CN112253036B - 一种无导向绳下入和井间移动防喷器组的高效作业装备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无导向绳下入和井间移动防喷器组的高效作业装备及方法，属于海洋深水油气钻井领域，包括平台系统和水下系统，平台系统包括深水半潜式钻井平台、推进器、司钻面板、队长面板、信息控制终端、平台吊机和平台动力定位系统等，水下系统包括隔水管系统、防喷器组、声波发射器、快速连接器、导管头、海底井口和水下机器人。本发明在安装了井口盘和永久导向基盘的情况下，实现无导向绳情况下防喷器组快速下入，精准对接永久导向基盘；下一开次钻井作业完成后，通过海域作业风险分析，确定井间移动防喷器组的最佳上提深度，然后结合声波发射器和声波应答器，优化防喷器组的移动路径，实现防喷器组的高效移动。

Description

一种无导向绳下入和井间移动防喷器组的高效作业装备及 方法

技术领域

本发明涉及一种无导向绳下入和井间移动防喷器组的高效作业装备及方法，属于海洋深水油气钻井技术领域。

背景技术

近十年来，全球新发现重大油气田主要来自海洋，而我国海洋油气资源极其丰富，据统计，南海海域油气地质储量超过1000亿吨油当量，大部分蕴藏于深水区。与陆地钻井相比，深水钻井需要花费更高的成本。在国际油价形势持续低迷的背景下，为实现海洋油气高效开发，国内外学者开始对钻井作业程序进行优化，以此来缩短钻井周期，节约钻井成本。

海洋深水钻井最明显的特征是水下井口装置，主要由海底井口系统、防喷器系统和隔水管系统组成。其中，防喷器组下入是钻井作业的重要环节之一，通常需依靠连接井口和平台的永久导向绳作为引导，使其坐落在海底导向基盘上。但随着钻井水深的增加，所需要的导向绳越长，而风、浪、流等海洋环境对导向绳的轴向拉伸强度要求更高。一旦平台上的张紧装置无法满足作业需求，很可能引起导向绳断裂、绞结，导致防喷器无法下入，延误后续钻井作业。同时，在海洋油气丛式井开发模式下，为提高放喷器的使用效率，钻完某口井后需将防喷器组转移到邻井进行再利用。但目前的深水钻井作业并没有解决上述问题，亟需一种可实现无导向绳下入和井间移动防喷器组的高效作业方法，从而为我国海洋深水油气勘探开发提供现场指导。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种无导向绳下入和井间移动防喷器组的高效作业装备及方法，在优先安装了井口盘和永久导向基盘的情况下，通过水下机器人(ROV)、平台动力定位系统、以及平台吊机的联动，实现无导向绳情况下基于超短基线声学定位的防喷器组快速下入，精准对接永久导向基盘；下一开次钻井作业完成后，通过海域作业风险分析，确定井间移动防喷器组的最佳上提深度，然后结合声波发射器和声波应答器，优化防喷器组的移动路径，实现防喷器组的高效移动。

本发明采用以下技术方案：

一种无导向绳下入和井间移动防喷器组的高效作业装备，包括平台系统和水下系统；

所述平台系统包括深水半潜式钻井平台、推进器、司钻面板、队长面板、信息控制终端、平台吊机和平台动力定位系统，所述司钻面板、队长面板、信息控制终端、平台吊机和平台动力定位系统均位于深水半潜式钻井平台上，所述深水半潜式钻井平台位于水下浮体上，水下浮体在水中产生的浮力用于悬浮深水半潜式钻井平台，所述推进器也位于水下浮体上，由信息控制终端发出指令到推进器，用于控制深水半潜式钻井平台的整体横向位移；

水下浮体为深水半潜式钻井平台位于水下的箱式浮体，是深水半潜式钻井平台整体结构的重要组成部分，水下浮体在水中产生的浮力用于悬浮深水半潜式钻井平台；

所述信息控制终端一端分别与司钻面板和队长面板连接，另一端分别与平台吊机和平台动力定位系统连接，信息控制终端用于控制接收水下系统和平台系统监测到的信息并发出相关作业指令；

所述司钻面板通过控制电缆与水下机器人连接，用于接收水下机器人的监测信息，监测信息包括防喷器组与海底井口盘之间的距离、偏移程度等；

所述深水半潜式钻井平台与海面之间悬空的作业区域为月池，月池包括月池监测系统，用于监测在下入时防喷器组、隔水管的状态，例如钻杆与钻杆之间的连接是否牢固，隔水管是否偏离中心位置等；

