CN115142814B - 预造斜吸力锚导管装置、该装置的使用方法及钻井设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种预造斜吸力锚导管装置、该装置的使用方法及钻井设备，该装置包括锚体，所述锚体呈直筒状且其一端具有封闭端部的端板，所述端板上具有钻进口与用于连接水泵的泵法兰；造斜导管，所述造斜导管为设置在所述锚体内部的弯管，所述造斜导管一端的管口部连接于所述端板并对应所述钻进口，所述造斜导管与所述端板的连接处保持密封；其中，沿所述造斜导管的轴线且远离所述端板的方向，所述造斜导管的轴线的切线与所述锚体的轴线之间的夹角逐渐增大。基于本发明的技术方案，造斜导管具有预先设置的斜度，利于对于水平井的钻进，同时造斜导管底部预造斜角度可以在15°之内调整，造斜段狗腿度降低至6°/30米，大大降低了造斜难度。

Description

预造斜吸力锚导管装置、该装置的使用方法及钻井设备

技术领域

本发明涉及海洋钻井技术领域，特别地涉及一种预造斜吸力锚导管装置、该装置的使用方法及钻井设备。

背景技术

深海天然气水合物作为一种储量巨大的清洁能源，越来越得到重视，但是天然气水合物开发难度大、产量低，难以满足商业开发的需要。利用水平井开发可以有效提高天然气水合物的产量，但是天然气水合物储层一般埋深较浅，水平井钻井过程中造斜率要求高、造斜难度大、狗腿度高，因而制约了深海天然气水合物的水平井开发。

现有技术中也有对深海天然气水合物水平井开发作出实践的案例，论文《Multi-Well Exploration Program in 2004 for Natural Hydrate in the Nankai-TroughOffshore Japan》介绍了日本在2004年所钻的32口深海天然气水合物井的情况，其中一口井采用了水平井钻井技术，是世界上第一口天然气水合物水平井。该井水深991米，水合物埋藏深度位于泥线以下300-350米，井深1563米，采用常规深海水平井钻井技术，下入导管并在泥线以下20米开始造斜，水平段长100米。因造斜难度大，耗时8.5天，较直井增加近3倍的时间。

吸力锚是一种海洋工程领域中广泛应用的技术，在海洋工程领域中应用的吸力锚，其多采用上端封闭、下端开口的钢制桶形结构，锚筒顶盖留有抽水孔以连接抽水管路。施工阶段吸力锚首先在自重作用下沉入海底一定深度，形成了锚筒内水的封闭状态，然后借助于设备在顶部的泵系统向外抽吸锚筒内的水，使同一时间内抽出的水量大于从底部渗入的水量，在封闭的桶体内形成负压。当筒内外负压差足够大，以至于产生的向下的推力能够克服下沉阻力时，锚体就不断被压入土中，直到达到预定的深度。吸力锚便于安装和运输、不受海上施工空间限制、材料和制造成本低廉、对于不同的海洋土质具有广泛的适用性。这项技术在海洋工程领域，如船只系泊、浮筒定位、存储设施、海洋钻井等领域都具有广泛的应用前景。

现有技术中的吸力锚仅仅运用在海洋油气钻井生产装置的锚泊固定方面，而在基于吸力锚技术来解决深海天然气水合物水平井开发问题的方面，现有技术中则没有相关的研究。

发明内容

针对上述现有技术中的问题，本申请提出了一种预造斜吸力锚导管装置、该装置的使用方法及钻井设备，该吸力锚导管装置主要由造斜导管与锚体组成，造斜导管具有预先设置的斜度，利于对于水平井的钻进，同时造斜导管底部预造斜角度可以在15°之内调整，造斜段狗腿度降低至6°/30米，大大降低了造斜难度。

