CN117846494A - 用于在水下产生套管式井孔的水下钻探设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下钻探设备，该水下钻探设备包括：可降低平台，其构造成用于在水体底部上放下；至少一个支承管，其可轴向地移位并且可旋转地安装于平台上；至少一个管状驱动器，其布置于平台上并且构造成用于旋转地驱动支承管，以便将支承管旋转地引入到水体底部中；以及孔内钻探钻机，其布置于支承管中，其中，孔内钻探钻机包括：钻机基体；至少一个夹紧装置，其用于支撑并将孔内钻探钻机固接于支承管中；以及钻头，其可轴向地移位地并且可旋转地安装于钻机基体上，并且能够借助于钻探驱动器来被旋转地驱动。根据本发明，提供的是，当支承管被旋转地驱动时，孔内钻探钻机布置于支承管中并且被轴向地夹紧到支承管。

Description

用于在水下产生套管式井孔的水下钻探设备和方法

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的用于在水下产生套管式井孔(casedborehole)的具有可降低平台的水下钻探设备。

本发明进一步涉及根据权利要求12的用于利用这样的水下钻探设备来在水下产生套管式井孔的方法。

背景技术

EP 2930275 B1公开了一种用于产生用于在水中的结构的地基的钻探设备和方法。引导设备放置于水体的底表面上。支承管布置于引导设备中。借助于插入到支承管中的钻探钻机(drilling rig)来钻探井孔，支承管降低到该井孔中。在移除孔内钻探钻机之后，地基元件能够插入到支承管中。然后拉动支承管，其中，井壁(borewall)与所插入的地基元件之间的中间空间被填充。

EP 2615239 B1公开了一种用于产生水下地基的设备和方法。在此情况下，支承管也插入到地面中，在地面中布置有孔内钻探钻机。孔内钻探钻机移除土壤材料，其中，周围的支承管能够被轴向地顺着推动。

在EP 3333324 A1中公开了另一种已知的用于产生用于在水中的结构的地基的设备和方法。

发明内容

本发明的目的在于详述一种能够利用其来在水下特别高效地产生套管式井孔的钻探设备和方法。

根据本发明，该目的一方面由具有权利要求1的特征的水下钻探设备实现，并且另一方面由具有权利要求12的特征的方法实现。本发明的优选实施例在从属权利要求中详述。

根据本发明的用于在水下产生套管式井孔的水下钻探设备包括：可降低平台，其构造成用于在水体底部上放下；至少一个支承管，其可轴向地移位并且可旋转地安装于平台上；至少一个管状驱动器，其布置于平台上并且构造成用于旋转地驱动支承管，以便将支承管旋转地引入到水体底部中；至少一个孔内钻探钻机，其布置于支承管中，其中，孔内钻探钻机包括：

-钻机基体；

-至少一个夹紧装置，其用于将孔内钻探钻机支撑并固接于支承管中；

-钻机基体上的钻探驱动器；以及

-钻头，其可轴向地移位并且可旋转地安装于钻机基体上并且可借助于钻探驱动器来旋转地驱动，其中，当旋转地驱动支承管时，孔内钻探钻机布置于支承管中并且被轴向地夹紧到支承管。

本发明的第一方面是在水下钻探设备处提供可降低平台上的至少一个管状驱动器，至少一个管状驱动器用于旋转地驱动支承管，其中，所述管状驱动器构造成将支承管旋转地引入到水体底部中。

根据另外的方面，具有管状驱动器的水下钻探设备构造成使得当旋转地驱动支承管时，布置于支承管中的孔内钻探钻机被夹紧到支承管，使得孔内钻探钻机与旋转的支承管一起旋转。这允许支承管和钻探钻机的高效逐步钻探。取决于现场土壤的类型，钻探钻机的钻头或支承管能够前进。在钻头被旋转地驱动时，钻探钻机能够被夹紧到静止的支承管。在利用钻探钻机的钻头的钻探步骤之后，支承管能够通过进一步的前进步骤来被旋转地引入到地面中，其中，孔内钻探钻机保持以旋转固定的方式连接到支承管。当支承管被旋转地驱动时，钻头能够保持相对于钻机基体静止。备选地，钻头能够与支承管同时地、沿相同或相反的旋转方向被旋转地驱动。

原则上，可降低平台上的管状驱动器可以构造成以任何合适的方式旋转地驱动支承管。本发明的优选实施例是，为了在平台上形成管状驱动器，用于夹紧支承管的夹头(collet)装置布置于其外侧上，以便可旋转或可枢转并且可轴向地移动，其中，管状驱动器的转矩能够传递到支承管。