所述队长面板与平台月池监测系统连接，用于接收月池中防喷器组和隔水管系统下入的情况；

所述水下系统包括隔水管系统、防喷器组、声波发射器、快速连接器、导管头、海底井口和水下机器人，所述隔水管系统包括升沉补偿装置、隔水管和挠性接头，所述平台吊机与隔水管系统连接，用于控制防喷器组的整体下入；

所述隔水管为多根上下串联，相邻隔水管之间通过螺旋丝扣连接，所述升沉补偿装置的一端连接最上端的隔水管，另一端连接深水半潜式钻井平台，用于补偿作业过程中由于风浪流等因素影响引起隔水管系统的横向和纵向位移；

所述挠性接头位于隔水管系统的底部，即最底部隔水管的端部，用于连接最底部的隔水管和防喷器组，所述防喷器组下部依次设置所述声波发射器和快速连接器，声波发射器用于发射超短/长基线定位系统的声波信号，快速连接器用于防喷器组与海底井口对接后的连接固定，声波发射器两侧均设置有水听器；

所述海底井口包括声波应答器、永久导向基盘、井口盘和表层导管，表层导管位于海底浅层，所述井口盘位于海底，用于海底井口的固定，井口盘上部依次连接有永久导向基盘、声波应答器和导管头，所述永久导向基盘用于指引防喷器组的下入，导管头用于连接防喷器组的内管，且连接后导管头与表层导管相连通，声波应答器用于接收声波信号。

内管在快速连接器内部，与防喷器组、隔水管联通，形成流动通道，方便之后钻井作业的流体循环，形成钻井液流动通道。

优选的，相关作业指令包括通过司钻面板接收水下信息，发出移动平台吊机臂的横向和纵向位移指令，以控制水下防喷器组的位移，进行对接作业。

优选的，所述挠性接头为球形挠性接头，它允许上部隔水管弯成一定角度，以使隔水管适应钻井平台在风、浪、流的作用下的摇摆、平移等运动。

一种上述无导向绳下入和井间移动防喷器组的高效作业装备的作业方法，包括无导向绳下入防喷器组过程，所述无导向绳下入防喷器组过程包括以下步骤：

S100、拆除深水半潜式钻井平台上防喷器组的固定，移动防喷器组进入平台叉车，平台叉车带动防喷器组进入月池；

平台叉车位于深水半潜式钻井平台上，用于移动防喷器组进入作业区间，月池是在深水半潜式钻井平台和海面之间的悬空作业区域，叉车类似于带滑轨的装卸车，可在深水半潜式钻井平台上水平滑动(将防喷器组移动至平台作业区域)，也可以垂直滑动(将防喷器组移动到下部的月池)，这样便于在防喷器组上部安装挠性接头和隔水管单根。

S101、吊送入工具和隔水管上深水半潜式钻井平台，送入工具位于隔水管的内部，与平台吊机相连，通过挠性接头与防喷器组顶端连接，其中挠性接头的内筒接口与送入工具通过旋转卡槽连接，外筒接口与隔水管单根通过旋转卡槽连接，送入工具优选为钻柱；

S102、采用平台吊机的吊装方式协同下入防喷器组和隔水管系统，并通过声波发射器利用超短基线声学定位原理，实时确定防喷器组下入深度及偏移情况；

S103、待防喷器组接近海底永久导向基盘后，通过水下机器人(ROV)联合声波发射器来对防喷器组与海底井口对接过程进行实时监测和精确定位；

S104、利用平台动力定位系统及平台吊机的联动控制防喷器组的纵向和横向位移，平台动力定位系统只负责横向位移，平台吊机可同时负责纵向和横向位移，实现防喷器组与海底井口的精准对接；

通过水下机器人的机械臂锁紧防喷器组与永久导向基盘之间的快速连接器，回旋挠性接头的内筒上的钻柱撤回送入工具，同时将深水半潜式钻井平台上的升沉补偿装置连接隔水管顶端；

本发明下入防喷器组过程是在深水半潜式钻井平台上将防喷器组与挠性接头连接，挠性接头与隔水管单根连接，而平台吊机与隔水管单根上部连接；此时，通过平台吊机缓慢下入隔水管单根，相当于间接地下入了防喷器组；然后在该隔水管单根的上部再接入一个隔水管单根，再通过同样的操作进行下入，直至防喷器组下入到海底，需要注意的是在接近海底时需要隔水管单根最上部需要连接升沉补偿装置，升沉补偿装置为常用的现有设备。

