CN110924882A - 一种海底井口装置 - Google Patents

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陈国明
岳吉祥
周扬理
马立安
王铭
尹晓丽
刘锡胜
余敏
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China University of Petroleum East China
Shengli College China University of Petroleum
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Abstract

本发明公开了一种海底井口装置，外套筒通过水泥与周围地层固结，用于固定井口装置并支撑整个压井装置的重量，内套筒一部分位于外套筒内部、另一部分位于外套筒下方，外套筒与内套筒之间设有浮动活塞，内套筒内设有封隔装置，压井液置于浮动活塞上方外套筒内，内套筒内为压井泥浆流动空间，钻杆置于内套筒内，内套筒的口部设有吸入模块，吸入模块连接海底泵；浮动活塞能够沿内套筒上下滑动。本发明的有益效果是防止无隔水管泥浆举升钻井工况恶化，适合于实现井涌/井喷初期工况的压井作业，防止恶劣事故发生。

Description

一种海底井口装置
技术领域
本发明属于海洋钻井装备压井作业机械技术领域，涉及一种用于无隔水管泥浆举升钻井可实现压井功能的海底井口装置。
背景技术
无隔水管泥浆举升钻井技术是双梯度钻井技术的实现方案之一，能有效解决深水表层钻井难题。该技术不使用隔水管，钻杆与海水直接接触，依靠海底泵控制实现吸入模块内腔容纳的井眼返回泥浆与海水的封隔，并将井眼返回含岩屑泥浆通过泥浆返回管线举升到平台进行处理并再利用。无隔水管泥浆举升钻井技术对安全作业提出的要求：1)能够控制钻井压力出于地层孔隙压力和破裂压力之间的狭小窗口之间；2)能够快速处理井涌/井喷的异常工况。原有无隔水管泥浆举升钻井系统设备及所用井口结构本身结构特点，无法在发生异常工况(尤其是井涌/井喷)时实现压井，只能通过调整平台泵和海底泵的转速来控制井底压力，存在较大钻井风险。
发明内容
本发明的目的在于提供一种海底井口装置，本发明的有益效果是防止无隔水管泥浆举升钻井工况恶化，适合于实现井涌/井喷初期工况的压井作业，防止恶劣事故发生。
本发明所采用的技术方案是包括外套筒、内套筒、浮动活塞、封隔装置；其中外套筒通过水泥与周围地层固结，用于固定井口装置并支撑整个压井装置的重量，内套筒一部分位于外套筒内部、另一部分位于外套筒下方，外套筒与内套筒之间设有浮动活塞，内套筒内设有封隔装置，压井液置于浮动活塞上方外套筒内，内套筒内为压井泥浆流动空间，钻杆置于内套筒内，内套筒的口部设有吸入模块，吸入模块连接海底泵；浮动活塞能够沿内套筒上下滑动。
附图说明
图1为本发明装置应用于海底泥浆举升钻井系统(SMD)的井口结构示意图；
图2为本发明装置在工作状态浮动活塞下移同时封隔器封闭的结构示意图；
图3为本发明装置实现压井功能时活塞内外环分离的结构示意图；
图4为本发明装置用于深水全井深SMD方案的结构示意图。
图中，1.外套筒，2.内套筒，3.浮动活塞，4.封隔装置，5.钻杆，6.海底泵，7.吸入模块，8.压井泥浆入口。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明如图1所示，包括外套筒1、内套筒2、浮动活塞3、封隔装置4；其中外套筒通过水泥与周围地层固结，用于固定井口装置并支撑整个压井装置的重量，内套筒2一部分位于外套筒1内部、另一部分位于外套筒1下方，其作用相当于套管，外套筒1与内套筒2之间设有浮动活塞3，内套筒2内设有封隔装置4，压井液置于浮动活塞3上方外套筒1内，内套筒2内为压井泥浆流动空间，钻杆5置于内套筒2内，内套筒2的口部设有吸入模块7，吸入模块7连接海底泵6；浮动活塞3能够沿内套筒2上下滑动，正常工况下浮动活塞3起到封隔压井泥浆与井筒流体的作用，井涌发生需进行压井作业时，浮动活塞3的内外环连接销可在压井泥浆压力下被内套筒2底部的封隔装置4剪断实现内外环的分离，外环在自身重力及压井泥浆压力作用下沉降于内套筒2下部，从而导致压井泥浆与井筒之间的流动路径打通，可进行压井作业。封隔装置4用于浮动活塞3沿内套筒2上下滑移底部限位和为浮动活塞3内环提供支撑力，该支撑力与作用于浮动活塞3上部的压井泥浆压力构成的压力差提供浮动活塞3内外环连接销断裂所需的剪切力。
