26、方形孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
如图1所示，一种适合于深水天然气水合物开采的吸力锚式表层建井装置，包括吸力锚式导管顶盖3、吸力锚外筒5、内导管7、防土塞功能型肋板4、支撑肋板6、可回收式锥形导管塞10。吸力锚式导管顶盖3上设有通流阀门12、吸力泵接口13、压力表14、牛眼25、方形孔26，内导管7位于吸力锚外筒5内部，与吸力锚式导管顶盖3连接端半径大于下端，呈倒“凸字”型，内导管7底部设有环形卡槽装置9，防土塞功能型肋板4位于吸力锚式导管顶部，安装于吸力锚外筒5上部“U”型槽与内导管7上部挡环16上，支撑肋板6安装于吸力锚外筒5与内导管7中部，可回收式锥形导管塞10通过翼板22固定于内导管7上的环形卡槽装置9中。
如图2所述，防土塞功能型肋板4安装于吸力锚外筒5“U”型槽内，且内导管7设有挡环16,所述防土塞功能型肋板4包括四根支肋板17，支肋板17中设有蜈蚣型注水管2、排水管1及一个吊耳15，蜈蚣型注水管2主管一端伸出吸力锚式导管顶盖3外部，下端链接六组支管伸出支肋板17“V”型底部两侧，排水管1一端伸出吸力锚式导管顶盖3外部，一端伸出支肋板17上侧中部，吊耳15伸出吸力锚式导管顶盖3外部。蜈蚣型注水管2连接高压泵对土塞进行大面积冲刷，形成泥-水混合液，排水管1连接吸力泵排出混合液，吸力泵与高压泵设置等流量，从而实现土与水的置换，避免土塞现象。
如图3～4所述，可回收式锥形导管塞10由锥形导管塞23、伸缩式锁定装置(包括拉压式开关18、连杆19、弹簧20、固定部件21、翼板22)组成。锥形导管塞23下端为圆柱形，上部为圆柱形且有圆凹槽，顶面设有螺栓孔、导管塞吊耳24，内部空心，壳体具有一定厚度。伸缩式锁定装置由翼板22、弹簧20、拉压式开关18、连杆19组成，翼板22呈十字型布置于锥形导管塞23顶部，每对相对的两个翼板22链接两根弹簧20，弹簧20位于圆凹槽空间内，拉压式开关18与四根翼板22通过连杆19与各自挠性接头连接，通过固定部件21与螺丝将翼板22固定于锥形导管塞23顶部，翼板22与固定部件21存在一定活动间隙，可在固定部件21中滑动。拉压式开关18按下时连杆处于水平状态，拉压式开关18顶面与翼板22顶面处于同一水平面，拉压式开关18设有吊耳与吊绳相连，通过导管塞吊绳8将开关拉起，此时四根连杆19抬起呈梯形状，且连杆19位于死点无法继续抬升，拉压式开关18处于翼板22上方，翼板22收缩，锥形导管塞上23的其他四根导管塞吊绳8将可回收式锥形导管塞10吊起可实现回收。
一种适合于深水天然气水合物开采的吸力锚式表层建井装置其尺寸参数可根据所需承载力及所受压力来设计。
安装本发明一种适合于深水天然气水合物开采的吸力锚式表层建井装置时，可按照下述步骤进行：
工程船通过吊车将吸力锚式表层建井装置吊到海面，通流阀门12呈开启状态，吸力锚式表层建井装置入水后调整首向缓慢下入到指定位置，吸力锚式表层建井装置到达海底泥面后调整装置首向垂直，先通过自重贯入一定深度，停止自重贯入后，通过水下机器人关闭通流阀门12并将吸力泵连接到吸力泵接口13开始负压贯入，产生土赛现象时，关闭吸力泵接口13停止负压贯入，同时防土塞功能型肋板4的排水管1连接吸力泵排水，蜈蚣型注水管2连接高压泵对土塞进行大面积冲刷，形成泥-水混合液，接着排水管1排出混合液，吸力泵与高压泵设置等流量，从而实现土与水的置换，消除土塞现象，土塞消除后，断开排水管1与吸力泵连接并关闭排水管1，断开蜈蚣型注水管2与高压泵连接并关闭蜈蚣型注水管2，打开吸力泵接口13继续负压贯入到设计深度，安装到位后通过导管塞吊绳8拉开拉压式开关18将翼板22收回，通过导管塞8吊绳将可回收式锥形导管塞10回收，水下机器人检查安装完成度，回收水下机器人，到此吸力锚式导管装置安装完毕，后续可继续进行钻井操作。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (3)
1.一种适合于深水天然气水合物开采的吸力锚式表层建井装置，其特征在于：包括吸力锚式导管顶盖、吸力锚外筒、内导管、防土塞功能型肋板、支撑肋板、可回收式锥形导管塞；
所述吸力锚式导管顶盖上设有通流阀门、吸力泵接口、压力表、牛眼、方形孔；
所述内导管位于吸力锚外筒内部，内导管上部与吸力锚式导管顶盖连接，上部半径大于下部，呈倒“凸字”型，内导管底部设有环形卡槽装置；
所述防土塞功能型肋板安装于吸力锚外筒与内导管之间顶部；
所述支撑肋板安装于吸力锚外筒与内导管之间中部；
所述可回收式锥形导管塞由锥形导管塞、伸缩式锁定装置组成；
所述吸力锚外筒长度大于内导管长度；
所述可回收式锥形导管塞安装于环形卡槽装置时，可回收式锥形导管塞仍未超出吸力锚外筒底部平面；
所述防土塞功能型肋板包括四根支肋板，支肋板中设有蜈蚣型注水管、排水管及一个吊耳，蜈蚣型注水管主管一端伸出吸力锚式导管顶盖外部，下端链接六组支管伸出支肋板“V”型底部两侧；排水管一端伸出吸力锚式导管顶盖外部，一端伸出支肋板上侧中部；吊耳伸出吸力锚式导管顶盖外部；防土塞功能型肋板安装于吸力锚外筒“U”型槽内，且内导管设有卡环，用于固定防土塞功能型肋板；排水管连接吸力泵，蜈蚣型注水管连接高压泵，吸力泵与高压泵设置相同流量；
锥形导管塞下端为圆柱形，上部为圆柱形且有圆凹槽，顶面设有螺栓孔、导管塞吊耳，内部空心，壳体具有一定厚度；伸缩式锁定装置由翼板、弹簧、拉压式开关、连杆组成，翼板呈十字型布置于导管塞顶部，每对相对的两个翼板链接两根弹簧，弹簧位于圆凹槽空间内，拉压式开关与四根翼板通过连杆与各自挠性接头连接，安装状态时，连杆处于水平状态，拉压式开关顶面与翼板顶面处于同一水平面；伸缩式锁定装置通过固定部件与螺丝固定于锥形导管塞顶部。
2.如权利要求1所述的一种适合于深水天然气水合物开采的吸力锚式表层建井装置，其特征在于：可回收式锥形导管塞回收状态时，四根连杆呈阶梯形状，且连杆位于死点无法继续抬升，拉压式开关处于翼板上方，翼板位于锥形导管塞顶面内。
3.如权利要求1所述的一种适合于深水天然气水合物开采的吸力锚式表层建井装置，其特征在于：吸力锚式表层建井装置在安装过程中其可回收式锥形导管塞固定于内导管中，可回收式锥形导管塞翼板固定于内导管环形凹槽内。
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