CN114961563B - 一种深水海底连续管钻机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种深水海底连续管钻机，包括升降机架，升降机架包括相互套设并通过升降装置连接的上机架和下机架，上机架和下机架围成工作空间，工作空间内安装有水下接卸工具，工作空间随上机架的上下移动分别形成工具接卸的高位大空间状态和钻进过程的低位小空间状态，上机架设置有用于下放和提升井下工具组合的水下连续管系统，下机架设置有井口装置。本发明通过在升降机架内围成工作空间，利用上机架的升降实现工作空间大小的变化，能够在工具接卸时，处在高位大空间状态，保证有足够的接卸空间，在钻进过程中，处在低位小空间状态，保证整机结构的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及海洋钻井设备技术领域，特别是涉及一种深水海底连续管钻机。
背景技术
天然气水合物是石油、天然气战略性替代能源。目前，海域天然气水合物试采均由大型浮式钻井平台(船)实施。大型浮式钻井平台(船)钻井能力远大于海域天然气水合物开采需求，且建造或租赁费用巨大，大幅推高了海域天然气水合物的开采成本，无法实现经济化开采。另外，大型浮式钻井平台(船)还存在钻井效率低、技术难度高和安全性差等问题，制约了海域天然气水合物产业化开发进程。
采用在深水海底进行钻井工作模式的海底钻机，是替代大型钻井平台(船)经济化开发海域天然气水合物的可行方式，但是现有技术中并不存在针对于海洋天然气水合物钻井的海底钻机。例如，授权公告号为CN 102606074 B的中国专利公开了及一种新型海底深孔保压取芯钻机，该方案为满足钻机的钻孔和取芯的要求，在筒形的外框架内设置有较为宽阔的机械手运行空间来进行装配等操作，但由于装配和钻孔(或取芯)的工作状态对内部空间需求并不相同，钻孔(或取芯)时存在结构不紧凑的问题，可能导致结构不稳定。
申请公布号为CN 108868612A的中国专利公开了一种海底深孔钻机，包括相互独立的机架和储管架，该方案通过设置分体的机架和储管架来满足对钻进过程(或取样过程)和更换钻头/钻具的过程对于架体的不同需求，但是，该方案会增加架体的整体结构体积，增大成本，且不利于操作实施。
发明内容
本发明的目的是提供一种深水海底连续管钻机，以解决上述现有技术存在的问题，通过在升降机架内围成工作空间，利用上机架的升降实现工作空间大小的变化，能够在工具接卸时，处在高位大空间状态，保证有足够的接卸空间，在钻进过程中，处在低位小空间状态，保证整机结构的稳定性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种深水海底连续管钻机，包括升降机架，所述升降机架包括相互套设并通过升降装置连接的上机架和下机架，所述上机架和所述下机架围成工作空间，所述工作空间内安装有水下接卸工具，所述工作空间随所述上机架的上下移动分别形成工具接卸的高位大空间状态和钻进过程的低位小空间状态，所述上机架设置有能够下放和提升井下工具组合的水下连续管系统，所述下机架设置有井口装置；工具接卸时，所述升降装置带动所述上机架上移到高位大空间状态，所述井下工具组合脱离所述井口装置；钻进过程中，所述升降装置带动所述上机架下移到低位小空间状态，所述井下工具组合进入所述井口装置内。
优选地，所述升降装置包括起升液压缸和导轨副，所述起升液压缸的两端分别连接在所述上机架的顶部和所述下机架的底部，所述导轨副包括安装在所述下机架的竖向导轨和安装在所述上机架的滑块。
优选地，所述井口装置包括位于所述下机架底部中部的基座，所述基座的上部从下到上顺次安装有水泥头和防喷器，所述基座的下部安装有基础导管。
优选地，所述水下连续管系统包括安装在所述上机架的滚筒和缠绕在所述滚筒上的敷缆连续管，所述敷缆连续管的自由端用于连接所述井下工具组合；还包括安装在所述上机架的起升装置以及安装在所述起升装置上的水下重载注入头。