优选的，步骤S103中，当防喷器组与海底永久导向基盘垂直距离在10米以内，则认定为防喷器组接近海底永久导向基盘。

一种无导向绳下入和井间移动防喷器组的高效作业装备的作业方法，还包括防喷器组井间移动过程，具体包括以下步骤：

S200、密封钻完后的海底井口，拆除防喷器组与海底井口间的快速连接器；

S201、利用平台吊机上提防喷器组，同时拆卸与平台吊机相连的上部隔水管单根；

S202、根据丛式井中井间距离和海况条件，评估井间移动防喷器组的作业风险，确定水下移动防喷器组的最佳上提深度，上提过程中，隔水管从上往下依次拆卸；

S203、利用声波发射器，实现防喷器组的精确定位，确定井间移动防喷器组的最优路径；

声波发射器利用长基线声学定位原理可确定防喷器组相对于海底井口的坐标，从而明确其水平偏移和轴向偏移；

S204、待防喷器组移动到相邻的另一口井的位置后，按照无导向绳下入防喷器组过程，完成防喷器组与海底井口的对接作业。

优选的，S202中，位于防喷器组下部的声波发射器发射声波，位于永久导向基盘上部的声波应答器接收声波，接收信号后立即发射一个反馈信号，位于声波发射器两侧的水听器会接收该反馈信号，通过两个水听器接收信号的时间差，实现防喷器组相对于海底井口的角度偏差和空间坐标等参数的实时测定，从而确定水下移动防喷器组的最佳上提深度。

优选的，所述的防喷器组相对于海底井口的角度偏差，即声波发射器相对于声波应答器的角度偏差为：

所述防喷器组相对于海底井口的三维空间坐标为：

式中，θ_x，θ_y和θ_z分别为声波发射器中心与海底应答器x，y，z三个坐标轴之间的夹角，x、y、z三个坐标是以声波应答器为坐标中心建立坐标轴，垂向为z轴，水平面为x-y坐标面；C为声波在海水中的传播速度，米/秒；Δt₁和Δt₂分别为声波发射器两侧的水听器收到海底应答声学信号的时间偏差，秒；t为声波发射器发射声波到海底应答器接收声波的时间，秒；S₁和S₂分别为声波发射器两侧的水听器与声波发射器中心的距离，米。

优选的，S202中根据丛式井中井间距离和海况条件，通过对水下隔水管和防喷器组进行受力分析，计算水下移动防喷器组的最大深度，确定水下移动防喷器组的最佳上提深度，具体为：

水下移动防喷器组的最大深度为：

式中，H为水下移动防喷器组的最大深度，米；σ_max为深水半潜式钻井平台的张紧装置最大伸缩应力，牛顿，可通过安装在平台上的应力测量仪器测量得到；α为防喷器组在移动过程中隔水管垂向上的角度偏移，度；f₁和f₂分别为水面风浪对平台移动的阻力及水下洋流对隔水管和防喷器系统的阻力，阻力也可通过安装在平台上相应的力学测量仪器实时测量；C_D为隔水管和防喷器组在水下移动的拖曳力系数，无量纲；ρ_w为海水密度，千克/米³；d₁和d₂分别为单根隔水管的直径和防喷器组的宽度，米；h₁和h₂分别为单根隔水管的长度和防喷器组的高度，防喷器组的高度是指从挠性接头到快速连接器的高度，米；V_o为深水半潜式钻井平台移动速度，米/秒。

优选的，S203中，安装于防喷器组下部的声波发射器发射声波，选取丛式井中三个相邻海底井口上部的声波应答器接收声波，通过三个海底应答器接收声波的时间偏差，实现防喷器组空间坐标参数的实时测定；

所述防喷器组相对于海底井口的空间坐标：

式中，x₁，x₂和x₃分别为三个相邻海底井口上部声波应答器在x轴上的坐标值；y₁，y₂和y₃分别为三个相邻海底井口上部声波应答器在y轴上的坐标值；z₁，z₂和z₃分别为三个相邻海底井口上部声波应答器在z轴上的坐标值；t₁，t₂和t₃分别为三个相邻海底井口上部声波应答器接收到声波信号的时间，秒，通过公式(4)最终计算得到x、y、z的值即为防喷器组的实时空间坐标。

