CN111520098A - 一种用于水下井口及导管锤入法安装的井口连接器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于水下井口及导管锤入法安装的井口连接器，包括：外套筒，所述外套筒的上端设有同轴中空的隔水导管接头，所述外套筒靠近下端处的内壁上设置有沿周向均匀分布且轴向延伸的滑轨，所述外套筒的外壁上环套有打桩帽；内芯筒，所述内芯筒的外壁上设置有周向均匀分布且沿轴向延伸的滑槽，所述内芯筒的上端设置有与所述外套筒限位台阶面相配合的内芯筒限位台阶；承托短节，所述承托短节包括阶梯形承托筒，所述承托筒的上、下端分别设置有水下井口接头和海底导管接头；本发明通过滑轨与滑槽之间的配合，使得井口连接器具备一定伸缩功能的同时，还可以传递较大的扭矩，实现井口连接器的上扣安装和卸扣解脱。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于水下井口及导管锤入法安装的井口连接器，属于海洋钻井器材领域。
背景技术
随着陆地油气资源的逐渐减少，加快海上油气资源的勘探开发已经成为海洋能源发展的重点。对于浅水海域的油气资源开发，通常采用新建开发平台，在平台上安装井口及生产设施，实现海上油气田的投产。然而，在海上新建开发平台会面临诸多用海限制，例如航道、锚地等。海上油气资源开发难免会遇到用海矛盾，导致一些受限区油气资源无法开发利用。为此，研究提出一种采用海底沉箱方案对受限海域的油气资源进行开发。即采用移动作业机具，完成水下井口开发模式的油气井作业，投产后，作业机具撤离，海面上和海水中没有任何油气生产设施，不影响航道与锚地的使用。而对于浅水水下井口开发模式，常规钻入法安装水下井口及导管，钻孔返出的岩屑与泥浆覆盖水下设施，难以清理，给后续作业带来困难。为此，研究提出采用打桩锤入法来安装水下井口及导管，即通过移动作业机具上的打桩设备将隔水导管连接井口和导管的海洋浅层井筒结构贯入到海底，建立钻井循环通道，待完成作业后，将隔水导管起出，在水下井口上安装水下采油树连接水下生产设施，进行投产。锤入法安装水下井口及导管可以避免钻孔作业中钻屑和泥浆返出带来的问题，此外，锤入法不需要钻孔、注水泥固井，作业效率通常高于钻孔法，在浅水海域应用普遍。而对于浅水水下井口开发新模式，采用锤入法安装水下井口及导管存在打桩造成水下井口，以及井口与隔水导管连接部件的损伤风险，隔水导管无法解脱起出，严重时会造成井口报废。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于水下井口及导管锤入法安装的井口连接器，以解决上述技术问题。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种用于水下井口及导管锤入法安装的井口连接器，包括如下部件：
外套筒2，所述外套筒2的上端设有同轴中空的隔水导管接头21，且所述外套筒2与所述隔水导管接头21的连接处形成有外套筒限位台阶面；所述外套筒2靠近下端处的内壁上设置有沿周向均匀分布且轴向延伸的滑轨22，所述外套筒2的外壁上环套有打桩帽23；
内芯筒3，所述内芯筒3的外壁上设置有周向均匀分布且沿轴向延伸的滑槽33，所述内芯筒3与所述外套筒2通过所述滑槽33和滑轨22滑动连接；所述内芯筒3的上端设置有与所述外套筒限位台阶面相配合的内芯筒限位台阶31；
承托短节5，所述承托短节5包括阶梯形承托筒，所述承托筒的上、下端分别设置有水下井口接头56和海底导管接头55，且所述承托筒的上端形成有环形打桩垫凹槽51；