管状驱动器可以构造成类似于套管设备，其中，支承管在外侧上的可释放夹持能够借助于夹头来实现。优选地，借助于液压缸，夹头能够围绕管纵向轴线旋转。

根据本发明的一个变型，特别有利的是，管状驱动器构造成用于将连续旋转运动传递到支承管。由此，能够提供连续旋转驱动器。此外，可以提供各自具有旋转缸的两个或更多个夹头，其中，每个具有夹头的布置结构执行通过预确定的角度范围的具体扭转。通过由至少两个这样的布置结构进行的协调的、相继的扭转，能够实现支承管的连续旋转或准连续旋转。

备选地或另外，根据本发明的进一步发展，提供的是，管状驱动器构造成用于将振荡旋转运动传递到支承管。该振荡或逐步旋转运动可以特别地通过具有单个夹头装置的布置结构来实现。

孔内钻探钻机可以经由悬挂线缆来悬挂于支承管中，使得进给力的施加能够仅仅通过孔内钻探钻机的重力来实现。根据本发明的有利实施例，优选的是，孔内钻探钻机包括轴向进给装置，钻头可利用轴向进给装置来相对于钻机基体轴向地移位。钻机基体可以包括框架结构，该框架结构可优选地借助于可径向地延伸的液压夹紧缸来以旋转固定的方式固接于支承管的内壁中。进给装置可以包括沿轴向方向对齐的一个或多个液压致动缸。由此，被旋转地驱动的钻头能够相对于钻机基体轴向地移位。可以提供可以优选地包括一个或多个液压旋转马达的钻探驱动器，钻探驱动器轴向地固定于基体上，其中，钻探驱动轴能够借助于对应的花键齿接或另一合适的结构来轴向地伸缩。由此，能够实现从钻探驱动器到可轴向地移位的钻头的转矩传递。

原则上，进给装置可以以任何合适的方式构造。根据本发明的一个变型，特别有利的是，进给装置包括至少一个液压进给缸。进给缸可以是单作用致动缸或双作用致动缸。

根据本发明的进一步发展，为了高效地使套管式井孔降低，有利的是，两个或更多个支承管可旋转地且轴向地移位地安装于平台上。该平台可以构造为用于支承管在水体底部中的预确定的布置结构的基盘(template)。原则上，专用的孔内钻探钻机可以布置于每个支承管中。备选地，可以提供单个孔内钻探钻机，其最初插入于第一支承管中以产生第一井孔。在已产生第一井孔之后，孔内钻探钻机可以从第一支承管释放和缩回，并且插入到第二支承管中以产生第二套管式井孔。这能够根据存在的支承管的数量而重复。管状驱动器优选地根据所提供的支承管的数量而布置于平台上。

在钻探操作期间，孔内钻探钻机经由一个或多个管线(特别是所谓的脐带缆)来在水体表面处连接到供应单元、特别是供应船。经由一个或多个管线来传递能量，特别是电能和/或液压能。当使支承管与紧固于其中的孔内钻探钻机一起旋转时，必须确保不发生一个或多个管线的扭转。出于此目的，至少一个管线可以在孔内钻探钻机的上部区域处借助于对应的旋转耦联器来连接到孔内钻探钻机。特别地，可以提供所谓的旋转联接头(union)，以便使液压流体通过。

本发明的用于避免至少一个管线的扭转的简化的实施例是，至少一个上夹紧装置布置于钻机基体上，并且至少一个下夹紧装置布置于钻头上。由此，能够发生钻头和/或钻机基体的针对性交替支撑。

特别地，根据本发明的一个变型，提供的是，当支承管被旋转地驱动时，钻头上的至少一个下夹紧装置径向地延伸并且钻头被夹紧到支承管，并且钻机基体上的至少一个上夹紧装置从支承管径向地缩回和释放。在该状态下，旋转驱动器可以从钻头脱耦，或能够选择自由运转。在该布置结构中，当支承管被旋转地驱动时，钻头能够一起旋转，而钻机基体由于钻探驱动器的所选择的自由运转而不跟随旋转运动。以此方式，钻机基体与连接到其的管线能够静止不动，而钻头与被旋转地驱动的支承管一起旋转。因而利用该布置能够避免至少一个所连接的管线的扭转，而不必在管线上提供特殊的管线耦联器或旋转联接头。备选地，钻机基体可以被夹紧并固定到支承管，使得孔内钻探钻机与支承管一起转入。

