CN111456687B - 一种适合于海洋水合物开采的多筒协调自平衡井口支撑装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适合于海洋水合物开采的多筒协调自平衡井口支撑装置，涉及水下开采用的井口支撑连接装置技术领域。它包括支架单元、吸力锚管单元；支架单元包括支架主体、安装在支架主体上的传感调平模块、安装在支架主体上的管路单元；吸力锚管单元包括至少3个相同的吸力锚管；管路单元包括干路管、将每个吸力锚管对应与干路管连通的支路管、安装在每个支路管上的电磁阀；电磁阀均匀传感调平模块的输出端连通；干路管与外界液压泵连通。本发明多个吸力锚管吸入过程更加稳定、更加有利于调平，放置到位后支撑更加稳固。

Description

一种适合于海洋水合物开采的多筒协调自平衡井口支撑装置

技术领域

本发明涉及水下开采用的井口支撑连接装置技术领域。

背景技术

天然气水合物分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，资源密度高，全球分布广泛，具有极高的资源价值，未来对天然气水合物的开发和利用成为必然的趋势。国内外对于海洋水合物试采普遍利用常规深水钻井技术，但海洋水合物埋深浅(通常100-140m)，严重影响井身结构的下深设计，开发过程中井口失稳风险尤为突出，因此亟需开发井口协同支撑装备，提升井口承载性能，为海洋水合物试采及未来商业化开采提供装备支持。

吸力式基础被认为是深水工程中应用最具潜力的基础形式之一，近几年在海洋工程中得到越来越多的应用。吸力式基础一般为上端封闭、下端开口的圆筒形结构，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。传统单筒吸力锚在安装过程中需不断监测和控制安装倾斜度，一旦发生倾斜度超过最大值的情况很难调整，往往导致安装失败，产生较大经济损失。吸力式组合桩支撑装置概念的提出可以有效提高桩基础的整体承载性能，增加支撑装置整体刚度，并使组合桩的几何尺寸趋于合理，若产生安装倾斜可通过调节各筒吸力使支撑装置重新达到水平状态，因此在安装时不易产生倾斜度超标的问题，吸力式组合桩支撑装置与井口适配性很强，可极大提升井口稳定性，因此吸力式组合桩支撑装置在深水钻井领域具有很大的应用潜力。比如专利号为：CN103556972A的发明专利，其提出了一种自安装式海底钻井基盘及其安装方法，其通过潜水本流量控制的方式来调平，其调平精度，难以保证。另外，吸力锚管容易产生土塞、平台的回收、稳定性等问题，还需要进一步研究攻克。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，是针对上述存在的技术不足，提供一种适合于海洋水合物开采的多筒协调自平衡井口支撑装置，其吸入过程更加稳定、更加有利于调平，放置到位后支撑更加稳固。

本发明采用的技术方案是：一种适合于海洋水合物开采的多筒协调自平衡井口支撑装置，包括支架主体，所述的支架主体中部设置有导管；包括支架单元、吸力锚管单元；

所述的支架单元包括支架主体、安装在支架主体上的传感调平模块、安装在支架主体四周的吊耳、安装在支架主体上的管路单元；

所述的吸力锚管单元包括至少3个相同的吸力锚管；所述的吸力锚管均匀分布安装在支架主体的四周；所述的吸力锚管为倒扣桶状结构；每个吸力锚管的下端部管壁内侧同心设置有环形隔离腔；所述环形腔的内壁上部设置有泥水分离窗；

所述的管路单元包括干路管、将每个吸力锚管对应与干路管连通的支路管、安装在每个支路管上的A电磁阀；所述的A电磁阀均匀传感调平模块的输出端连通；所述的干路管与外界液压泵连通。

进一步，一种适合于海洋水合物开采的多筒协调自平衡井口支撑装置，所述的吸力锚管的上端部管壁内侧滑动连接有蠕动支撑网板；所述的蠕动支撑网板通过滑块与吸力锚管管壁滑槽滑动连接；所述的滑块上安装有电磁锁舌；所述的滑槽在竖直方向上均分分布有与电磁锁舌卡扣配合的齿槽；所述蠕动支撑网板中部安装的水平方向振动的振动电机。