本发明在丛式井开发模式下，在表层导管、井口盘和永久导向基盘已下入并固定到海底，初步形成了海底井口后，作业人员在深水半潜式钻井平台上拆卸防喷器组的固定，然后移动防喷器组进入叉车，之后降低防喷器组叉车进入月池；在其下部依次连接声波发射器和快速连接器，在其上部吊接挠性接头、隔水管单根以及送入工具，其中隔水管连接在挠性接头的外筒上，送入工具连接在挠性接头的内筒上；利用平台吊机快速下入防喷器组和隔水管，同时通过声波发射器和声波应答器监测防喷器下入深度及偏移情况；待防喷器组接近海底井口后(垂直距离10米以内)，信息控制终端对司钻面板和队长面板观察到的防喷器下入情况发出相应的操作指令，利用水下机器人、平台吊机和平台动力定位系统的联动，使防喷器组精准坐入海底井口的导管头上(水下机器人观察距离远近、平台动力定位系统负责横向位移，平台吊机可同时负责纵向和横向位移)；当下一开次钻井作业完成后，利用永久导向基盘的内管短接密封海底井口，然后回旋快速连接器，使防喷器脱离海底井口；信息控制终端通过海域作业风险分析，确定防喷器组的最大移动水深，利用平台吊机上提防隔水管系统和防喷器组，同时作业人员拆卸上部的隔水管；防喷器组上提到指定水深后，通过平台动力定位系统的推进器驱使深水半潜式钻井平台和水下防喷器组整体移动，实现水下防喷器组的快速精确移动；待防喷器组移动到另一口井上部后，按照上述的无导向绳防下入喷器组方法，与海底井口进行对接。

本发明未详尽之处，均可参见现有技术。

本发明的有益效果为：

1、通过声波发射器和声波应答器，利用水下机器人(ROV)、平台动力定位、以及平台吊机的联动，可以实现海洋深水油气钻井无导向绳快速下入防喷器组作业，有效解决了深水钻井导向绳下入防喷器组准备时间长、下入慢、易断裂、易绞结的问题；

2、防喷器组下入过程中，其上部连接隔水管系统，协同下入，简化了水下井口建立的作业流程，有效缩短钻井作业周期，节约钻井成本；

3、井间移动防喷器组实现了一个防喷器组在同一区块多口井上的重复使用，提高井控装备的利用率，节省防喷器的高昂租赁费；

4、井间移动防喷器组存在水下和海面两种作业方式，该方法可以满足各种复杂海况及井位条件下的水下井口建立，其中，水下整体移动方式可以有效避免防喷器组各模块的再拆卸和再安装作业，实现井间防喷器组的高效移动。

附图说明

图1是本发明一种实施方式提供的用于无导向绳下入防喷器组的示意图；

图2是本发明一种实施方式提供的用于无导向绳下入防喷器组作业流程图；

图3是本发明一种实施方式提供的用于井间移动防喷器组的示意图；

图4是本发明一种实施方式提供的用于井间移动防喷器组作业流程图；

图中，1、深水半潜式钻井平台；2、推进器；3、升沉补偿装置；4、隔水管；5、挠性接头；6、防喷器组；7、声波发射器；8、快速连接器；9、导管头；10、声波应答器；11、永久导向基盘；12、井口盘；13、表层导管；14；海底；15、水下机器人；16、控制电缆；17、司钻面板；18、队长面板；19、信息控制终端；20、平台吊机；21、平台动力定位系统；22、23、24分别为丛式井相邻井的井的井A、井B和井C；25、26、27分别为井A、井B和井C上的声波应答器。

具体实施方式：

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。

实施例1：

一种无导向绳下入和井间移动防喷器组的高效作业装备，如图1、3所示，包括平台系统和水下系统；

平台系统包括深水半潜式钻井平台1、推进器2、司钻面板17、队长面板18、信息控制终端19、平台吊机20和平台动力定位系统21，司钻面板17、队长面板18、信息控制终端19、平台吊机20和平台动力定位系统21均位于深水半潜式钻井平台1上，深水半潜式钻井平台1位于水下浮体上(图中未示出)，水下浮体在水中产生的浮力用于悬浮深水半潜式钻井平台1，推进器2也位于水下浮体上，由信息控制终端19发出指令到推进器2，用于控制深水半潜式钻井平台1的整体横向位移；

水下浮体为深水半潜式钻井平台位于水下的箱式浮体，是深水半潜式钻井平台整体结构的重要组成部分，水下浮体在水中产生的浮力用于悬浮深水半潜式钻井平台；

信息控制终端19一端分别与司钻面板17和队长面板18连接，另一端分别与平台吊机20和平台动力定位系统21连接，信息控制终端19用于控制接收水下系统和平台系统监测到的信息并发出相关作业指令，相关作业指令包括通过司钻面板接收水下信息，发出移动平台吊机臂的横向和纵向位移指令，以控制水下防喷器组的位移，进行对接作业；

司钻面板17通过控制电缆16与水下机器人15连接，用于接收水下机器人15的监测信息，监测信息包括防喷器组6与海底14的井口盘12之间的距离、偏移程度等；

深水半潜式钻井平台1与海面之间悬空的作业区域为月池，月池包括月池监测系统，用于监测在下入时防喷器组、隔水管的状态，例如钻杆与钻杆之间的连接是否牢固，隔水管是否偏离中心位置等；