如果支承管并非周向地转入，而是以振荡方式转入，则也能够省略特殊的管线耦联器或旋转联接头。

本发明的另外的优选变型是，在水体底部处，平台包括供应装置，该供应装置经由至少一个主供应管线来连接到水上供应单元，并且至少一个管状驱动器和至少一个孔内钻探钻机(特别是经由供应管线)连接到平台的供应装置，以便供应能量。平台处的供应装置可以优选地在一定程度上存储能量，例如借助于所提供的可再充电电池来存储电能，或借助于对应的蓄压器来存储液压能。平台因而可以自给自地足地被操作达一定时段，这例如在恶劣的天气条件和主供应管线的相关联的断开的情况下可能是必要的。平台处的供应装置经由优选地可释放的主供应管线来连接到水上供应单元。水上供应单元可以特别地为容器。

本发明进一步包括用于利用根据本发明的水下钻探设备在水下产生套管式井孔的方法，其中，至少一个支承管布置于水下钻探设备的平台上，至少一个孔内钻探钻机，其中布置有至少一个支承管，平台降低到水体底部上，至少一个支承管经由平台处的管状驱动器来被旋转地驱动并且钻探到水体底部中，在支承管的钻探之前和/或继此之后，布置于支承管中的孔内钻探钻机的钻头被旋转地驱动并且钻探到水体底部中以便产生井孔，同时支承管以旋转固定的方式保持于平台上，并且当支承管被旋转地驱动时，孔内钻探钻机保持于支承管中并且被轴向地夹紧到支承管。

该方法能够特别地利用根据上文中所描述的本发明的水下钻探设备来实行。能够实现在该上下文中描述的优点。根据本发明的方法包括权利要求1中所详述的方法步骤，但不限于方法步骤的具体次序。单独的方法步骤也能够在其它方法步骤之前或在其它方法步骤之后实行。

附图说明

在下文中参考在附图中示意性地示出的优选的示例性实施例而进一步描述本发明。其中：

图1示出根据本发明的孔内钻探钻机的透视图，其中钻头缩回；

图2示出在图1的状态下的孔内钻探钻机的侧视图；

图3示出图1和图2的孔内钻探钻机的透视图，其中钻头延伸；

图4示出在图3的状态下的孔内钻探钻机的侧视图；以及

图5示出用于形成根据本发明的水下钻探设备的平台的侧视图。

具体实施方式

在图1至图4中，示出了用于形成根据本发明的水下钻探设备100的孔内钻探钻机10的示例性实施例。孔内钻探钻机10包括构架形钻机基体12，钻机基体12包括第一环形框架部分14。在该板形第一框架部分14的上侧上，布置有钻探驱动器40，在所图示的示例性实施例中，钻探驱动器40由三个液压旋转驱动器42形成，所述三个液压旋转驱动器42布置成围绕孔内钻探钻机10的纵向轴线或钻探轴线均匀地分布。

夹紧装置50附接到第一框架部分14的下侧，第一框架部分14构造成用于相对于支承管和/或钻孔的壁径向地支撑并固定孔内钻探钻机10。在所图示的示例性实施例中，环形夹紧装置50包括六个不可见且径向地指向的夹紧缸，在其外侧上附接有柱塞形夹紧板52。具有夹紧板52的夹紧缸围绕孔内钻探钻机10的纵向轴线或钻探轴线均匀地分布。

上框架部分15布置于框架12的上端处。在上框架部分15与其下方的第一框架部分14之间，布置有板状环形中间部分16，中间部分16经由竖直地指向的连接支柱18来一方面连接到第一框架部分14，并且另一方面向上连接到上框架部分15。

用于孔内钻探钻机10的线缆悬挂的连接装置28居中地布置于上框架部分15的上侧上，并且两个管线式进给器(line feed)29侧向地布置于其上。管线式进给器29一方面用来进给液压软管管线，并且另一方面用来进给和保持钻探泥浆排放管线。

可以提供用于空气提升方法的经压缩空气用的另外的进给器以及电力管线和数据管线以及另外的供应管线。

控制构件19可以布置于板形中间部分16上。总体上，钻机基体12的上部区域可以具有模块化结构，该模块化结构具有第一框架部分14、上框架部分15以及中间部分16，使得孔内钻探钻机10可以以简单的方式适于不同的钻孔尺寸和应用区。

在第一框架部分14上的夹紧装置50下方，布置有具有液压进给缸72的进给装置70。进给缸72以其缸壳体来紧固到第一框架部分14。借助于可延伸的缸活塞，进给缸72另一方面铰接到第二环形、板形第二框架部分20。环形第二框架部分20紧固到管状轴承套筒24的外表面，其中管状钻柱38(在图3和图4中仅部分地可见)安装成可旋转但被轴向地固定。钻头30紧固到钻柱38的下端。钻头30包括中央导向末梢32和径向地指向的移除元件34，移除元件34构造成用于移除土壤材料。第二框架部分20安装成相对于第一框架部分14可轴向地调整。