优选地，所述井下工具组合包括顺次连接的钻井工具串和永磁电动钻具，所述钻井工具串与所述敷缆连续管连接，所述永磁电动钻具包括钻井永磁电机和钻头，所述钻井永磁电机和所述钻头之间设置有电测工具。
优选地，所述水下接卸工具包括安装在所述下机架内侧中部的水下机械手和安装在所述下机架底部的水下铁钻工，还包括水下卡瓦，所述水下卡瓦包括上卡瓦和下卡瓦，所述上卡瓦安装在所述水下重载注入头下端，所述下卡瓦安装在所述防喷器上端。
优选地，所述水下机械手的两侧设置有工具架，所述工具架固定连接在所述下机架内。
优选地，包括用于承载所述升降机架的防沉底座，所述下机架的底部设置有螺旋桩，所述防沉底座开设有对应于所述螺旋桩和所述井口装置的通孔。
优选地，包括水下液压站，所述水下液压站设于所述下机架的底部。
优选地，包括海底装置和水面装置，所述海底装置包括所述升降机架及其所承载安装的设备，所述水面装置包括安装在辅助船上的控制中心，所述海底装置与所述水面装置之间通过管缆系统连接，所述管缆系统包括脐带缆、吊缆、钻井液软管以及水泥软管。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
(1)本发明通过在升降机架内围成工作空间，利用上机架的升降，在工具接卸时，处在高位大空间状态，保证有足够的接卸空间，在钻进过程中，处在低位小空间状态，保证整机结构的稳定性；
(2)本发明通过在升降机架内设置工作空间，将水下接卸工具安装在工作空间内，并配合设置有水下机械手和工具架，具有深水钻井、地质取芯、井下原位地层数据实时采集等多种功能，可整体吊装，能够实现深水海底“一趟钻”式连续管钻井工艺，可显著降低深水钻井成本，使得钻井能力与海域天然气水合物开采需求相匹配，适用于海域天然气水合物经济化开发工程钻井；
(3)本发明将海底装置与水面装置通过管缆系统连接，将海底装置的升降机架及其附属设备与水面装置的辅助船和控制中心连接，能够实现在辅助船上进行远程控制，进行深水水下无人操作，降低了工作人员的工作强度，有效提高钻机的安全性；
(4)本发明采用永磁电动钻具作为井下动力钻具，可通过敷缆连续管对钻具进行动力和信号的传输，便于控制中心和井下信息实时互传，能够提高钻井效率和井眼轨迹精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明升降机架处于高位大空间状态下的结构示意图；
图3为本发明升降机架处于低位小空间状态下的正视结构示意图；
图4为图2中A处放大结构示意图；
图5为本发明防沉底座通孔设置位置示意图；
图6为本发明井下工具组合的结构示意图；
其中，1、控制中心；2、管缆系统；21、脐带缆；22、吊缆；23、钻井液软管；24、水泥软管；3、海底装置；31、升降机架；311、上机架；312、下机架；313、起升液压缸；32、水下连续管系统；321、滚筒；322、敷缆连续管；323、滚筒导轨；324、起升装置；325、水下重载注入头；33、水下接卸工具；331、水下机械手；332、水下铁钻工；333、水下卡瓦；3331、上卡瓦；3332、下卡瓦；34、工具架；35、水下液压站；36、井口装置；361、基座；362、水泥头；363、防喷器；364、基础导管；37、螺旋桩；4、井下工具组合；41、钻井工具串；42、永磁电动钻具；421、钻井永磁电机；422、钻头；43、电测工具；5、防沉底座；6、辅助船。
具体实施方式
本发明的目的是提供一种深水海底连续管钻机，以解决现有技术存在的问题，通过在升降机架内围成工作空间，利用上机架的升降，在工具接卸时，处在高位大空间状态，保证有足够的接卸空间，在钻进过程中，处在低位小空间状态，保证整机结构的稳定性。
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