所述隔水导管接头21与隔水导管1的下端连接，所述内芯筒3的下端与水下井口4的上端连接，所述水下井口接头56与所述水下井口4的下端连接，所述海底导管接头55与海底导管6的上端连接；所述打桩垫凹槽51与所述打桩帽23接触式配合。
所述的井口连接器，优选地，所述承托筒包括直径依次减小的第一筒体52、第二筒体53和第三筒体54，所述第一筒体52和第二筒体53共底但开口反向设置，且所述第二筒体53呈中空的圆台形或圆柱形；所述第三筒体54同轴设置在所述第一筒体52和第二筒体53内且与所述第一筒体52和第二筒体53的筒底固定连接，所述海底导管接头55同轴设置在所述所述第三圆筒54的下端，所述水下井口接头56同轴设置在所述第一筒体52的筒底上端面上。所述的井口连接器，优选地，所述承托筒包括直径依次减小的第一筒体52、第二筒体53和第三筒体54，所述第二筒体53的开口端固定连接在所述所述第一筒体52的筒底下端面上，且所述第二筒体53呈中空的圆台形或圆柱形；所述第三筒体54的开口端固定连接在所述第二筒体53的筒底下端面上，所述海底导管接头55同轴设置在所述第三圆筒54的下端，所述水下井口接头56同轴设置在所述第一筒体52的筒底上端面上。
所述的井口连接器，优选地，所述内芯筒限位台阶31的周向外侧壁上设置有环形内芯筒凹槽32，所述外套筒2的内壁上设置有周向延伸的环形外套筒凹槽。
所述的井口连接器，优选地，靠近所述承托短节5和所述水下井口4的下端处设置有防转块安装槽，用于容纳防转块，所述防转块用于所述承托短节5与所述海底导管6和所述水下井口4之间的防转抗脱。
所述的井口连接器，优选地，所述防转块上设有固定螺孔、拆卸孔和齿条。
所述的井口连接器，优选地，所述防转块的材质为20CrMnTi合金钢，其整体硬度为510HB，所述齿条根部硬度为400-480HB，用于防止接头反转卸扣、松动，甚至脱扣。
所述的井口连接器，优选地，所述外套筒凹槽和所述内芯筒凹槽32内容纳有密封圈，用于保证连接器的密封性，所述密封圈为“○”型密封胶圈，其材料优选为丁腈橡胶。
所述的井口连接器，优选地，所述内芯筒3的下端外侧壁上设置有左旋螺纹34，用于与所述水下井口4连接。
所述的井口连接器，优选地，所述海底导管接头55上设置有外螺纹，用于与所述海底导管6的上端连接；所述水下井口接头56的内壁上设置有内螺纹，用于与所述水下井口4的下端连接。
所述的井口连接器，优选地，所述左旋螺纹34、所述外螺纹和所述内螺纹的螺纹锥度为5°，螺纹每圈设计四条纹路，旋转一周即可上扣4倍的螺距，大大提高了上扣速度。
所述的井口连接器，优选地，所述左旋螺纹34、所述外螺纹和所述内螺纹的螺纹牙型参数为：承载面与径向夹角为-7°，非承载面与径向轴线夹角为45°，螺纹牙顶与轴线平行，每英寸两螺纹牙，齿高5.1mm，可减少上扣错扣的风险，避免认扣过程中螺纹的损伤。
所述的井口连接器，优选地，所述外套筒2、所述内芯筒3和所述承托短节5为30CrMo的合金钢锻件，经过机械加工而成。
所述的井口连接器，优选地，本发明的井口连接器适用于匹配规格为φ914mm(外径)×38mm(壁厚)或规格φ762mm(外径)×25.4mm(壁厚)隔水导管1与水下井口4的连接。
所述的井口连接器，优选地，所述打桩垫凹槽51内容纳有打桩垫，所述打桩垫优选为橡胶打桩垫。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明将井口连接器设计为由外套筒、内芯筒和承托短节三个部件组成，承托短节分别与水下井口的下端和海底导管的上端可拆卸连接，内芯筒与水下井口的上端连接，内芯筒的外部环套有外套筒，通过外套筒中的滑轨与内芯筒中的滑槽之间的滑动，使得外套筒上的打桩帽与承托短节上的打桩垫凹槽接触式配合，这样能够将隔水导管所承受的载荷通过打桩帽与打桩垫凹槽的接触直接传递给海底导管，避免水下井口和连接处在打桩作业过程中造成损伤，影响后续作业；
