CN117759195A - 一种半潜式钻井平台张紧环下btr控压钻井总成结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半潜式钻井平台张紧环下BTR控压钻井总成结构，主要包括二大部分：旋转控制总成，环空密封总成。BTR控压钻井系统总成结构安装在海洋半潜式钻井平台钻井隔水管系统的张紧环之下。与隔水管伸缩接头下端外筒的底端连接，下部与钻井隔水管系统连接。采用特殊一体化厚壁圆筒壳体的大通径结构设计，所有部件和功能均圈闭在厚壁圆筒壳体腔体内进行，旋转轴承总成可提出到井口维修和更换，在整体重新设计的系统结构中，可满足水下使用要求的可控环空密封总成，在钻井平台转盘开口直径限制的条件下，考虑了控压钻井设备的通过能力、井控能力和安全性。

Description

一种半潜式钻井平台张紧环下BTR控压钻井总成结构

技术领域

本发明涉及一种海洋半潜式钻井平台的控压钻井设备，尤其涉及一种半潜式钻井平台钻井隔水管系统的张紧环下BTR控压钻井总成结构。

背景技术

国际上一般有ATR(Above Tensioner Ring)和BTR(Below Tensioner Ring)两种半潜式平台控压钻井模式，其中，ATR模式控压钻井是将密闭井口环空的旋转控制总成(旋转防喷器)安装在钻井隔水管系统张紧环之上，建立起来的一种控压钻井方式，但该模式存在一定的缺陷：

1、需要改造钻井伸缩隔水管，工程量大；

2、改造钻井伸缩隔水管后，加入了旋转控制总成短节后，伸缩钻井隔水管的行程变短，降低了伸缩钻井隔水管抵御恶劣海洋环境的升沉补偿能力，有可能造成钻井风险；

3、如钻井隔水管内出现并进入了地层气体，仍然不能循环排气，难以避免环空压力平衡失控，造成钻井井喷风险；

4、控压钻井带压更换旋转总成时，如隔水管系统管内的环空压力失衡，容易造成井口风险和海洋环境灾难等诸多问题。

半潜式钻井平台作业，防喷器往往建立在海底，通过海平面上方钻井平台的高压节流管汇和压井管汇与海底水下防喷器相连，来控制和平衡下部的地层压力。然而，控压钻井的发展是从陆地走向海洋，由于成本和技术问题，陆地和浅海自升式钻井平台的技术不能满足半潜式钻井平台进行控压钻井作业的需要。现有的ATR控压钻井技术，也不能适应半潜式平台钻井更广泛地向深水发展的需要。

对于深水钻井来说，海底水下井口系统建立在海底500-3000米之间，由于上千米的钻井隔水管中的环空压力，需要管理和控制。这对半潜式平台进行控压钻井的设备提出了新的需求。在海平面附近的隔水管上方研究和安装特殊的控压钻井设备，要求和功能有：1.由于设备不能下入海底，研究适合半潜式平台的控压钻井旋转控制总成的基础上，控压钻井时在钻井隔水管系统上新增加了隔水管上部环空密封功能，在控压钻井或非控压钻井时，能够提高在钻井平台附近水面的井控能力；2.关键设备能够在钻台连接和维护；3.能够通过有限尺寸的转盘开口下入到给定水面附近位置。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种半潜式钻井平台张紧环下BTR控压钻井总成结构。

BTR(Below Tensioner Ring)模式控压钻井是将新设计结构的密闭井口环空的旋转控制总成安装在钻井隔水管系统张紧环之下，同时在旋转控制总成下开发设计安装一个环形密封总成。根据近年在半潜式钻井平台使用ATR模式的经验发现，存在不少缺陷和风险，不能满足工程需要。而在采用BTR模式的情况下，在张紧环以下与钻井隔水管系统顶端之间进行新的结构设计，安装本发明的半潜式钻井平台钻井隔水管系统张紧环下BTR控压钻井设备总成结构，可以在半潜式钻井平台钻井(特别是深水钻井)，能更好的满足海洋控压钻井工艺及技术的需要。

