CN201318133Y - 一种海洋钻井立管柔性接头 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种海洋钻井隔水管柔性接头。它包括分别与上、下立管连接的内体与外体，内体与外体之间安装弹性橡胶体，中间的管道相互连通。本实用新型可以完全减缓立管的弯曲挠度，可以抗立管的轴向弯曲，设计抗弯曲角度是10°，保护了立管，延长了使用寿命，也保证了浮式钻井平台或工作母船能始终在相对稳定的位置，提高了采油效率，从而使海洋钻井立管更适应浮动钻井平台的动态环境，柔性接头中间的弹性橡胶体对小的弯曲挠度有很高的抗弯曲疲劳强度，它能大大提高海洋钻井立管的使用寿命。

Description

一种海洋钻井立管柔性接头

(一)技术领域

本实用新型涉及钻井立管接头，具体涉及一种适用于深海钻井的立管柔性接头。

(二)背景技术

随着人类对能源的需求，浅水海域的油气资源已经难以满足人类的需要，加之浅海的油气含量不多，因此海洋油气开采的水深日益增加。深水钻采是指水深300米以上的油气开发。目前我国的海上油田只有位于南海的流花11-1油田水深在300米以上，最深油田开采达到607米，而发达国家却已经开采到水下3048米。通过勘察发现，深海水域有着丰富的油气资源，因此，深海水域将是未来世界海洋油气开发的主要区域。深海钻井面临恶劣的作业环境，油层埋藏普遍较深，海底地层较疏松，对钻井压力的控制非常严格。因此，深海油气钻采需要考虑作业环境带来的一系列问题，如高额的钻机日费、更多的套管层序、钻井作业周期将变得更长、完井的可用空间更小、非生产时间增多以及废弃物的处理等，这些因素决定了深海钻井的特殊性与复杂性。

近年来，针对深海钻井，浮式钻采系统成为主要的生产形式，它包括半潜式平台、钻井船、FPSO等。以钻井船为例，由于受到波浪、海流、潮汐等外界因素的影响，钻井船会产生运动，所以需要通过系泊系统或者动力定位等方式来保证其相对钻井位置不发生改变。但是，复杂的设备安装过程、过大的波浪和机械故障都会造成钻井船相对钻采位置的运动偏离，这将使立管系统产生弯曲及扭曲形变，在立管中产生弯矩及其它应力，这将减少立管的使用寿命，并且直接影响钻采作业；过大的应力还将引起立管系统断裂，造成重大事故。因此，钻井船需要使用一种设备来减少或者消除由外界因素引起的立管弯矩，允许立管系统有一定的挠性形变。柔性接头就是这样的一种设备，它安装在立管系统和BOP(防喷器)组之间，允许立管和BOP组之间存在角度偏差，从而减少立管上的弯曲力矩；它也可用在立管系统的上部，以允许钻井装置在安装及钻采过程中的运动；有时候也安装在立管系统的某一中间位置。

目前，柔性接头的材料主要是高强度钢和橡胶。传统的海洋钻井立管挠性接头内部有一个轴承，用来吸收整个立管系统的转动，轴承座与壳体之间采用干式润滑层进行润滑和密封，密封性差，使用周期短，这种柔性接头难以胜任深水、低温、高压以及巨大挤压力的海洋作业环境，目前国内还没有相应的研究成果。