队长面板18与平台月池监测系统连接，用于接收月池中防喷器组和隔水管系统下入的情况；

水下系统包括隔水管系统、防喷器组6、声波发射器7、快速连接器8、导管头9、海底井口和水下机器人15，隔水管系统包括升沉补偿装置3、隔水管4和挠性接头5，平台吊机20与隔水管系统连接，用于控制防喷器组6的整体下入；

隔水管4为多根上下串联，相邻隔水管之间通过螺旋丝扣连接，升沉补偿装置3的一端连接最上端的隔水管，另一端连接深水半潜式钻井平台1，用于补偿作业过程中由于风浪流等因素影响引起隔水管系统的横向和纵向位移；

挠性接头5位于隔水管系统的底部，即最底部隔水管的端部，用于连接最底部的隔水管和防喷器组，所述挠性接头为球形挠性接头，它允许上部隔水管弯成一定角度，以使隔水管适应钻井平台在风、浪、流的作用下的摇摆、平移等运动；

防喷器组6下部依次设置声波发射器7和快速连接器8，声波发射器7用于发射超短/长基线定位系统的声波信号，快速连接器8用于防喷器组与海底井口对接后的连接固定，声波发射器7两侧均设置有水听器；

海底井口包括声波应答器10、永久导向基盘11、井口盘12和表层导管13，表层导管13位于海底浅层，井口盘12位于海底14，用于海底井口的固定，井口盘12上部依次连接有永久导向基盘11、声波应答器10和导管头9，永久导向基盘11用于指引防喷器组6的下入，导管头9用于连接防喷器组6的内管，且连接后导管头9与表层导管13相连通，声波应答器10用于接收声波信号。

内管在快速连接器内部，与防喷器组6、隔水管4联通，形成流动通道，方便之后钻井作业的流体循环，形成钻井液流动通道。

实施例2：

一种无导向绳下入和井间移动防喷器组的高效作业装备的作业方法，如图2所示，包括无导向绳下入防喷器组过程，无导向绳下入防喷器组过程包括以下步骤：

S100、拆除深水半潜式钻井平台1上防喷器组6的固定，移动防喷器组6进入平台叉车，平台叉车带动防喷器组进入月池；

平台叉车位于深水半潜式钻井平台上，用于移动防喷器组进入作业区间，月池是在深水半潜式钻井平台和海面之间的悬空作业区域，叉车类似于带滑轨的装卸车，可在深水半潜式钻井平台上水平滑动(将防喷器组移动至平台作业区域)，也可以垂直滑动(将防喷器组移动到下部的月池)，这样便于在防喷器组上部安装挠性接头和隔水管单根。

S101、吊送入工具和隔水管4上深水半潜式钻井平台，送入工具位于隔水管的内部，与平台吊机20相连，通过挠性接头5与防喷器组6顶端连接，其中挠性接头5的内筒接口与送入工具通过旋转卡槽连接，外筒接口与隔水管单根通过旋转卡槽连接，送入工具优选为钻柱；

S102、采用平台吊机20的吊装方式协同下入防喷器组和隔水管系统，并通过声波发射器7利用超短基线声学定位原理，实时确定防喷器组下入深度及偏移情况；

S103、待防喷器组6接近海底永久导向基盘后(防喷器组6与永久导向基盘11垂直距离在10米以内)，通过水下机器人15(ROV)联合声波发射器7来对防喷器组与海底井口对接过程进行实时监测和精确定位；

S104、利用平台动力定位系统21及平台吊机的联动控制防喷器组的纵向和横向位移，平台动力定位系统21只负责横向位移，平台吊机可同时负责纵向和横向位移，实现防喷器组与海底井口的精准对接；

通过水下机器人15的机械臂锁紧防喷器组与永久导向基盘之间的快速连接器8，回旋挠性接头的内筒上的钻柱撤回送入工具，同时将深水半潜式钻井平台上的升沉补偿装置连接隔水管顶端；

本发明下入防喷器组过程是在深水半潜式钻井平台1上将防喷器组6与挠性接头5连接，挠性接头5与隔水管单根连接，而平台吊机20与隔水管单根上部连接；此时，通过平台吊机缓慢下入隔水管单根，相当于间接地下入了防喷器组；然后在该隔水管单根的上部再接入一个隔水管单根，再通过同样的操作进行下入，直至防喷器组下入到海底，需要注意的是在接近海底时需要隔水管单根最上部需要连接升沉补偿装置，升沉补偿装置为常用的现有设备。