本发明采用如下技术方案：

一种半潜式钻井平台张紧环下BTR控压钻井总成结构，包括伸缩隔水管转换法兰、旋转控制总成、环空密封总成等。

伸缩隔水管转换法兰与旋转控制总成通过螺栓连接。旋转控制总成包括旋转轴承总成锁紧及解脱机构、旋转控制总成的壳体，旋转轴承总成锁紧及解脱机构安装在旋转控制总成的壳体的颈部。伸缩隔水管转换法兰与旋转控制总成的中心腔体内安装有旋转轴承总成。

旋转轴承总成包括上胶芯支撑架、旋转轴承上胶芯、旋转轴承上胶芯隔离腔、旋转轴承腔、中心管、旋转轴承下胶芯，上胶芯支撑架安装在旋转轴承上胶芯上，上胶芯支撑架、旋转轴承上胶芯外侧安装旋转轴承上胶芯隔离腔，旋转轴承上胶芯、旋转轴承上胶芯隔离腔安装在中心管的顶部，中心管的外侧中部安装有旋转轴承腔，旋转轴承下胶芯安装在中心管底部。

缓冲管线循环管路及备用出口开设在旋转控制总成的壳体的中部，旋转控制总成的壳体下部是壳体下部连接法兰。

环空密封总成包括环空密封上壳体、胶芯支撑筋、全封胶芯、环形活塞、环空密封下壳体、环空密封总成与隔水管四通连接法兰。

环空密封上壳体通过螺栓与旋转控制总成的壳体下部连接法兰连接。胶芯支撑筋、全封胶芯、环形活塞安装在环空密封上壳体和环空密封下壳体围成的中心空腔内。其中，胶芯支撑筋安装在全封胶芯上，胶芯支撑筋、全封胶芯安装在环形活塞上。在环空密封下壳体上开设有打开孔道和关闭孔道，打开孔道位于关闭孔道的上侧。环空密封下壳体底部连接环空密封总成与隔水管四通的连接法兰，环空密封下壳体和环空密封总成与隔水管四通的连接法兰一体成型。

环空密封总成与隔水管四通连接法兰与底部的隔水管四通相连，钻柱安装在旋转密封轴承总成、胶芯支撑筋、全封胶芯、环形活塞以及隔水管四通形成的中心腔体内，并可实现进出上下活动。

一种半潜式钻井平台张紧环下BTR控压钻井设备总成结构的使用方法，包括控压钻井，其中控压钻井包括步骤：

步骤1.在钻台进行BTR旋转控制管串系统总成的组装，将伸缩隔水管转换法兰、旋转控制总成和环空密封总成与海上钻井防喷器和隔水管系统一起安装下入到水下。

先连接下入水下的钻井防喷器组，再连接钻井隔水管系统，再连接安装隔水管四通，再连接旋转控制总成，最后连接伸缩隔水管转换法兰等上部井口装置，完成整个海上从半潜式钻井平台井口到海底水下井口的建立后，可进行相关使用前的安全测试和功能测试。

步骤2.下入旋转轴承总成到旋转控制总成壳体的相应位置，通过控制旋转轴承总成锁紧及解脱机构，锁紧旋转轴承总成在旋转控制总成壳体的相应位置上。

步骤3.安装地面系统完成调试后，下入钻柱即可开展控压钻井作业，环空密封总成保持全开状态。

一种半潜式钻井平台张紧环下BTR控压钻井设备总成结构的使用方法，包括非控压钻井，其中非控压钻井包括步骤：

步骤1.在半潜式钻井平台的钻台上，进行BTR旋转控制管串系统总成的组装，将伸缩隔水管转换法兰、旋转控制总成和环空密封总成与海上钻井防喷器和隔水管系统一起安装下入到水下。

先连接下入水下的钻井防喷器组，再连接钻井隔水管系统，再连接安装隔水管四通，再连接旋转控制总成，最后连接伸缩隔水管转换法兰等上部井口装置，完成整个海上从半潜式钻井平台井口到海底水下井口的建立后，进行相关使用前的安全测试和功能测试。

步骤2.伸缩钻井隔水管转换法兰和旋转控制总成的壳体成为了钻井隔水管系统的一部分，开启环空密封总成的打开孔道工作，环形活塞向下运动，环空密封总成处于全开状态，钻井相关作业可进行正常操作。