在管状钻柱38的上端区域处，钻探驱动器40的驱动轴44延伸到管状钻柱38中。驱动轴44包括外部的、轴向地延伸的驱动带46，驱动带46与管状钻柱38的内侧上的对应的内部驱动带协作，以用于传递转矩。经由驱动轴44，钻柱38利用钻头30来被旋转地驱动，使得该钻头能够移除土壤材料。

在图1和图2中，孔内钻探钻机10示出为处于其中钻头30轴向地缩回的状态。在该状态下，孔内钻探钻机10能够通过夹紧板52对着支承管的径向延伸来经由夹紧装置50固定于钻孔中。随后，随着钻头30旋转，进给装置70能够被致动，其中，进给缸72向下延伸。由此，具有安装于其上的轴承套筒24和钻头30的第二框架部分20能够向下移动，以在钻探期间引起对应的前进。备选地，当支承管8转入时，钻头30和/或孔内钻探钻机可以被支撑或固定就位。

当达到进给装置70的进给缸72的最大延伸长度(其在图3和图4中示出)时，由夹紧装置50进行的支撑能够通过使夹紧板52缩回来释放。可以通过如下方式来顺着向下引导钻机基体12的上部区域：使进给缸72缩回，并且使紧固到连接装置28的悬挂线缆松弛，直到再次达到根据图1和图2的轴向地缩回的状态。现在，在钻机基体12已借助于夹紧装置50再次夹紧之后，可以实行进一步的钻探步骤。备选地，夹紧板52可以径向地延伸并且保持固定到支承管8。因而，支承管8能够被转入到地面中并顺着引导。进给缸72可以在该过程期间缩回。

在钻探期间产生的土壤材料可以经由空心钻柱38、空心驱动轴44借助于作为输送装置35的抽吸泵36被排放通过框架12，并且经由部分地示出的输送管线37来被运走到钻孔的外部。具有轴承套筒24的第二框架部分20可以包括第三框架部分27，第三框架部分27可以安装成可经由线性引导件26来线性地移位，线性引导件26固定地附接到第一框架部分14并且向下指向。引导件26可以吸收沿周向方向的扭转力，使得进给缸72被解除横向力。

如图5中所示出的，根据本发明的水下钻探设备100包括具有工作台82的可降低平台80，工作台82从仅部分地示出的线缆布置97悬挂，并且工作台82可以经由该线缆布置97利用可调整支脚88来降低并放下到水体底部5上。

如图5中所示出的，具有插入于其中的孔内钻探钻机10的多个支承管8可以布置于工作台82上，其中的两个孔内钻探钻机10在图5中的侧视图中可见。四个孔内钻探钻机10可以布置于工作台82的拐角处，其构造为几何矩形，或三个孔内钻探钻机10可以布置于工作台的拐角处，其构造为等边三角形。

孔内钻探钻机10形成为基本上相等的，如先前对此进行描述的那样。

孔内钻探钻机10用来将支承管8引入到水体底部5中。用于每个孔内钻探钻机10或每个钻孔的套筒形线性引导件84和管状驱动器85布置于工作台82上。线性引导件84引导支承管8可在工作台2上竖直地移位。为了形成管状驱动器85，钻探单元100进一步包括用于使支承管8在工作台82上以旋转固定的方式固接、旋转和/或轴向地移位的夹头装置86。该夹头装置86布置在工作台82上的线性引导件84下方。例如，夹头装置86可以构造为液压夹紧装置，并且还包括用于轴向地固接支承管8的部件，即用于固接支承管8以防沿竖直方向移位的部件。因而，夹头装置86可以确保例如支承管8在工作台82的降低期间还有在钻探操作期间相对于工作台82维持其旋转位置还有其轴向位置。

为了产生支承管8被引入到其中的井孔，孔内钻探钻机10被插入到支承管中。在孔内钻探钻机10的下端处可以提供钻头30，钻头30构造为全面钻头或配备有牙轮钻头的另一合适的钻头。钻头30可以在支承管8的下端处突出，使得钻头30能够清除支承管8下方的土壤材料。支承管8可以经由夹头装置86以旋转方式跟随孔内钻探钻机10被轴向地推动。当支承管8移位时，孔内钻探钻机10可以被支撑于支承管8中，并且因而与支承管8一起被引导。能量供应可以经由主供应管线92被提供给工作台82上的中央供应装置90。