2、本发明通过在承托短节内设置可容纳防转块的防转块安装槽，其能够实现承托短节、海底导管以及水下井口之间的连接防转抗脱；
3、本发明通过滑轨与滑槽之间的配合，使得井口连接器具备一定伸缩功能的同时，还可以传递较大的扭矩，实现井口连接器的上扣安装和卸扣解脱；
4、本发明通过将螺纹锥度设计为5°，螺纹每圈设计成四条纹路，旋转一周即可上扣4倍的螺距，仅需要1.5圈即可完成上扣，在保证接头连接强度前提下，尽可能提高上扣速度，缩短作业时间，降低作业成本；
5、本发明所设计的井口连接器，有助于推进我国浅水海域受航道等影响的限制区油气资源的开发利用，是浅水水下井口开发的新模式，有利于将高效的常规海上批量打桩建立海洋浅层井筒的锤入法施工工艺在新模式下继续推广应用，避免了常规钻入法建立浅层井筒在水下井口周围返出钻屑与水泥浆等难以清理的问题，助力浅水海域限制区油气资源的高效开发。
附图说明
图1是本发明装置与水下井口、海底导管和隔水导管的整体连接结构示意图；
图2是本发明装置中外套筒的结构示意图；
图3是本发明装置中内芯筒的结构示意图；
图4是本发明装置中承托短节的结构示意图；
图5是本发明装置中密封结构和配件的结构示意图，其中，图5(a)为“○”形密封圈，图5(b)为橡胶打桩垫，图5(c)为接头防转块；
图中各标记如下：
1-隔水导管；2-外套筒，21-隔水导管接头，22-滑轨，23-打桩帽；3-内芯筒，31-内芯筒限位台阶，32-内芯筒凹槽，33-滑槽，34-左旋螺纹；4-水下井口；5-承托短节，51-打桩垫凹槽，52-第一圆筒，53-第二圆筒，54-第三圆筒，55海底导管接头，56-水下井口接头；6-海底导管。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中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。
实施例1
如图1至5所示，本实施例提供一种用于水下井口及导管锤入法安装的井口连接器，包括如下部件：
外套筒2，所述外套筒2的上端设有同轴中空的隔水导管接头21，且所述外套筒2与所述隔水导管接头21的连接处形成有外套筒限位台阶面；所述外套筒2靠近下端处的内壁上设置有沿周向均匀分布且轴向延伸的滑轨22，所述外套筒2的外壁上环套有打桩帽23；
内芯筒3，所述内芯筒3的外壁上设置有周向均匀分布且沿轴向延伸的滑槽33，所述内芯筒3与所述外套筒2通过滑槽33和滑轨22滑动连接，所述内芯筒3的上端设置有与所述外套筒限位台阶面相配合的内芯筒限位台阶31，所述内芯筒限位台阶31的周向外侧壁上设置有环形内芯筒凹槽32；
承托短节5，所述承托短节5包括阶梯形承托筒，所述承托筒的上、下端分别设置有水下井口接头56和海底导管接头55，且所述承托筒的上端形成有环形打桩垫凹槽51；
所述隔水导管接头21与隔水导管1的下端连接，所述内芯筒3的下端与水下井口4的上端连接，所述水下井口接头56与所述水下井口4的下端连接，所述海底导管接头55与海底导管6的上端连接；所述打桩垫凹槽51与所述打桩帽23接触式配合。