第一方面，本发明提出了一种预造斜吸力锚导管装置，包括：

锚体，所述锚体呈直筒状且其一端具有封闭端部的端板，所述端板上具有钻进口与用于连接水泵的泵法兰；

造斜导管，所述造斜导管为设置在所述锚体内部的弯管，所述造斜导管一端的管口部连接于所述端板并对应所述钻进口，所述造斜导管与所述端板的连接处保持密封；

其中，沿所述造斜导管的轴线且远离所述端板的方向，所述造斜导管的轴线的切线与所述锚体的轴线之间的夹角逐渐增大。

在一个实施方式中，所述造斜导管为双层套管结构，其包括内层导管与外层引管。

在一个实施方式中，所述内层导管与所述外层引管之间的空间内设置有至少一个扶正器，所述扶正器用于保持所述内层导管与所述外层引管在径向上的相对位置的固定。

在一个实施方式中，所述内层导管与所述外层引管之间的空间内还具有水泥层，所述水泥层由注入的水泥凝固而成。

在一个实施方式中，所述锚体与所述造斜导管之间的空间中还设置有多个固定装置，所述固定装置的两端分别连接所述锚体内壁与所述造斜导管外壁。

在一个实施方式中，所述端板外表面上还设置有多个吊装部，所述吊装部用于连接缆绳。

在一个实施方式中，所述造斜导管的轴线的切线与所述锚体的轴线之间的夹角的最大值不大于15°。

在一个实施方式中，所述锚体的长度为10-15m、外径为5m。

第二方面，本发明提出了一种钻井设备，其包括上述的预造斜吸力锚导管装置，其还包括造斜钻具，所述造斜钻具能够由所述吸力锚导管装置中锚体的钻进口进入造斜导管内，并沿所述造斜导管钻进以钻出井眼的造斜段。

第三方面，本发明提出了一种使用上述的预造斜吸力锚导管装置的方法，包括以下步骤：

S1、利用工程船将所述吸力锚导管装置运至海上既定井位的上方，所述吸力锚导管装置中的锚体的泵法兰通过管路连接水泵；

S2、将所述吸力锚导管装置以所述锚体呈竖直的状态下放至既定井位对应的海底，所述吸力锚导管装置在重力作用下贯入海底一定深度；

S3、打开所述泵法兰，通过所述水泵排出所述锚体内部的海水，所述吸力锚导管装置在内外压力差的作用下继续贯入海底至预定深度；

S4、将所述吸力锚导管装置静置24h，以恢复海底土层的粘聚力。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。

本发明提供的一种预造斜吸力锚导管装置、该装置的使用方法及钻井设备，与现有技术相比，至少具备有以下有益效果：

本发明的一种预造斜吸力锚导管装置、该装置的使用方法及钻井设备，该吸力锚导管装置主要由造斜导管与锚体组成。吸力锚导管结构长10-15米、外径5米，相比于常规导管，长度大大缩短，减少了入靶前垂深的消耗，同时该吸力锚导管底部预造斜角度可以在15°之内调整，造斜段狗腿度降低至6°/30米，大大降低了造斜难度，可以满足南海200-300米超浅埋深的天然气水合物水平井钻井造斜率的需求。在保证造斜率的同时，该吸力锚导管结构承载力达到420-700吨，有效避免钻完井以及试采过程中井口下沉和井口倾覆的风险。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1显示了本发明的吸力锚导管装置的结构示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

附图标记：

10-锚体，11端板，111-钻进口，112-泵法兰，113-吊装部，20-造斜导管，21-内层导管，22-外层引管，23-水泥层，30-扶正器，40-固定装置。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

天然气水合物又称为可燃冰，是一类笼形晶体化合物，外观像雪或松散的冰，遇火可燃烧。作为接替能源，天然气水合物在全球资源储量非常丰富，相当于全球已经探明的煤炭、石油、天然气等常规化石能源碳总量的两倍，其中90％分布在海域，1方天然气水合物在常温常压下可分解为164m³天然气、0.8m³水，是一种高效清洁能源。

我国海域天然气水合物储量约为800亿吨油气当量，主要分布在南海神狐海域，埋藏在海底泥线以下200-300米。2017年我国在南海连续试采60天，累计产气量超过30万方，最高日产量3.5万方；2019年进行第二次试采，1个月产气总量86.1万方、日均产气量2.87万方，是第一轮总量的2.8倍。