本发明的有益效果：

(1)对比ATR模式控压钻井，不需要改造缩短伸缩隔水管结构，避免了改造后冲程不够的风险，保持了原有伸缩隔水管的冲程长度(16-18米)，适合在各种海况(或恶劣)环境下的钻井作业，ATR模式控压钻井只能用于半潜式钻井平台的部分浅水作业。

(2)改变了传统的分离功能式(卡箍式和球型式)旋转控制总成系统结构，采用特殊一体化圆筒壳体设计，BTR模式控压钻井所有部件和功能均圈闭在壳体腔体内，大大提高了系统的完整性和安全性，提高了壳体的强度和抗压能力，加工制造更加方便，安装和维护、更换快捷安全。

(3)BTR模式控压钻井采用厚壁壳体大通径结构，提高了海洋钻完井的设备的通过能力的同时，大大提高了壳体的抗拉强度和疲劳强度，可用于深水及海洋恶劣环境的条件，满足工程需要。

(4)壳体和旋转总成在井下采用并行10套油缸液压闩锁控制固定，减小了海洋深水、深井和大位移井钻柱的旋转振动的影响，10套闩锁固定，提高了钻柱在上下大负荷拉扒时，10套闩锁强度能够满足工程要求。

(5)旋转总成上胶芯支撑架采用可更换设计，可满足多种作业(下套管、带压测井等)，对不同管柱的密封和支撑要求。

(6)BTR模式控压钻井采用整体重新设计系统结构，在不同半潜式钻井平台转盘开口直径限制条件下，增加设计了满足水下使用要求的环空密封装置，这增加和提高了控压钻井的井控能力和安全性，保证了控压钻井功能的完整性，更加适合深水钻井的功能和要求。

(7)改变了ATR模式控压钻井在平台张紧环上方的使用操作方法，施工作业更加方便，可在钻井前安装或钻井中安装，时效更高。

(8)本发明的半潜式钻井平台张紧环下BTR控压钻井系统总成结构为建立一套半潜式深水钻井平台安全、高效的欠平衡及控压钻井技术及工艺，填补国内半潜式钻井平台(尤其是深水钻井平台)的控压钻井技术及工艺的空白。

(9)由于环形密封总成功能的需要，结构外径较大，这时需根据转盘开口设计尺寸，从而保证本发明可顺利的下入井内。

附图说明

图1为张紧环下BTR控压钻井系统环空密封总成全开时，进行控压钻井作业的设备结构总成示意图。

图2为张紧环下BTR控压钻井系统环空密封总成全开时，非控压钻井的设备结构总成示意图。

图3为张紧环下BTR控压钻井系统环空密封总成全封时，旋转密封总成解锁后上提移除井内时的设备结构总成示意图。

图4为张紧环下BTR控压钻井系统环空密封总成全封抱紧钻柱时，控压循环排除隔水管内气体作业的设备结构总成示意图。

图中：1-伸缩隔水管转换法兰、2-上胶芯支撑架、3-旋转轴承上胶芯、4-旋转轴承上胶芯隔离腔、5-旋转轴承腔、6-中心管、7-旋转轴承总成锁紧及解脱机构、8-旋转控制总成的壳体、9-缓冲管线循环管路及备用出口、10-旋转轴承下胶芯、11-壳体下部连接法兰、12-环空密封上壳体、13-胶芯支撑筋、14-全封胶芯、15-环形活塞、16-旋转轴承总成、17-打开孔道、18-关闭孔道、19-环空密封下壳体、20-环空密封总成与隔水管四通连接法兰、21-隔水管四通、22-钻柱。

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，本领域普通技术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。

如图1所示，本发明的一种半潜式钻井平台张紧环下BTR控压钻井总成机构，包括伸缩隔水管转换法兰1、旋转控制总成、环空密封总成等；

伸缩隔水管转换法兰1与旋转控制总成通过螺栓连接。旋转控制总成包括旋转轴承总成锁紧及解脱机构7及旋转控制总成的壳体8，旋转轴承总成锁紧及解脱机构7安装在旋转控制总成的壳体8的颈部。伸缩隔水管转换法兰1与旋转控制总成的中心腔体内安装有旋转轴承总成16。