如图1～6所示，本发明提供一种深水海底连续管钻机，包括沉入海底的海底装置3，海底装置3包括升降机架31，升降机架31包括相互套设并通过升降装置连接的上机架311和下机架312，二者均可以采用框架式结构形成不同的内部空间，内部空间连通围成工作空间，在升降装置的带动下，形成可变大小的工作空间。工作空间内安装有水下接卸工具33。工作空间随上机架311的上下移动分别形成高位大空间状态和低位小空间状态。上机架311设置有用于下放和提升井下工具组合4的水下连续管系统32，下机架312设置有井口装置36。工具接卸时，升降装置带动上机架311上移到高位大空间状态，井下工具组合4能够脱离井口装置36，此时，具有水下接卸工具33的操作空间，便于对井下工具组合4进行连接和拆卸。钻进过程中，升降装置带动上机架311下移到低位小空间状态，井下工具组合4进入井口装置36内，此时，由于升降机架31的收缩，能够具有更稳定的整机结构，提高海底工作的安全性。
如图2～3所示，升降装置可以包括起升液压缸313和导轨副，起升液压缸313可以在升降机架31的边角处设置，当升降机架31为矩形框架结构时，起升液压缸313设置有四组，每组起升液压缸313的两端分别连接在上机架311的顶部和下机架312的底部。在起升液压缸313的驱动作用下，上机架311进行升降。导轨副可以包括安装在下机架312的竖向导轨和安装在上机架311的滑块，通过滑块在竖向导轨上移动实现对上机架311升降的导向和限位。
如图2～3所示，井口装置36包括安装在下机架312底部中部的基座361，基座361用于安装井控设备和井口设备，例如，基座361的上部从下到上顺次安装有水泥头362和防喷器363，基座361的下部安装有基础导管364。
如图2～3所示，水下连续管系统32包括安装在上机架311的滚筒321和缠绕在滚筒321上的敷缆连续管322，敷缆连续管322通过滚筒321的转动进行收放。敷缆连续管322的自由端用于连接井下工具组合4，用于向永磁电动钻具42、电测工具43等传输动力电、控制信号以及向井下输送钻井液。在敷缆连续管322收放时能够实现井下工具组合4的下沉和提升。滚筒321滑动连接在滚筒导轨323上，滚筒导轨323固定在上机架311顶部上方，并与滚筒321的轴向平行，在敷缆连续管322起、下井作业过程中，通过控制滚筒321在滚筒导轨323上的动态移位，可以实现滚筒321自动排管。敷缆连续管322在设计时，可以将电缆内嵌于管体的管壁中，解决作业过程中电缆外置带来的的磕碰、腐蚀等问题，避免电缆从敷缆连续管322的管内直接穿过带来的电缆外皮容易破损的问题。还包括安装在上机架311顶部下方的起升装置324以及安装在起升装置324上的水下重载注入头325，在起升装置324的作用下，能够实现水下重载注入头325的起升和下降。滚筒321、滚筒导轨323、起升装置324、水下重载注入头325等设备，均经过耐压密封、压力补偿设计，能够适用于深水水下作业。
结合图6所示，井下工具组合4包括顺次连接的钻井工具串41和永磁电动钻具42，钻井工具串41主要由连接器、非旋转接头、提升短节、丢手、转换接头、单向阀等工具组成，其上端与敷缆连续管322连接，下端与永磁电动钻具42连接。永磁电动钻具42为钻进、取芯作业提供动力，包括钻井永磁电机421和钻头422，二者之间设置有电测工具43，实现在钻井过程中进行原位地层数据实时测量。
如图2～3所示，水下接卸工具33包括安装在下机架312内侧中部的水下机械手331和安装在下机架312底部的水下铁钻工332，水下机械手331用于抓取套管及井下工具，水下铁钻工332用于下入套管、接卸工具时上卸扣。还包括在下入套管、接卸工具时起固定作用的水下卡瓦333，水下卡瓦333包括上卡瓦3331和下卡瓦3332，上卡瓦3331安装在水下重载注入头325下端，下卡瓦3332安装在井口装置36的防喷器363上端。
如图2～3所示，在下机架312内、水下机械手331的两侧设置有用于放置套管和井下工具的工具架34，便于水下机械手331对套管和井下工具进行抓取、放置。
如图2、3、5所示，包括用于承载升降机架31的防沉底座5，可以在下机架312的底部各边角处设置有螺旋桩37，例如设置有四组。防沉底座5用于承担水下设备的荷载并传递至海床，作为海底装置3的安装基础预先下入至海底。防沉底座5开设有对应于螺旋桩37和井口装置36的通孔，在海底装置3坐底时，井口装置36和螺旋桩37能够从相应孔中穿过，螺旋桩37用于海底装置3坐底后旋入海床，对升降机架31进行固定和调平。