目前，全球范围内天然气水合物大多采用直井开发，产量低，难以商业化开采，为了提高天然气水合物单井产量，利用水平井开发是未来的趋势。但水合物储层埋深浅、地层疏松、造斜率要求高，制约了利用水平井开发天然气水合物。本发明进而提出了一种预造斜吸力锚导管装置，通过预制带有一定倾斜度的导管，利用锚体自重和锚体内外液压差将导管贯入海底土中，实现导管段提前造斜，降低后续定向钻井过程中的造斜难度。

实施例1

本实施例主要从结构上对吸力锚导管装置进行阐述。

本发明的一种预造斜吸力锚导管装置，包括：

锚体10，锚体10呈直筒状，长度为10-15m、外径为5m，其一端具有封闭端部的端板11，端板11上具有钻进口111与用于连接水泵的泵法兰112，端板11外表面上还设置有多个吊装部113，吊装部113用于连接缆绳；

造斜导管20，造斜导管20为设置在锚体10内部的弯管，造斜导管20一端的管口部连接于端板11并对应钻进口111，造斜导管20与端板11的连接处保持密封；

其中，沿造斜导管20的轴线且远离端板11的方向，造斜导管20的轴线的切线与锚体10的轴线之间的夹角逐渐增大，造斜导管20的轴线的切线与锚体10的轴线之间的夹角的最大值不大于15°；

锚体10与造斜导管20之间的空间中还设置由多个固定装置40，固定装置40的两端分别连接锚体10内壁与造斜导管20外壁。

具体地，导管也称作表层套管，是整个油气井建造过程中安装的第一层套管，它为所有的套管、海底采油树以及防喷器组提供结构支撑，目前海上钻井导管安装常采用喷射法，导管长度在70～80米左右，导管必须垂直安装。对于埋深较浅的天然气水合物，导管喷射法对后续造斜段制造了相当大的难度，需要配合造斜能力极强的造斜工具，狗腿度可能达到20°/30米，影响后期套管下入固井施工或后期完井管柱下入的安全施工。为解决这一问题，本实施例提出了一种预造斜式导管，将导管预制在一个锚体10中，在锚体10自重和锚体10内外液压差作用下将导管贯入海底土中。

如附图图1所示，本实施例中，吸力锚导管装置主要包括锚体10与造斜导管20两个部分，锚体10的长度为10-15m、外径为5m，造斜导管20的长度与锚体10哦长度相当。其中，锚体10整体为一端封闭的直筒结构，封闭的一端具有端板11，端板11上开设有钻进口111。造斜导管20为弯曲的管道，整体呈圆弧状，其一端的管口部连接在端板11上的钻进口111处，其管口正对并连通钻进口111，并且造斜导管20管口与钻进口111口沿的连接处沿周向保持密封。进而，锚体10的一端实际上是由端板11与造斜导管20的管口部共同实现封闭。端板11上还设置有能够启闭的泵法兰112，泵法兰112能够连通锚体10内部空间。锚体10内部空间还设置有多个固定装置40连接锚体10内壁与造斜导管20的外壁，提高二者之间的稳定性，多个固定装置40沿锚体10的轴向均布。

进一步地，沿造斜导管20的轴线且远离端板11的方向，造斜导管20的轴线的切线与锚体10的轴线之间的夹角逐渐增大。如附图图1所示，造斜导管20与锚体10的端板11连接的管口部可以是基本垂直于端板11的，造斜导管20的轴线在此处基本与锚体10的轴线平行，沿远离端板11的方向，造斜导管20的轴线相对锚体10的轴线逐渐偏移，二者之间的夹角逐渐增大，因此实现造斜。造斜导管20的轴线的切线与锚体10的轴线之间的夹角的最大值不大于15°，避免造斜的角度过大不利于钻具沿造斜导管20的钻进。