进一步，一种适合于海洋水合物开采的多筒协调自平衡井口支撑装置，所述的环形隔离腔的上部，吸力锚管的管壁上安装有向外开启的单向阀。

进一步，一种适合于海洋水合物开采的多筒协调自平衡井口支撑装置，所述的导管下端安装有脆性锥形罩。

本发明与水下井口支撑装置相比，一种适合于海洋水合物开采的多筒协调自平衡井口支撑装置的技术效果是：

1、每个吸力锚管在负压下，贯入海底泥土的进度可以通过对应的电磁阀控制；多个吸力锚管在调平传感模块的控制下，在保持装置整体调平状态贯入，确保最终安装倾斜度在要求的范围内。

在吸力锚管贯入泥土的过程中，部分泥土会不断压入环形隔离腔，泥土进入环形隔离腔后，水分从泥水分离窗中挤出，内部泥土随着贯入深度的加大，泥土的含水量降低，密实性提高。最终，环形隔离腔下端部形成一个高密实性的环形的拦阻区域，该拦阻区域可以防止吸入锚管内外环境导通。环形隔离腔可以防止吸力锚管负压贯入时，过量泥土从外侧进入吸力锚管导致土塞。

2、吸力锚管贯入预定深度，进入工作状态后，随着井口下入的管道增多，其承重越来越大，吸力锚管的支撑性在于侧壁与海底泥土的摩擦力，以及处于密封状态下的内部水压(吸力锚管贯入时采用负压贯入，到达预定深度后，停止负压，保持内外压差相同)支撑。当吸力锚管的承载重量加大时，其内部水压会升高，如果吸力锚管内外导通导致内部压力泄漏，则可能出现吸力锚管沉降。本技术方案中，蠕动支撑网板可以降低吸力锚管发生沉降风险。吸力锚管到达预定深度后，蠕动支撑网板可以在振动电机的作用下从吸力锚管上部缓缓进入泥土，等蠕动沉入吸力锚管底部后锁定。当突发沉降时，蠕动支撑网板仍然能提供一定的桩端支撑，阻碍泥土流动，延缓吸力锚管的沉降速度。

3、吸力锚管上的电磁开关阀可以在整体平台放置、提升时提高工作效率。在平台提升时，可以往吸力锚管内压入空气，将水从电磁开关阀中排出，利用气液浮力差降低提升力。在吸力锚管贯入到达预定深度时，电磁开关阀导通可以迅速消除内外压差。

4、脆性锥形罩既可以防止泥沙进入导管，又能够在达到预定深度后，通过钻杆破碎，节约钻井工期。

附图说明

图1为本发明的整体示意图；

图2为图1的另一个方向的示意图；

图3为环形隔离腔和蠕动式支撑网板的局部示意图；

图中，1、支架主体；2、导管；3、传感调平模块；4、吊耳；5、吸力锚管；6、环形隔离腔；7、泥水分离窗；8、干路管；9、支路管；10、A电磁阀；11、蠕动支撑网板；12、滑块；13、滑槽；14、电磁锁舌；15、齿槽；16、振动电机；17、电磁开关阀；18、脆性锥形罩。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

一种适合于海洋水合物开采的多筒协调自平衡井口支撑装置，包括支架主体1，所述的支架主体1中部设置有导管2；支架单元、吸力锚管单元；支架单元包括支架主体1、安装在支架主体1上的传感调平模块3、安装在支架主体1四周的吊耳4、安装在支架主体1上的管路单元；吸力锚管单元包括3个相同的吸力锚管5；所述的吸力锚管5均匀分布安装在支架主体1的四周；所述的吸力锚管5为倒扣桶状结构；每个吸力锚管5的下端部管壁内侧同心设置有环形隔离腔6；所述环形腔6的内壁上部设置有泥水分离窗7；管路单元包括干路管8、将每个吸力锚管5对应与干路管8连通的支路管9、安装在每个支路管9上的A电磁阀10；所述的A电磁阀10均与传感调平模块3的输出端连通；所述的干路管8与外界液压泵连通。

本实施例中，支撑装置(一种适合于海洋水合物开采的多筒协调自平衡井口支撑装置简称为支撑装置)下放全程要保持水平姿态，防止支架主体1或吸力锚管5刚性形变。下放过程中，外界液压泵通过干路管支路管对每个吸力锚管5抽水形成负压，吸力锚管5在外界压差的作用下压入海底泥土，由于每个吸力锚管5对应的泥土环境的不同，会出现相同压差下贯入速度不同的情况，由此导致支撑装置倾斜。而本实施例中，由调平传感模块3适时采集倾斜数据，将该数据与预定的倾斜误差最大值做对比，超出误差最大值后，则对每个吸力锚管5对应的A电磁阀发出关闭或减少流量(A电磁阀既可以是开关电磁阀，也可以是流量调节电磁阀)的信号，直到倾斜角恢复到误差内释放。以此实现倾角与负压贯入的反馈调节。