旋转轴承总成16包括上胶芯支撑架2、旋转轴承上胶芯3、旋转轴承上胶芯隔离腔4、旋转轴承腔5、中心管6、旋转轴承下胶芯10。上胶芯支撑架2安装在旋转轴承上胶芯3上，上胶芯支撑架2、旋转轴承上胶芯3外侧安装旋转轴承上胶芯隔离腔4，旋转轴承上胶芯3、旋转轴承上胶芯隔离腔4安装在中心管6的顶部，中心管6的外侧中部安装有旋转轴承腔，旋转轴承下胶芯10安装在中心管6底部。

缓冲管线循环管路及备用出口9开设在旋转控制总成的壳体8的中部，旋转控制总成的壳体8下部是壳体下部连接法兰11。

环空密封总成包括环空密封上壳体12、胶芯支撑筋13、全封胶芯14、环形活塞15、环空密封下壳体19、环空密封总成与隔水管四通连接法兰20。

环空密封上壳体12上部通过螺栓与旋转控制总成的壳体下部连接法兰11连接。胶芯支撑筋13、全封胶芯14、环形活塞15安装在环空密封上壳体12和环空密封下壳体19围成的中心空腔内。其中，胶芯支撑筋13安装在全封胶芯14上，胶芯支撑筋13、全封胶芯14安装在环形活塞15上。在环空密封下壳体19上开设有打开孔道17和关闭孔道18，打开孔道17位于关闭孔道18的上侧。环空密封下壳体19底部连接环空密封总成与隔水管四通的连接法兰20，环空密封下壳体19和环空密封总成与隔水管四通的连接法兰20一体成型。

环空密封总成与隔水管四通连接法兰20与底部的隔水管四通21相连，钻柱22安装在旋转密封轴承总成16、胶芯支撑筋13、全封胶芯14、环形活塞15以及隔水管四通21形成的中心腔体内，并可实现进出上下活动。

如图2-4所示，为本发明的使用过程，包括：

(1).下入安装程序。在钻台进行BTR控压钻井设备总成管串系统的组装，将伸缩隔水管转换法兰1、旋转控制总成和环空密封总成与海上钻井防喷器和隔水管系统一起安装下入水下。此处先连接下入水下的钻井防喷器，再连接隔水管系统，再连接安装隔水管四通21，再连接旋转控制总成，最后连接伸缩隔水管转换法兰2等上部进口装置，完成海上水下井口的建立后，进行相关使用前的安全测试和功能测试。具体如图2所示。

(2).控压钻井(控压钻井)。下入旋转轴承总成16到旋转控制总成壳体的相应位置，通过控制旋转轴承总成锁紧及解脱机构7锁紧旋转控制总成在旋转控制总成壳体的相应位置上。安装地面系统完成调试后，下入钻柱22即可开展控压钻井作业，环空密封总成保持全开状态。如图2所示。

(3).正常钻井(非控压钻井)。伸缩隔水管转换法兰1和旋转控制总成的壳体8成为钻井隔水管系统的一部分，打开孔道17工作，环形活塞15向下运动，环空密封总成处于全开状态，钻井相关作业可正常操作。

(4).旋转轴承总成16维修和更换胶芯或进行其他相关作业(固井、测井等)。关闭孔道18工作，环形活塞15向上运动，环空密封总成关闭钻井隔水管环空，保持平衡井底压力及地层流体不侵入井内。这时可安全解锁旋转轴承总成16，上提出井口，进行维护轴承或更换胶芯等作业。如图3所示。

(5)隔水管环空的井控作业(环空控压循环和排气)。由于水下防喷器在海底，一旦隔水管环空进入高压气体，上千米的隔水管中气体急速膨胀到平台井口达上百倍，井口容易出现失控，如高压可燃气体上到钻井平台，将带来巨大灾难(2011年的美国墨西哥湾钻井平台的爆炸案例就是教训)。

如图3和图4，在井内无钻柱22或有钻柱22时，在监测到环空气体时，关闭孔道18工作，环形活塞15向上运动，关闭环空密封总成，可有效控制阻止流体上升到井口，通过隔水管四通21循环高压气体，使钻井隔水管环空的液体压力恢复到正常状态和取得与地层的平衡。