使用时，以锚体10竖直的状态(附图图1所示状态)，将吸力锚导管装置放置海底的海床上，此时锚体10封闭一端(设置有端板11的一端)朝上、敞口一端朝下。按预定尺寸制作的吸力锚导管装置，其自重在100吨左右，在重力作用下，锚体10贯入海床至一定深度，此时锚体10内部具有一定量的海水且相对封闭。而后打开泵法兰112，通过水泵将锚体10内部的海水排出，锚体10内部形成负压并具有内外的压力差，在压力差的作用下，锚体10继续贯入海床至预定深度。最后，静置吸力锚导管装置24h，而后钻具可以沿吸力锚导管装置中的造斜导管20进行造斜钻进。

本发明的预造斜吸力锚导管装置，其吸力锚导管装置长10-15米、外径5米，相比于常规导管，长度大大缩短，减少了入靶前垂深的消耗，同时该吸力锚导管底部预造斜角度可以在15°之内调整，造斜段狗腿度降低至6°/30米，大大降低了造斜难度，可以满足南海200-300米超浅埋深的天然气水合物水平井钻井造斜率的需求。在保证造斜率的同时，该吸力锚导管装置承载力达到420-700吨，有效避免钻完井以及试采过程中井口下沉和井口倾覆的风险。

实施例2

本实施例主要从结构上对吸力锚导管装置进行进一步地阐述。

本发明的一种预造斜吸力锚导管装置，包括：

锚体10，锚体10呈直筒状，长度为10-15m、外径为5m，其一端具有封闭端部的端板11，端板11上具有钻进口111与用于连接水泵的泵法兰112，端板11外表面上还设置有多个吊装部113，吊装部113用于连接缆绳；

造斜导管20，造斜导管20为设置在锚体10内部的弯管，造斜导管20一端的管口部连接于端板11并对应钻进口111，造斜导管20与端板11的连接处保持密封；

其中，沿造斜导管20的轴线且远离端板11的方向，造斜导管20的轴线的切线与锚体10的轴线之间的夹角逐渐增大，造斜导管20的轴线的切线与锚体10的轴线之间的夹角的最大值不大于15°；

锚体10与造斜导管20之间的空间中还设置由多个固定装置40，固定装置40的两端分别连接锚体10内壁与造斜导管20外壁；

造斜导管20为双层套管结构，其包括内层导管21与外层引管22，内层导管21与外层引管22之间的空间内设置有至少一个扶正器30，扶正器30用于保持内层导管21与外层引管22在径向上的相对位置的固定，内层导管21与外层引管22之间的空间内还具有水泥层23，水泥层23由注入的水泥凝固而成。

具体地，导管也称作表层套管，是整个油气井建造过程中安装的第一层套管，它为所有的套管、海底采油树以及防喷器组提供结构支撑，目前海上钻井导管安装常采用喷射法，导管长度在70～80米左右，导管必须垂直安装。对于埋深较浅的天然气水合物，导管喷射法对后续造斜段制造了相当大的难度，需要配合造斜能力极强的造斜工具，狗腿度可能达到20°/30米，影响后期套管下入固井施工或后期完井管柱下入的安全施工。为解决这一问题，本实施例提出了一种预造斜式导管，将导管预制在一个锚体10中，在锚体10自重和锚体10内外液压差作用下将导管贯入海底土中。

如附图图1所示，本实施例中，吸力锚导管装置主要包括锚体10与造斜导管20两个部分，锚体10的长度为10-15m、外径为5m，造斜导管20的长度与锚体10哦长度相当。其中，锚体10整体为一端封闭的直筒结构，封闭的一端具有端板11，端板11上开设有钻进口111。造斜导管20为弯曲的管道，整体呈圆弧状，其一端的管口部连接在端板11上的钻进口111处，其管口正对并连通钻进口111，并且造斜导管20管口与钻进口111口沿的连接处沿周向保持密封。进而，锚体10的一端实际上是由端板11与造斜导管20的管口部共同实现封闭。端板11上还设置有能够启闭的泵法兰112，泵法兰112能够连通锚体10内部空间。锚体10内部空间还设置有多个固定装置40连接锚体10内壁与造斜导管20的外壁，提高二者之间的稳定性，多个固定装置40沿锚体10的轴向均布。