如图2～3所示，包括水下液压站35，水下液压站35设于下机架312的底部，用于为海底装置3各液压动力装置提供源动力。
如图1所示，水面装置包括设置在辅助船6上的控制中心1等，海底装置3与水面装置(控制中心1及辅助船6上的其他设备)之间通过管缆系统2连接，管缆系统2包括脐带缆21、吊缆22、钻井液软管23以及水泥软管24。脐带缆21一端与控制中心1连接，另一端与海底装置3相连，以便从辅助船6上向海底装置3提供动力电和控制信号。吊缆22一端与辅助船6上的吊放装置相连，另一端与升降机架31连接，辅助船6通过吊缆22下放和回收海底装置3。钻井液软管23一端与辅助船6上的泥浆系统相连，另一端与敷缆连续管322连接，钻井液依次流经钻井液软管23、敷缆连续管322和井下工具组合4到达井下。水泥软管24一端与辅助船6上的水泥系统相连，另一端与水泥头362连接，水泥系统通过水泥软管24向套管和井筒之间输送固井水泥。
本发明的具体作业过程如下：
辅助船6装载控制中心1、管缆系统2、海底装置3、井下工具组合4和防沉底座5并运送至指定海域。
将控制中心1安装在辅助船6上，将水下连续管系统32、水下接卸工具33、工具架34、水下液压站35、井口装置36、螺旋桩37等设备安装在升降机架31上，完成脐带缆21、钻井液软管23、水泥软管24及设备间管线连接，完成井下工具组合4各部件连接。将敷缆连续管322导入水下重载注入头325并从水下重载注入头325下端穿出，在其端部连接井下工具组合4。完成设备的连接与组装后，在辅助船6上进行设备运转测试。
通过吊放装置将防沉底座5下放至海底预设井位区域。
海底装置3下水之前，升降机架31处于低位小空间状态，井下工具组合4伸入至基础导管364内。吊放装置通过吊缆22下放海底装置3，脐带缆21、钻井液软管23、水泥软管24跟随下放。基础导管364下放至接近海床泥线时，进行喷射下导管作业。基础导管364利用海底装置3的自身重量钻入地层中，同时辅助船6上的泥浆系统输送钻井液提供水力冲洗，钻井永磁电机421驱动钻头422转动，钻井液将岩屑从基础导管364和井下工具组合4的环形空间返出井口并排放至海里。喷射下导管作业的同时，海底装置3缓慢下放，直至升降机架31坐落至预先下放的防沉底座5上。升降机架31坐底完成后，启动螺旋桩37对升降机架31进行调平固定。
控制水下连续管系统32、永磁电动钻具42，在升降机架31处于低位小空间状态下进行连续钻井作业。辅助船6上的泥浆系统通过钻井液软管23和敷缆连续管322向井下输送海水作为钻井液，钻井液携带岩屑返回至井口排放至海床。在钻井过程中，通过电测工具43进行原位地层数据实时测量。
钻进至指定深度后，水下连续管系统32提升井下工具组合4至井口装置36上方，同时，升降机架31起升至高位大空间状态。控制上卡瓦3331卡持住井下工具组合4上端，控制水下铁钻工332进行电测工具43和钻井永磁电机421间卸扣。卸扣完毕后，水下机械手331抓取连有钻头422的电测工具43并放置在工具架34上。接着，水下机械手331抓取预先置于工具架34上的取芯工具，送至钻井永磁电机421下方，由水下铁钻工332进行上扣连接。取芯工具安装完毕后，上卡瓦3331松开，升降机架31下降至低位小空间状态，水下连续管系统32将取芯工具送至井底，进行地质取芯作业。取芯作业完成后，按照以上步骤将取芯工具更换为连有钻头422的电测工具43，继续进行钻井作业。