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 (5)

1.一种半潜式钻井平台张紧环下BTR控压钻井总成结构，其特征在于,包括伸缩隔水管转换法兰、旋转控制总成、环空密封总成；

伸缩隔水管转换法兰与旋转控制总成通过螺栓连接，旋转控制总成包括旋转轴承总成锁紧及解脱机构、旋转控制总成的壳体，伸缩隔水管转换法兰与旋转控制总成的中心腔体内安装有旋转轴承总成；

旋转轴承总成包括上胶芯支撑架、旋转轴承上胶芯、旋转轴承上胶芯隔离腔、旋转轴承腔、中心管、旋转轴承下胶芯，上胶芯支撑架安装在旋转轴承上胶芯上，上胶芯支撑架、旋转轴承上胶芯外侧安装旋转轴承上胶芯隔离腔，旋转轴承上胶芯、旋转轴承上胶芯隔离腔安装在中心管的顶部，中心管的外侧中部安装有旋转轴承腔，旋转轴承下胶芯安装在中心管底部；

缓冲管线循环管路及备用出口开设在旋转控制总成的壳体的中部，旋转控制总成的壳体下部是壳体下部连接法兰，环空密封总成包括环空密封上壳体、胶芯支撑筋、全封胶芯、环形活塞、环空密封下壳体、环空密封总成与隔水管四通连接法兰；环空密封上壳体通过螺栓与旋转控制总成的壳体下部连接法兰连接，胶芯支撑筋、全封胶芯、环形活塞安装在环空密封上壳体和环空密封下壳体围成的中心空腔内；

其中，胶芯支撑筋安装在全封胶芯上，胶芯支撑筋、全封胶芯安装在环形活塞上，在环空密封下壳体上开设有打开孔道和关闭孔道，打开孔道位于关闭孔道的上侧，环空密封下壳体底部连接环空密封总成与隔水管四通的连接法兰，环空密封下壳体和环空密封总成与隔水管四通的连接法兰一体成型。

2.根据权利要求1所述的半潜式钻井平台张紧环下BTR控压钻井总成结构，其特征在于，旋转轴承总成锁紧及解脱机构安装在旋转控制总成的壳体的颈部。

3.根据权利要求1所述的半潜式钻井平台张紧环下BTR控压钻井总成结构，其特征在于，环空密封总成与隔水管四通连接法兰与底部的隔水管四通相连，钻柱安装在旋转密封轴承总成、胶芯支撑筋、全封胶芯、环形活塞以及隔水管四通形成的中心腔体内，并实现进出上下活动。

4.一种利用如权利要求1的半潜式钻井平台张紧环下BTR控压钻井总成结构的使用方法，包括控压钻井和非控压钻井，其中控压钻井包括步骤：

步骤1.在钻台进行BTR控压钻井设备总成管串系统的组装，将伸缩隔水管转换法兰、旋转控制总成和环空密封总成与海上钻井防喷器和隔水管系统一起安装下入到水下；

步骤2.下入旋转轴承总成到旋转控制总成壳体的相应位置，通过控制旋转轴承总成锁紧及解脱机构，锁紧旋转轴承总成在旋转控制总成壳体的相应位置上；

步骤3.安装地面系统完成调试后，下入钻柱开展控压钻井作业，环空密封总成保持全开状态；

其中非控压钻井包括步骤：

步骤S1.在半潜式钻井平台的钻台上，进行BTR控压钻井设备总成管串系统的组装，将伸缩隔水管转换法兰、旋转控制总成和环空密封总成与海上钻井防喷器和隔水管系统一起安装下入到水下；

步骤S2.伸缩钻井隔水管转换法兰和旋转控制总成的壳体成为了钻井隔水管系统的一部分，开启环空密封总成的打开孔道工作，环形活塞向下运动，环空密封总成处于全开状态，钻井相关作业可进行正常操作。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤1或步骤S1具体是，先连接下入水下的钻井防喷器，再连接隔水管系统，再连接安装隔水管四通，再连接环空密封装总成，再连接旋转控制总成，最后连接伸缩隔水管转换法兰以上的上部井口装置，完成海上平台的水面及水下井口的建立后，进行相关使用前的安全测试和功能测试。