环形隔离腔6，随着吸力锚管5的下沉，内部泥水在压力下不断在泥水分离窗7分离，环形隔离腔6内的泥土含水量逐渐下降，硬度提升，流动性降低，其最终会延伸整个环形隔离腔以及环形隔离腔下方的泥土，这样最终在吸力锚管5的内侧、外侧以及下方一定深度形成一道防止泥水流动的密实基础。在下放吸力锚管以及吸力锚管工作载重时，防止吸力锚管5内外流动导通至关重要。下放过程，内外流动会加重土塞；工作载重会导致内压外泄，支撑装置沉降或倾斜。

实施例2：

本实施例与实施例1的区别在于：吸力锚管5的上端部管壁内侧滑动连接有蠕动支撑网板11；蠕动支撑网板11通过滑块12与吸力锚管5管壁滑槽13滑动连接；滑块12上安装有电磁锁舌14；滑槽13在竖直方向上均分分布有与电磁锁舌14卡扣配合的齿槽15；蠕动支撑网板11中部安装的水平方向振动的振动电机16。

蠕动支撑网板11的支撑性越强，其网眼越密集，但其蠕动沉入吸力锚管下部的时间则越长。根据支撑装置的载重要求以及具体施工时间间隔，可以适应性设定网眼密度以及振动电机16的工作时长。

在提升支撑装置时，为了减轻环形隔离腔的泥土重量，防止环形隔离腔的泥土出水后干燥堵塞泥水分离窗，可以打开振动电机16，促进泥土脱落。

环形隔离腔6的上部，吸力锚管5的管壁下部安装有连通吸力锚管5内外的电磁开关阀17；导管下端安装有脆性锥形罩18。当支撑装置达到预定深度后，通过钻杆破碎脆性锥形罩，可节约海上钻井工期。

Claims (4)

1.一种适合于海洋水合物开采的多筒协调自平衡井口支撑装置，包括支架主体(1)，所述的支架主体(1)中部设置有导管(2)；其特征在于：包括支架单元、吸力锚管单元；

所述的支架单元包括所述的支架主体(1)、安装在所述的支架主体(1)上的传感调平模块(3)、安装在所述的支架主体(1)四周的吊耳(4)、安装在所述的支架主体(1)上的管路单元；

所述的吸力锚管单元包括至少3个相同的吸力锚管(5)；所述的吸力锚管(5)均匀分布安装在所述的支架主体(1)的四周；所述的吸力锚管(5)为倒扣桶状结构；每个所述的吸力锚管(5)的下端部管壁内侧同心设置有环形隔离腔(6)；所述环形隔离腔(6)的内壁上部设置有泥水分离窗(7)；

所述的管路单元包括干路管(8)、将每个所述的吸力锚管(5)对应与所述的干路管(8)连通的支路管(9)、安装在每个所述的支路管(9)上的A电磁阀(10)；所述的A电磁阀(10)均与传感调平模块(3)的输出端连通；所述的干路管(8)与外界液压泵连通。

2.根据权利要求1所述的一种适合于海洋水合物开采的多筒协调自平衡井口支撑装置，其特征在于所述的吸力锚管(5)的上端部管壁内侧滑动连接有蠕动支撑网板(11)；所述的蠕动支撑网板(11)通过滑块(12)与所述的吸力锚管(5)管壁滑槽(13)滑动连接；所述的滑块(12)上安装有电磁锁舌(14)；所述的滑槽(13)在竖直方向上均分分布有与所述的电磁锁舌(14)卡扣配合的齿槽(15)；所述蠕动支撑网板(11)中部安装的水平方向振动的振动电机(16)。

3.根据权利要求2所述的一种适合于海洋水合物开采的多筒协调自平衡井口支撑装置，其特征在于：所述的环形隔离腔(6)的上部，所述的吸力锚管(5)的管壁下部安装有连通所述的吸力锚管(5)内外的电磁开关阀(17)。

4.根据权利要求3所述的一种适合于海洋水合物开采的多筒协调自平衡井口支撑装置，其特征在于：所述的导管(2)下端安装有脆性锥形罩(18)。

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