钻井作业完成后，水下连续管系统32提升敷缆连续管322和井下工具组合4的连接处至井口装置36上方，同时，升降机架31起升至高位大空间状态。控制下卡瓦3332卡持住井下工具组合4，控制水下铁钻工332进行敷缆连续管322和井下工具组合4间卸扣。水下机械手331抓取井下工具组合4，下卡瓦3332松开，水下机械手331将井下工具组合4放置在工具架34上。接着，水下机械手331抓取预先置于工具架34上的套管，送至水下重载注入头325下方，控制上卡瓦3331卡持住套管上端。控制起升装置324下降水下重载注入头325，将套管送入至井口装置36。下卡瓦3332卡持住套管，上卡瓦3331松开，起升装置324起升水下重载注入头325至顶端。水下机械手331抓取下一节套管，送至上一节套管上方，控制水下铁钻工332对两节套管进行上扣连接。连接完毕后，控制上卡瓦3331卡持住第二节套管上端，下卡瓦3332松开，起升装置324下降水下重载注入头325，将第二节套管送入至井口装置36。重复以上步骤，进行接根下套管作业。
下套管作业完成后，升降机架31下降至低位小空间状态，辅助船6上的水泥系统通过水泥软管24向套管和井筒之间泵入水泥进行固井作业。
固井作业完成后，旋出螺旋桩37，吊放装置通过吊缆22回收海底装置3至辅助船6。
以上对本发明的原理及实施方式进行了阐述，只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种深水海底连续管钻机，其特征在于：包括升降机架，所述升降机架包括相互套设并通过升降装置连接的上机架和下机架，所述上机架和所述下机架围成工作空间，所述工作空间内安装有水下接卸工具，所述水下接卸工具包括安装在所述下机架内侧中部的水下机械手和安装在所述下机架底部的水下铁钻工，所述水下机械手的两侧设置有工具架，所述工具架固定连接在所述下机架内，所述工作空间随所述上机架的上下移动分别形成工具接卸的高位大空间状态和钻进过程的低位小空间状态，所述上机架设置有能够下放和提升井下工具组合的水下连续管系统，所述下机架设置有井口装置；工具接卸时，所述升降装置带动所述上机架上移到高位大空间状态，所述井下工具组合脱离所述井口装置；钻进过程中，所述升降装置带动所述上机架下移到低位小空间状态，所述井下工具组合进入所述井口装置内。
2.根据权利要求1所述的深水海底连续管钻机，其特征在于：所述升降装置包括起升液压缸和导轨副，所述起升液压缸的两端分别连接在所述上机架的顶部和所述下机架的底部，所述导轨副包括安装在所述下机架的竖向导轨和安装在所述上机架的滑块。
3.根据权利要求1或2所述的深水海底连续管钻机，其特征在于：所述井口装置包括位于所述下机架底部中部的基座，所述基座的上部从下到上顺次安装有水泥头和防喷器，所述基座的下部安装有基础导管。
4.根据权利要求3所述的深水海底连续管钻机，其特征在于：所述水下连续管系统包括安装在所述上机架的滚筒和缠绕在所述滚筒上的敷缆连续管，所述敷缆连续管的自由端用于连接所述井下工具组合；还包括安装在所述上机架的起升装置以及安装在所述起升装置上的水下重载注入头。
5.根据权利要求4所述的深水海底连续管钻机，其特征在于：所述井下工具组合包括顺次连接的钻井工具串和永磁电动钻具，所述钻井工具串与所述敷缆连续管连接，所述永磁电动钻具包括钻井永磁电机和钻头，所述钻井永磁电机和所述钻头之间设置有电测工具。
6.根据权利要求4所述的深水海底连续管钻机，其特征在于：所述水下接卸工具还包括水下卡瓦，所述水下卡瓦包括上卡瓦和下卡瓦，所述上卡瓦安装在所述水下重载注入头下端，所述下卡瓦安装在所述防喷器上端。
7.根据权利要求3所述的深水海底连续管钻机，其特征在于：包括用于承载所述升降机架的防沉底座，所述下机架的底部设置有螺旋桩，所述防沉底座开设有对应于所述螺旋桩和所述井口装置的通孔。
8.根据权利要求3所述的深水海底连续管钻机，其特征在于：包括水下液压站，所述水下液压站设于所述下机架的底部。
9.根据权利要求3所述的深水海底连续管钻机，其特征在于：包括海底装置和水面装置，所述海底装置包括所述升降机架及其所承载安装的设备，所述水面装置包括安装在辅助船上的控制中心，所述海底装置与所述水面装置之间通过管缆系统连接，所述管缆系统包括脐带缆、吊缆、钻井液软管以及水泥软管。
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