实施例3：

一种无导向绳下入和井间移动防喷器组的高效作业装备的作业方法，如实施例2所述，所不同的是，如图4，还包括防喷器组井间移动过程，具体包括以下步骤：

S200、密封钻完后的海底井口，拆除防喷器组6与海底井口间的快速连接器8；

S201、利用平台吊机20上提防喷器组6，同时拆卸与平台吊机20相连的上部隔水管单根；

S202、根据丛式井中井间距离和海况条件，评估井间移动防喷器组6的作业风险，确定水下移动防喷器组的最佳上提深度，上提过程中，隔水管从上往下依次拆卸；

S203、利用声波发射器，实现防喷器组的精确定位，确定井间移动防喷器组的最优路径；

声波发射器利用长基线声学定位原理可确定防喷器组相对于海底井口的坐标，从而明确其水平偏移和轴向偏移；

S204、待防喷器组移动到相邻的另一口井的位置后(如丛式井相邻井的井A22移动到井B 23)，按照无导向绳下入防喷器组过程，完成防喷器组与海底井口的对接作业。

实施例4：

一种无导向绳下入和井间移动防喷器组的高效作业装备的作业方法，如实施例3所述，所不同的是，S202中，位于防喷器组6下部的声波发射器7发射声波，位于永久导向基盘11上部的声波应答器10接收声波，接收信号后立即发射一个反馈信号，位于声波发射器两侧的水听器会接收该反馈信号，通过两个水听器接收信号的时间差，实现防喷器组相对于海底井口的角度偏差和空间坐标等参数的实时测定，从而确定水下移动防喷器组的最佳上提深度。

实施例5：

一种无导向绳下入和井间移动防喷器组的高效作业装备的作业方法，如实施例4所述，所不同的是，防喷器组6相对于海底井口的角度偏差，即声波发射器7相对于声波应答器10的角度偏差为：

所述防喷器组相对于海底井口的三维空间坐标为：

式中，θ_x，θ_y和θ_z分别为声波发射器中心与海底应答器x，y，z三个坐标轴之间的夹角，x、y、z三个坐标是以声波应答器为坐标中心建立坐标轴，垂向为z轴，水平面为x-y坐标面；C为声波在海水中的传播速度，米/秒；Δt₁和Δt₂分别为声波发射器两侧的水听器收到海底应答声学信号的时间偏差，秒；t为声波发射器发射声波到海底应答器接收声波的时间，秒；S₁和S₂分别为声波发射器两侧的水听器与声波发射器中心的距离，米。

实施例6：

一种无导向绳下入和井间移动防喷器组的高效作业装备的作业方法，如实施例5所述，所不同的是，S202中根据丛式井中井间距离和海况条件，通过对水下隔水管和防喷器组进行受力分析，计算水下移动防喷器组的最大深度，确定水下移动防喷器组的最佳上提深度，具体为：

水下移动防喷器组的最大深度为：

式中，H为水下移动防喷器组的最大深度，米；σ_max为深水半潜式钻井平台的张紧装置最大伸缩应力，牛顿，可通过安装在平台上的应力测量仪器测量得到；α为防喷器组在移动过程中隔水管垂向上的角度偏移，度；f₁和f₂分别为水面风浪对平台移动的阻力及水下洋流对隔水管和防喷器系统的阻力，阻力也可通过安装在平台上相应的力学测量仪器实时测量；C_D为隔水管和防喷器组在水下移动的拖曳力系数，无量纲；ρ_w为海水密度，千克/米³；d₁和d₂分别为单根隔水管的直径和防喷器组的宽度，米；h₁和h₂分别为单根隔水管的长度和防喷器组的高度，防喷器组的高度是指从挠性接头到快速连接器的高度，米；V_o为深水半潜式钻井平台移动速度，米/秒。

实施例7：

一种无导向绳下入和井间移动防喷器组的高效作业装备的作业方法，如实施例6所述，所不同的是，S203中，安装于防喷器组下部的声波发射器发射声波，选取丛式井中三个相邻海底井口上部的声波应答器接收声波，如图3中井A22上的声波应答器25、井B 23上的声波应答器26,，以及井C 24上的声波应答器27，通过三个海底应答器接收声波的时间偏差，实现防喷器组空间坐标参数的实时测定；

防喷器组6相对于海底井口的空间坐标：

式中，x₁，x₂和x₃分别为三个相邻海底井口上部声波应答器在x轴上的坐标值；y₁，y₂和y₃分别为三个相邻海底井口上部声波应答器在y轴上的坐标值；z₁，z₂和z₃分别为三个相邻海底井口上部声波应答器在z轴上的坐标值；t₁，t₂和t₃分别为三个相邻海底井口上部声波应答器接收到声波信号的时间，秒，通过公式(4)最终计算得到x、y、z的值即为防喷器组的实时空间坐标。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种无导向绳下入和井间移动防喷器组的高效作业装备，其特征在于，包括平台系统和水下系统；