该压井装置可以采用平台装配后整体下入海底井口，或者先将外套筒1下入，将浮动活塞3、封隔装置4与内套筒2组合之后采用钻杆5及连接器一同下入，在海底实现内外套筒的连接固定，依靠注入压井泥浆的压力实现浮动活塞3内外环的分离；借助于浮动活塞3的上下浮动实现井底压力的辅助控制；借助于封隔装置4和钻杆5阀的关闭实现井筒封闭。
图1为本发明实现压井功能的进口配置方案一实施例结构示意图，钻杆5在钻进过程中，钻井泥浆通过钻杆5注入井底冲刷岩屑，使岩屑沿井筒内环空上返至海底井口，在海底泵6的作用下经由泥浆返回管线上返至平台进行处理循环再利用。依靠海底泵6的转速调节控制吸入模块7内的泥浆与海水界面2保持稳定。通过压井管线将压井泥浆通过压井泥浆入口8注入外套筒1内浮动活塞3上部空间，正常工作状态下，浮动活塞3上部压力与下部井底返回泥浆达到平衡状态，依靠浮动活塞3的浮动，相当于增加了海底吸入模块7的内容量，由此可为海底泵6等设备的控制和调整留有更大的时间裕量，有利于保持海底泵入口压力等于海底处的海水静压力，间接控制井底压力保持在地层孔隙压力和破裂压力之间的钻井窗口内，达到安全钻井目的。
如图2所示，在井涌初期，增大压井泥浆注入压力，浮动活塞3与下部的封隔装置4顶部相接触，由于浮动活塞3内环的特殊结构，导致封隔装置4开始动作抱住钻杆5，从而将井眼环空封隔，此时通过控制海底泵6的转速来保持泥浆与海水界面的稳定。
如图3所示，当井涌严重需要进行压井作业时，加大压井泥浆注入压力，当压井泥浆压力超过一定数值时，下落至封隔装置4位置的浮动活塞3的内外环联接销子将被剪断，活塞内外环分离。活塞外环在压井泥浆压力作用下滑落到封隔装置4下方，而内环将落在封隔装置4的上方，压井泥浆从封隔装置4的外侧环空注入井眼，实现压井。
如图4所示，当发生井涌或发生井喷紧急情况时，浮动活塞3在底部压力作用下将被顶起至井口位置，将井内流体从套管环空窜出的通道封闭，而此时，井下封隔装置4在底部压力作用下抱紧钻杆，将钻杆5外套筒1内环空通道封闭，同时，钻杆5阀封闭钻杆内的通道，实现关井功能，防止流体通过钻杆5上返平台造成严重后果。随着水深加大，钻井窗口更加狭窄，表层之外的下部井段钻进过程中，双梯度效果明显减弱。而采用该装置，相当于在井口位置施加一个附加压力，通过调整该压力可以增强双梯度效果，使SMD系统应用于深水表层之外的下部井段乃至全井深钻井成为可能。
内套筒所安装的封隔装置，具有依靠内外套筒环空内上下压力差动作的特点。浮动活塞下移至封隔装置上部贴合，随上下面压力差增大到设定值，封隔装置开始动作，关闭钻杆与内套筒间的环空，防止井内流体沿钻杆与内套筒环空上窜。内套筒所安装的封隔装置，内外套筒之间环空内浮动活塞上下压差超过设定值时，浮动活塞下移压紧封隔装置上端面使其下移，依靠斜面推动杠杆带动封隔滑块向内收缩，封住钻杆与内套筒间的环空，依靠封隔装置上部带有的斜面卡槽封隔滑块将被锁定，确保钻杆与内套筒间环空封隔可靠。压井管线内压井液压力增大超过井筒流体压力时，浮动活塞下移压紧封隔装置，压力继续增大，在浮动活塞上下压力差作用下，浮动活塞将被剪断，从而建立压井液进入井筒的通道，调整压井液比重，从而实现压井。
本发明重在解决无隔水管泥浆举升钻井系统无法采用重浆压井的难题，除此之外，还可在发生严重井涌或井喷失控时实现关井，同时用于无隔水管泥浆举升钻进系统作业时实现海底吸入模块(SMO)内泥浆液面的辅助控制，应用该发明装置相当于在海底井口位置施加一个附加压力，增强深水双梯度效果，使SMD系统应用于深水表层之外的下部井段乃至全井深钻井成为可能。本发明不仅可用于深水无隔水管泥浆举升钻井系统，对于常规海洋钻井以及浅海、滩涂乃至陆地钻井的压井作业都具有较大的应用价值。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种海底井口装置，其特征在于：包括外套筒、内套筒、浮动活塞、封隔装置；其中外套筒通过水泥与周围地层固结，用于固定井口装置并支撑整个压井装置的重量，内套筒一部分位于外套筒内部、另一部分位于外套筒下方，外套筒与内套筒之间设有浮动活塞，内套筒内设有封隔装置，压井液置于浮动活塞上方外套筒内，内套筒内为压井泥浆流动空间，钻杆置于内套筒内，内套筒的口部设有吸入模块，吸入模块连接海底泵；浮动活塞能够沿内套筒上下滑动。
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