进一步地，沿造斜导管20的轴线且远离端板11的方向，造斜导管20的轴线的切线与锚体10的轴线之间的夹角逐渐增大。如附图图1所示，造斜导管20与锚体10的端板11连接的管口部可以是基本垂直于端板11的，造斜导管20的轴线在此处基本与锚体10的轴线平行，沿远离端板11的方向，造斜导管20的轴线相对锚体10的轴线逐渐偏移，二者之间的夹角逐渐增大，因此实现造斜。造斜导管20的轴线的切线与锚体10的轴线之间的夹角的最大值不大于15°，避免造斜的角度过大不利于钻具沿造斜导管20的钻进。

进一步的，本实施例中，造斜导管20采用双层套管结构，包括内层导管21与外层引管22。双层结构的造斜导管20。能够提高使用过程中的稳定性；同时，在内层导管21与外层引管22之间的空间中灌注水泥形成水泥层23(水泥环)，能够进一步提高结构的稳定性。而扶正器30是为了在制造与使用过程中保持内层导管21与外层引管22之间的相对固定，避免偏移造成造斜导管20整体的倾斜度发生变化。

实施例3

本发明的一种钻井设备，其包括上述实施例的预造斜吸力锚导管装置，其还包括造斜钻具，造斜钻具能够由吸力锚导管装置中锚体10的钻进口111进入造斜导管20内，并沿造斜导管20钻进以钻出井眼的造斜段。

具体地，在实际应用时，将预造斜吸力锚导管装置安装至海底后，将造斜钻具由吸力锚导管装置中锚体10的钻进口111放入造斜导管20内，造斜钻具沿造斜导管20钻井，进而可以按照造斜导管20的倾斜度钻出预定斜度的造斜段。

实施例4

本发明的一种使用上述预造斜吸力锚导管装置的方法，包括以下步骤：

S1、利用工程船将吸力锚导管装置运至海上既定井位的上方，吸力锚导管装置中的锚体10的泵法兰112通过管路连接水泵；

具体地，该吸力锚导管装置在工厂定制加工，体积较小，可以通过工程船托运至既定井位，并利用绳锁连接吊装部113，吊装进入海面。借助ROV(海底远程操纵潜水器)观测海底倾斜度，避免倾斜度大于3°的海底；时刻监测海上天气变化，避免极端天气，洋流速度大于0.5m/s时停止作业。

S2、将吸力锚导管装置以锚体10呈竖直的状态下放至既定井位对应的海底，吸力锚导管装置在重力作用下贯入海底一定深度；

具体地，在锚体10顶部安装圆形水准器，吊入过程中利用ROV时刻监测水准器的变化，保持工程船稳定，控制吊入速度不大于5m/min。重力贯入阶段，保持锚体10的竖直状态，如果锚体10的倾斜度大于1°，将吸力锚导管装置部分提出海底，利用自重调整倾斜度；如果自重无法调整倾斜度，可反向移动工程船一定距离，调整倾斜度，重新贯入。

S3、打开泵法兰112，通过水泵排出锚体10内部的海水，吸力锚导管装置在内外压力差的作用下继续贯入海底至预定深度；

具体地，吸力贯入阶段，保持恒定排量排出锚体10内的海水，利用ROV观察吸力锚导管装置高低边，保证高低边相差不高于50cm；如果高低边相差过大，则发生倾斜，需提出并重新贯入。