在上述实施例中，优选地，所述承托筒包括直径依次减小的第一筒体52、第二筒体53和第三筒体54，所述第一筒体52和第二筒体53共底但开口反向设置，且所述第二筒体53呈中空的圆台形或圆柱形；所述第三筒体54同轴设置在所述第一筒体52和第二筒体53内且与所述第一筒体52和第二筒体53的筒底固定连接，所述海底导管接头55同轴设置在所述所述第三圆筒54的下端，所述水下井口接头56同轴设置在所述第一筒体52的筒底上端面上。
在上述实施例中，优选地，靠近所述承托短节5和所述水下井口4的下端处设置有防转块安装槽，用于容纳防转块，所述防转块用于所述承托短节5与所述海底导管6和所述水下井口4之间的防转抗脱。
在上述实施例中，优选地，所述防转块上设有固定螺孔、拆卸孔和齿条。所述固定螺孔设置在所述防转块的左右两侧，所述拆卸孔设置在中间位置，所述齿条设置在防转块的侧壁上。通过将螺丝上的螺杆穿过所述固定螺孔，拧入所述防转块安装槽内部的螺丝孔中，螺丝尾部的螺帽将所述防转块固定于所述防转块安装槽内。位于所述防转块中部的拆卸孔内壁上设有螺纹，通过在所述拆卸孔中拧入螺丝，当螺丝的前端顶触到所述防转块安装槽内壁中部位置时，随着螺丝的拧入，所述防转块安装槽内壁对螺杆产生反作用力，该反作用力通过螺丝施加到所述防转块上，将所述防转块顶出所述防转块安装槽，完成所述防转块的拆卸工作。
在上述实施例中，优选地，所述防转块的材质为20CrMnTi合金钢，其整体硬度为510HB，所述齿条根部硬度为450HB，用于防止接头反转卸扣、松动，甚至脱扣。
在上述实施例中，优选地，所述内芯筒凹槽32内容纳有密封圈，用于保证连接器的密封性，密封圈为“○”型密封胶圈，其材料优选为丁腈橡胶。
在上述实施例中，优选地，所述内芯筒3的下端外侧壁上设置有所述左旋螺纹34，用于与所述水下井口4连接。
在上述实施例中，优选地，所述海底导管接头55上设置有外螺纹，用于与所述海底导管6的上端连接；所述水下井口接头56的内壁上设置有内螺纹，用于与所述水下井口4的下端连接。
在上述实施例中，优选地，所述左旋螺纹34、所述外螺纹和所述内螺纹的螺纹锥度为5°，螺纹每圈设计四条纹路，旋转一周可上扣4倍的螺距，大大提高了上扣速度。
在上述实施例中，优选地，所述左旋螺纹34、所述外螺纹和所述内螺纹的螺纹牙型参数为：承载面与径向夹角为-7°，非承载面与径向轴线夹角为45°，螺纹牙顶与轴线平行，每英寸两螺纹牙，齿高5.1mm，可减少上扣错扣的风险，避免认扣过程中螺纹的损伤。
在上述实施例中，优选地，所述外套筒2、所述内芯筒3和所述承托短节5为30CrMo的合金钢锻件，经过机械加工而成。
实施例2
如图1至图5所示，本实施例提供一种本发明装置在水下井口及导管锤入法安装中的操作过程，具体步骤如下：
在利用海上锤入法进行打桩安装导管及水下井口的现场作业时，首先利用拖轮将所述水下井口4、一定数量平躺放置的单根所述海底导管6运送到作业地点，由海上作业机具将所述水下井口4和所述海底导管6从拖轮吊至平台甲板指定位置。在进行导管下入安装作业时，用吊机将平放在甲板指定位置处的单根所述海底导管6吊至钻台井口区平躺放置，利用安装于井架提升设备上的吊卡套卡在钻台井口区平躺放置的单根所述海底导管6母接头外壁的吊卡槽位置，将单根所述海底导管6的母接头端吊起，使单根所述海底导管6由平躺状态转为竖立状态，再由提升设备将竖立的单根所述海底导管6送至钻井平台钻台面的井口位置，与所述井口位置已经放置的带有导管刺鞋的单根所述海底导管6上端的母接头进行螺纹配合连接，依次边下放边对接，完成所有所述海底导管6的连接后，将所述承托短节5连接安装在海底导管串顶部，并在所述打桩垫凹槽51中放置打桩橡胶垫，然后在所述承托短节5顶部安装所述水下井口4，接着在所述内芯筒3上的所述内芯筒凹槽32中安装“○”形密封圈，将所述内芯筒3插入所述外套筒2内形成可轴向伸缩、环向传递扭矩的连接装置(上述工作可以在工厂完成)。