所述平台系统包括深水半潜式钻井平台、推进器、司钻面板、队长面板、信息控制终端、平台吊机和平台动力定位系统，所述司钻面板、队长面板、信息控制终端、平台吊机和平台动力定位系统均位于深水半潜式钻井平台上，所述深水半潜式钻井平台位于水下浮体上，水下浮体在水中产生的浮力用于悬浮深水半潜式钻井平台，所述推进器也位于水下浮体上，由信息控制终端发出指令到推进器，用于控制深水半潜式钻井平台的整体横向位移；

所述信息控制终端一端分别与司钻面板和队长面板连接，另一端分别与平台吊机和平台动力定位系统连接，信息控制终端用于控制接收水下系统和平台系统监测到的信息并发出相关作业指令；

所述司钻面板通过控制电缆与水下机器人连接，用于接收水下机器人的监测信息；

所述深水半潜式钻井平台与海面之间悬空的作业区域为月池，月池包括月池监测系统，用于监测在下入时防喷器组、隔水管的状态；

所述队长面板与平台月池监测系统连接，用于接收月池中防喷器组和隔水管系统下入的情况；

所述水下系统包括隔水管系统、防喷器组、声波发射器、快速连接器、导管头、海底井口和水下机器人，所述隔水管系统包括升沉补偿装置、隔水管和挠性接头，所述平台吊机与隔水管系统连接，用于控制防喷器组的整体下入；

所述隔水管为多根上下串联，相邻隔水管之间通过螺旋丝扣连接，所述升沉补偿装置的一端连接最上端的隔水管，另一端连接深水半潜式钻井平台，用于补偿作业过程中由于风浪流因素影响引起隔水管系统的横向和纵向位移；

所述挠性接头位于隔水管系统的底部，即最底部隔水管的端部，用于连接最底部的隔水管和防喷器组，所述防喷器组下部依次设置所述声波发射器和快速连接器，声波发射器用于发射超短/长基线定位系统的声波信号，快速连接器用于防喷器组与海底井口对接后的连接固定，声波发射器两侧均设置有水听器；

所述海底井口包括声波应答器、永久导向基盘、井口盘和表层导管，表层导管位于海底浅层，所述井口盘位于海底，用于海底井口的固定，井口盘上部依次连接有永久导向基盘、声波应答器和导管头，所述永久导向基盘用于指引防喷器组的下入，导管头用于连接防喷器组的内管，且连接后导管头与表层导管相连通，声波应答器用于接收声波信号。

2.根据权利要求1所述的无导向绳下入和井间移动防喷器组的高效作业装备，其特征在于，相关作业指令包括通过司钻面板接收水下信息，发出移动平台吊机臂的横向和纵向位移指令，以控制水下防喷器组的位移，进行对接作业。

3.根据权利要求1所述的无导向绳下入和井间移动防喷器组的高效作业装备，其特征在于，所述挠性接头为球形挠性接头。

4.一种权利要求1所述的无导向绳下入和井间移动防喷器组的高效作业装备的作业方法，其特征在于，包括无导向绳下入防喷器组过程，所述无导向绳下入防喷器组过程包括以下步骤：

S100、拆除深水半潜式钻井平台上防喷器组的固定，移动防喷器组进入平台叉车，平台叉车带动防喷器组进入月池；

S101、吊送入工具和隔水管上深水半潜式钻井平台，送入工具位于隔水管的内部，与平台吊机相连，通过挠性接头与防喷器组顶端连接，其中挠性接头的内筒接口与送入工具通过旋转卡槽连接，外筒接口与隔水管单根通过旋转卡槽连接，送入工具为钻柱；

S102、采用平台吊机的吊装方式协同下入防喷器组和隔水管系统，并通过声波发射器利用超短基线声学定位原理，实时确定防喷器组下入深度及偏移情况；

S103、待防喷器组接近海底永久导向基盘后，通过水下机器人联合声波发射器来对防喷器组与海底井口对接过程进行实时监测和精确定位；

S104、利用平台动力定位系统及平台吊机的联动控制防喷器组的纵向和横向位移，平台动力定位系统只负责横向位移，平台吊机可同时负责纵向和横向位移，实现防喷器组与海底井口的精准对接；

通过水下机器人的机械臂锁紧防喷器组与永久导向基盘之间的快速连接器，回旋挠性接头的内筒上的钻柱撤回送入工具，同时将深水半潜式钻井平台上的升沉补偿装置连接隔水管顶端。