S4、将吸力锚导管装置静置24h，以恢复海底土层的粘聚力。

具体地，贯入过程中，锚体10结构周围海底土层会受到一定程度的破坏，安装完成后，为保证吸力锚导管装置的承载力和井口稳定性，静置24小时以恢复周围海底土层的粘聚力。

实施例5

本实施例结合吸力锚导管装置的制造过程对其的使用进行进一步阐述。

1)在工厂加工10米长、5米外径吸力锚体10，将预先弯曲15°的内层导管21与外层引管22焊接在锚体10的端板11上，整个内层导管21与外层引管22成为一体，整体承载力为420吨，造斜段狗腿度降至6°/30米。

2)在内层导管21与外层引管22之间的环形空间内安装扶正器30，保证内层导管21倾斜度不发生变化。在内层导管21与外层引管22中间注入水泥浆，侯凝，形成水泥环，提高结构稳定性。

3)、固定成一体的内层导管21、外层引管22和水泥环形成造型造斜导管20，将造斜导管20整体安装在锚体10的空腔内，在造斜导管20和锚体10的环形空间安装固定装置40。

4)在锚体10的端板11上安装吊装部113与泵法兰112，用缆绳连接吊装部113，将锚体10吊入海中，在锚体10依靠自重贯入海底一定深度后，开启泵法兰112，利用水泵将锚体10内的海水排出，形成锚体10内外压差，利用压差使锚体10继续贯入直至全部插入海底土层中。

5)使吸力锚导管装置静止24小时，恢复海底土层的承载力，在造斜导管20内下入常规造斜钻具组合，钻进造斜段。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (7)

1.一种预造斜吸力锚导管装置，其特征在于，包括：

锚体，所述锚体呈直筒状且其一端具有封闭端部的端板，所述端板上具有钻进口与用于连接水泵的泵法兰；

造斜导管，所述造斜导管为设置在所述锚体内部的弯管，所述造斜导管一端的管口部连接于所述端板并对应所述钻进口，所述造斜导管与所述端板的连接处保持密封；

其中，沿所述造斜导管的轴线且远离所述端板的方向，所述造斜导管的轴线的切线与所述锚体的轴线之间的夹角逐渐增大；

所述造斜导管为双层套管结构，其包括内层导管与外层引管，所述内层导管与所述外层引管之间的空间内设置有至少一个扶正器，所述扶正器用于保持所述内层导管与所述外层引管在径向上的相对位置的固定；

所述内层导管与所述外层引管之间的空间内还具有水泥层，所述水泥层由注入的水泥凝固而成。

2.根据权利要求1所述的预造斜吸力锚导管装置，其特征在于，所述锚体与所述造斜导管之间的空间中还设置有多个固定装置，所述固定装置的两端分别连接所述锚体内壁与所述造斜导管外壁。

3.根据权利要求1所述的预造斜吸力锚导管装置，其特征在于，所述端板外表面上还设置有多个吊装部，所述吊装部用于连接缆绳。

4.根据权利要求1所述的预造斜吸力锚导管装置，其特征在于，所述造斜导管的轴线的切线与所述锚体的轴线之间的夹角的最大值不大于15°。

5.根据权利要求1或4所述的预造斜吸力锚导管装置，其特征在于，所述锚体的长度为10-15m、外径为5m。

6.一种钻井设备，其包括如权利要求1至5任一项所述的预造斜吸力锚导管装置，其特征在于，还包括造斜钻具，所述造斜钻具能够由所述吸力锚导管装置中锚体的钻进口进入造斜导管内，并沿所述造斜导管钻进以钻出井眼的造斜段。

7.一种使用如权利要求1至5任一项所述的预造斜吸力锚导管装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、利用工程船将所述吸力锚导管装置运至海上既定井位的上方，所述吸力锚导管装置中的锚体的泵法兰通过管路连接水泵；

S2、将所述吸力锚导管装置以所述锚体呈竖直的状态下放至既定井位对应的海底，所述吸力锚导管装置在重力作用下贯入海底一定深度；

S3、打开所述泵法兰，通过所述水泵排出所述锚体内部的海水，所述吸力锚导管装置在内外压力差的作用下继续贯入海底至预定深度；

S4、将所述吸力锚导管装置静置24h，以恢复海底土层的粘聚力。