再将上述连接装置通过所述内芯筒3上的所述左旋螺纹34与所述水下井口4顶部的螺纹配合连接，然后继续下放上述连接好带有所述外套筒2与所述内芯筒3的连接装置、所述水下井口4和所述承托短节5，以及所述海底导管6的管串，之后在所述外套筒2的顶部连接上所述隔水导管1，继续连接隔水导管单根，并下放连接好的管串，导管刺鞋穿过安装于海底基盘上的导向孔，触及海底，海底表层土体对所述海底导管6贯入产生的阻力随着贯入深度的增加而增大，直到能够平衡所述海底导管6及所述水下井口4的自重时，继续下放所述隔水导管1，此时连接于所述隔水导管1底部的所述外套筒2相对于所述内芯筒3产生轴向向下的滑动，所述外套筒2上的环状所述打桩帽23随着所述外套筒2的滑动而插入到连接在所述海底导管6与所述水下井口4之间的所述承托短节5上的所述打桩垫凹槽51中，所述隔水导管1的重量便可以传递至整个管串下段的所述海底导管6上，使所述海底导管6继续贯入海底土层中，直至依靠整个管串自重无法贯入时，在所述隔水导管1顶部按照常规打桩作业，接打桩设备，将所述海底导管6锤入到设计深度。打桩全过程中的锤击载荷通过本发明的井口连接器越过所述水下井口4及其顶部连接，直接传递至管串下段的海底导管上，使所述水下井口4及其连接部位得到防护，避免所述水下井口4及连接部位的损伤，有利于所述隔水导管1顺利解脱起出，保障下一步作业。通过应用本发明的井口连接器，可采用锤入法，将所述水下井口4和所述海底导管6安装到海床表层土体中，构建起钻井液循环通道、支撑所述水下井口4、稳定井壁，保障钻采工作的顺利进行。
打桩作业时，所述隔水导管1上部的打桩设备锤击产生的竖向载荷通过所述隔水导管1传递到连接于所述隔水导管1底部的所述外套筒2上，再通过所述外套筒2上的所述打桩帽23传递给连接在所述水下井口4和所述海底导管6之间的承托短节5上的承托台，最后传递给需要贯入到海底泥面以下数十米的海底导管6上。所述外套筒2上的所述打桩帽23和所述承托短节5上的所述打桩垫凹槽51为接触式配合，即环状所述打桩帽23插入安放有打桩垫的环形所述打桩垫凹槽51中，将打桩产生的竖向锤击力载荷越过所述水下井口4及所述水下井口4顶部与井口连接器的连接，直接传递给所述海底导管6，从而使所述海底导管6贯入到海底泥面以下设计深度，完成所述海底导管6与所述水下井口4的安装，与所述隔水导管1串接形成海洋浅层钻井井筒结构，为下一步钻井作业提供了钻井液循环通道。待下一井段作业结束，通过连接器与所述水下井口4的左旋螺纹，在平台上对所述隔水导管1进行正转，扭矩通过所述隔水导管1传递至所述外套筒2，由所述外套筒2内壁的所述滑轨22与所述内芯筒3外壁上的所述滑槽33咬合传递扭矩至所述内芯筒3底端与所述水下井口4连接的所述左旋螺纹34，正转螺纹完成连接器与所述水下井口4之间卸扣，实现所述隔水导管1与所述水下井口4之间的解脱，上提所述隔水导管1与连接器，即可进行下一步钻井作业直至钻井完成。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种用于水下井口及导管锤入法安装的井口连接器，其特征在于，包括如下部件：
外套筒(2)，所述外套筒(2)的上端设有同轴中空的隔水导管接头(21)，且所述外套筒(2)与所述隔水导管接头(21)的连接处形成有外套筒限位台阶面；所述外套筒(2)靠近下端处的内壁上设置有沿周向均匀分布且轴向延伸的滑轨(22)，所述外套筒(2)的外壁上环套有打桩帽(23)；