5.根据权利要求4所述的无导向绳下入和井间移动防喷器组的高效作业装备的作业方法，其特征在于，S103中，当防喷器组与海底永久导向基盘垂直距离在10米以内，则认定为防喷器组接近海底永久导向基盘。

6.根据权利要求5所述的无导向绳下入和井间移动防喷器组的高效作业装备的作业方法，其特征在于，还包括防喷器组井间移动过程，具体包括以下步骤：

S200、密封钻完后的海底井口，拆除防喷器组与海底井口间的快速连接器；

S201、利用平台吊机上提防喷器组，同时拆卸与平台吊机相连的上部隔水管单根；

S202、根据丛式井中井间距离和海况条件，评估井间移动防喷器组的作业风险，确定水下移动防喷器组的最佳上提深度，上提过程中，隔水管从上往下依次拆卸；

S203、利用声波发射器，实现防喷器组的精确定位，确定井间移动防喷器组的最优路径；

S204、待防喷器组移动到相邻的另一口井的位置后，按照无导向绳下入防喷器组过程，完成防喷器组与海底井口的对接作业。

7.根据权利要求6所述的无导向绳下入和井间移动防喷器组的高效作业装备的作业方法，其特征在于，S202中，位于防喷器组下部的声波发射器发射声波，位于永久导向基盘上部的声波应答器接收声波，接收信号后立即发射一个反馈信号，位于声波发射器两侧的水听器会接收该反馈信号，通过两个水听器接收信号的时间差，实现防喷器组相对于海底井口的角度偏差和空间坐标参数的实时测定，从而确定水下移动防喷器组的最佳上提深度。

8.根据权利要求7所述的无导向绳下入和井间移动防喷器组的高效作业装备的作业方法，其特征在于，所述的防喷器组相对于海底井口的角度偏差，即声波发射器相对于声波应答器的角度偏差为：

所述防喷器组相对于海底井口的三维空间坐标为：

式中，θ_x，θ_y和θ_z分别为声波发射器中心与海底应答器x，y，z三个坐标轴之间的夹角，x、y、z三个坐标是以声波应答器为坐标中心建立坐标轴，垂向为z轴，水平面为x-y坐标面；C为声波在海水中的传播速度，米/秒；Δt₁和Δt₂分别为声波发射器两侧的水听器收到海底应答声学信号的时间偏差，秒；t为声波发射器发射声波到海底应答器接收声波的时间，秒；S₁和S₂分别为声波发射器两侧的水听器与声波发射器中心的距离，米。

9.根据权利要求8所述的无导向绳下入和井间移动防喷器组的高效作业装备的作业方法，其特征在于，S202中根据丛式井中井间距离和海况条件，通过对水下隔水管和防喷器组进行受力分析，计算水下移动防喷器组的最大深度，确定水下移动防喷器组的最佳上提深度，具体为：

水下移动防喷器组的最大深度为：

式中，H为水下移动防喷器组的最大深度，米；σ_max为深水半潜式钻井平台的张紧装置最大伸缩应力，牛顿，可通过安装在平台上的应力测量仪器测量得到；α为防喷器组在移动过程中隔水管垂向上的角度偏移，度；f₁和f₂分别为水面风浪对平台移动的阻力及水下洋流对隔水管和防喷器系统的阻力，阻力也可通过安装在平台上相应的力学测量仪器实时测量；C_D为隔水管和防喷器组在水下移动的拖曳力系数，无量纲；ρ_w为海水密度，千克/米³；d₁和d₂分别为单根隔水管的直径和防喷器组的宽度，米；h₁和h₂分别为单根隔水管的长度和防喷器组的高度，防喷器组的高度是指从挠性接头到快速连接器的高度，米；V_o为深水半潜式钻井平台移动速度，米/秒。

10.根据权利要求9所述的无导向绳下入和井间移动防喷器组的高效作业装备的作业方法，其特征在于，S203中，安装于防喷器组下部的声波发射器发射声波，选取丛式井中三个相邻海底井口上部的声波应答器接收声波，通过三个海底应答器接收声波的时间偏差，实现防喷器组空间坐标参数的实时测定；

所述防喷器组相对于海底井口的空间坐标：

式中，x₁，x₂和x₃分别为三个相邻海底井口上部声波应答器在x轴上的坐标值；y₁，y₂和y₃分别为三个相邻海底井口上部声波应答器在y轴上的坐标值；z₁，z₂和z₃分别为三个相邻海底井口上部声波应答器在z轴上的坐标值；t₁，t₂和t₃分别为三个相邻海底井口上部声波应答器接收到声波信号的时间，秒，通过公式(4)最终计算得到x、y、z的值即为防喷器组的实时空间坐标。

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