Claims (12)

1.一种用于在水下产生套管式井孔的水下钻探设备，包括：

-可降低平台(80)，其构造成用于在水体底部(5)上放下；

-至少一个支承管(8)，其能够轴向地移位并且可旋转地安装于所述平台(80)上；

-至少一个管状驱动器(85)，其布置于所述平台(80)上并且构造成用于旋转地驱动所述支承管(8)，以便将所述支承管(8)旋转地引入到所述水体底部(5)中；

-至少一个孔内钻探钻机(10)，其布置于所述支承管(8)中，其中，所述孔内钻探钻机(10)包括：

--钻机基体(12)；

--至少一个夹紧装置(50)，其用于将所述孔内钻探钻机(10)支撑并固接于所述支承管(8)中；

--所述钻机基体(12)上的钻探驱动器(40)；以及

--钻头(30)，其能够轴向地移位并且可旋转地安装于所述钻机基体(12)上，并且能够借助于所述钻探驱动器(40)来被旋转地驱动，

-其中，当旋转地驱动所述支承管(8)时，所述孔内钻探钻机(10)布置于所述支承管(8)中并且被轴向地夹紧到所述支承管(8)。

2.根据权利要求1所述的水下钻探设备，其特征在于，

为了在所述平台(80)处形成所述管状驱动器(85)，用于在所述支承管的外侧上夹紧所述支承管(8)的夹头装置(86)布置成能可旋转地或可枢转地且轴向地移动，其中，所述管状驱动器(85)的转矩能够传递到所述支承管(8)。

3.根据权利要求1或2所述的水下钻探设备，其特征在于，

所述管状驱动器(85)构造成用于将连续旋转运动传递到所述支承管(8)。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的水下钻探设备，其特征在于，

所述管状驱动器(85)构造成用于将振荡旋转运动传递到所述支承管(8)。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的水下钻探设备，其特征在于，

所述孔内钻探钻机(10)包括轴向进给装置(70)，所述钻头(30)利用所述轴向进给装置(70)能够相对于所述钻机基体(12)轴向地移位。

6.根据权利要求5所述的水下钻探设备，其特征在于，

所述进给装置(70)包括至少一个液压进给缸(72)。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的水下钻探设备，其特征在于，

至少一个供应管线在所述钻机基体(12)的上部部分处连接到所述孔内钻探钻机(10)。

8.根据权利要求1至7中的任一项所述的水下钻探设备，其特征在于，

两个或更多个支承管(8)能可旋转地且轴向地移位地安装于所述平台(80)上。

9.根据权利要求1至8中的任一项所述的水下钻探设备，其特征在于，

至少一个上夹紧装置(50)布置于所述钻机基体(12)上，并且至少一个下夹紧装置布置于所述钻头(30)上。

10.根据权利要求9所述的水下钻探设备，其特征在于，

当所述支承管(8)被旋转地驱动时，所述钻头(30)上的所述至少一个下夹紧装置径向地延伸，并且所述钻头(30)被夹紧到所述支承管(8)，并且所述钻机基体(12)上的所述至少一个下夹紧装置(50)径向地缩回并且从所述支承管(8)释放。

11.根据权利要求1至10中的任一项所述的水下钻探设备，其特征在于，

所述水体底部(5)处的所述平台(80)包括经由至少一个主供应管线(92)来连接到水上供应单元的供应装置(90)，并且所述至少一个管状驱动器(85)和所述至少一个孔内钻探钻机(10)特别是经由供应管线来连接到所述平台(80)的所述供应装置(90)以用于供应能量。

12.一种用于利用根据权利要求1至11中的任一项所述的水下钻探设备(100)来在水下产生套管式井孔的方法，其中，

-至少一个支承管(8)布置于所述水下钻探设备(100)的平台(80)上，

-至少一个孔内钻探钻机(10)布置于所述至少一个支承管(8)中，

-所述平台(80)降低到水体底部(5)上，

-所述至少一个支承管(8)经由所述平台(80)处的管状驱动器(84)来被旋转地驱动并且钻探到所述水体底部(5)中，

-在所述支承管(8)的钻探之前和/或继此之后，布置于所述支承管(8)中的所述孔内钻探钻机(10)的所述钻头(30)被旋转地驱动，并且钻探到所述水体底部(5)中以产生所述井孔，同时所述支承管(8)以旋转固定的方式保持于所述平台(80)上，并且

-当所述支承管(80)被旋转地驱动时，所述孔内钻探钻机(10)保持于所述支承管(8)中并且被轴向地夹紧到所述支承管(8)。