内芯筒(3)，所述内芯筒(3)的外壁上设置有周向均匀分布且沿轴向延伸的滑槽(33)，所述内芯筒(3)与所述外套筒(2)通过所述滑槽(33)和滑轨(22)滑动连接；所述内芯筒(3)的上端设置有与所述外套筒限位台阶面相配合的内芯筒限位台阶(31)；
承托短节(5)，所述承托短节(5)包括阶梯形承托筒，所述承托筒的上、下端分别设置有水下井口接头(56)和海底导管接头(55)，且所述承托筒的上端形成有环形打桩垫凹槽(51)；
所述隔水导管接头(21)与隔水导管(1)的下端连接，所述内芯筒(3)的下端与水下井口(4)的上端连接，所述水下井口接头(56)与所述水下井口(4)的下端连接，所述海底导管接头(55)与海底导管(6)的上端连接；所述打桩垫凹槽(51)与所述打桩帽(23)接触式配合。
2.根据权利要求1所述的井口连接器，其特征在于，所述承托筒包括直径依次减小的第一筒体(52)、第二筒体(53)和第三筒体(54)，所述第一筒体(52)和第二筒体(53)共底但开口反向设置，且所述第二筒体(53)呈中空的圆台形或圆柱形；所述第三筒体(54)同轴设置在所述第一筒体(52)和第二筒体(53)内且与所述第一筒体(52)和第二筒体(53)的筒底固定连接，所述海底导管接头(55)同轴设置在所述所述第三圆筒(54)的下端，所述水下井口接头(56)同轴设置在所述第一筒体(52)的筒底上端面上。
3.根据权利要求1所述的井口连接器，其特征在于，所述承托筒包括直径依次减小的第一筒体(52)、第二筒体(53)和第三筒体(54)，所述第二筒体(53)的开口端固定连接在所述所述第一筒体(52)的筒底下端面上，且所述第二筒体(53)呈中空的圆台形或圆柱形；所述第三筒体(54)的开口端固定连接在所述第二筒体(53)的筒底下端面上，所述海底导管接头(55)同轴设置在所述第三圆筒(54)的下端，所述水下井口接头(56)同轴设置在所述第一筒体(52)的筒底上端面上。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的井口连接器，其特征在于，所述承托短节(5)和所述水下井口(4)的下端处设置有防转块安装槽，用于容纳防转块，所述防转块用于所述承托短节(5)与所述海底导管(6)和所述水下井口(4)之间的防转抗脱。
5.根据权利要求1至3中任意一项所述的井口连接器，其特征在于，所述内芯筒限位台阶(31)的周向外侧壁上设置有环形内芯筒凹槽(32)，所述内芯筒凹槽(32)内容纳有密封圈，用于保证连接器的密封性。
6.根据权利要求1至3中任意一项所述的井口连接器，其特征在于，所述内芯筒(3)的下端外侧壁上设置有左旋螺纹(34)，用于与所述水下井口(4)连接。
7.根据权利要求1至3中任意一项所述的井口连接器，其特征在于，所述海底导管接头(55)上设置有外螺纹，用于与所述海底导管(6)的上端连接；所述水下井口接头(56)的内壁上设置有内螺纹，用于与所述水下井口(4)的下端连接。
8.根据权利要求6或7所述的井口连接器，其特征在于，所述左旋螺纹(34)、所述外螺纹和所述内螺纹的螺纹锥度为5°。
9.根据权利要求6或7所述的井口连接器，其特征在于，所述左旋螺纹(34)、所述外螺纹接头和所述内螺纹的螺纹牙型参数为：承载面与径向夹角为-7°，非承载面与径向轴线夹角为45°，螺纹牙顶与轴线平行，每英寸两螺纹牙，齿高5.1mm。
10.根据权利要求1至3中任意一项所述的井口连接器，其特征在于，所述外套筒(2)、所述内芯筒(3)和所述承托短节(5)为30CrMo的合金钢锻件。
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