(三)发明内容

本实用新型的目的在于提供一种可以减小立管系统弯曲挠度、保护立管、延长其使用寿命、也保证了钻井船能始终停留在相对稳定的位置、提高了采油效率的海洋钻井立管柔性接头。

本实用新型的目的是这样实现的：它包括分别与上、下立管连接的内体与外体，内体与外体安装有弹性橡胶体，中间的管道相互连通。

本实用新型还有这样一些技术特征：

1、所述的外体与弹性橡胶体通过球面压圈压紧，球面压圈通过螺栓螺母组与防松法兰连接进而与外体相连，螺栓螺母组包括一组螺母和双头螺栓；

2、所述的防松法兰通过螺栓螺母将球面压圈紧紧压在弹性橡胶体上，通过拧紧防松螺母，能起到很好的预紧效果；

3、所述的内体底部外侧设置有一半球面的支撑面，球面压圈内侧也设置有一半球面的支撑面，这两个面把弹性橡胶体压在一起；

4、所述的内体下端的内侧与可替换内磨损套的外侧的紧密连接，可替换内磨损套与外体用定位销定位；

5、所述的可替换内磨损套的轴向位置上设置有可替换内衬套，可替换内衬套用固定法兰固定；

6、所述的内体焊接到上立管上，外体通过法兰用螺栓连接下立管。

7、所述的防旋转销能够在工作状态下防止球面压圈与防松法兰之间的相对转动，减小了摩擦，维护好系统的静密封功能；

8、所述的弹性橡胶体和O形密封圈由于作用在特殊环境下，其材料和结构均不同于普通的密封圈与橡胶。

本实用新型的柔性接头和立管顶端的伸缩接头配套使用。由于伸缩接头内部安装有轴承，可以实现钻井船相对立管系统的转动，减轻柔性接头的负担，大大改善柔性接头的结构及性能。

本实用新型中的柔性接头主要有两部分组成，第一部分是上半部分，与上面的立管坡口通过焊接连接到一起，第二部分是下半部分，与下面的立管通过法兰采用机械连接到一起。上下两部分之间通过弹性橡胶单元密封，中间的管道是相通的。液体可以在两部分之间进行传输，保证钻井液等液体在整个立管之间传输。本柔性接头的内体与弹性橡胶单元之间采用动密封的方式，球面压圈与外体之间采用静密封的方式，通过动密封与静密封相接合从而保证整体的密封性能，起到隔离海水的作用。柔性接头能够在轴向吸收很小的弯曲角度，保证钻具的方向不会偏离轴向。钻井立管是浮式钻井船或半潜式钻井平台的水下装置之一，它主要是用来隔离海水、引导钻具和循环钻井液。由于浮式平台不可避免会因外界因素发生波动，而钻井立管和浮式平台之间是刚性连接，因此，整个立管系统需要有一个部分来消除浮式平台波动对整个钻井立管系统产生的负面影响。现在钻井立管的接头大多采用柔性接头，以此来提高钻井立管系统抵抗浮式平台波动的能力。由于每节立管均安装浮力材料，浮力材料对柔性接头的转角有较大的影响，当钻井立管的浮力增大时，立管底部柔性接头的转角明显减小，所以整个系统的浮力与本柔性接头密切相关。本实用新型就是采用弹性橡胶单元安装在连接处，起到一定抗弯曲的作用，其意义在于在现有挠性接头的研究成果下，寻找一种适应浮式平台波动范围大、密封性好、易加工、易拆装、便于压紧螺栓互换的新型结构，从而建立一个适应高压力和深水域、性能可靠、操作方便的海洋钻井立管系统。

立管通过张紧器连接到浮式钻井平台或浮式钻井船上，整条立管的重量由浮力和张紧器的拉力支撑，张紧器的拉力作用到弹性橡胶单元上。通过螺栓预紧作用到弹性橡胶单元的预紧力的值在立管系统所有参数中显得尤为重要。立管安装到浮式钻井平台或浮式钻井船上，张紧器拉紧立管后，如果预紧力太小，弹性橡胶单元的变形量没有达到一定值，柔性接头内部就会产生缝隙，从而难以保证上部分立管和下部分立管之间的密封，从而导致立管内的液体可能会外泄或者有海水渗入，同时还会影响柔性接头的抗旋转和抗轴向弯曲的灵活性和精度；如果预紧力太大，使的弹性橡胶单元的变形量超过极限值，当上部连接的立管发生摆动时，内体就很难挤压弹性橡胶单元使其继续变形来消除这种波动，这就使的摆动角度变小，此时就不能很好的发挥柔性接头的作用。同时柔性接头在钻井立管系统中就起不到很好的抗浮式平台的波动的效果，严重影响了整个钻井立管系统的正常运行，因此预紧力的值的选定是很重要的。

本实用新型的主要特点是：通过在两节立管之间安装一种柔性接头，可以抵抗立管的轴向弯曲，可允许的抗弯曲角度可达到10°，从而使较长的海洋钻井立管更适应浮动钻井平台的动态环境。柔性接头中间的弹性橡胶单元对海面平台波动引起立管产生的弯曲挠度，有着很高的抗弯曲疲劳强度的能力，大大提高了海洋钻井立管使用寿命。本实用新型是一种适用于深海钻井的柔性接头，它和伸缩接头配套使用，利用伸缩接头内部的轴承来吸收钻采系统的转动，柔性接头本身只需要提供一个角位移即可，其作用类似于整个立管系统中的一个活动关节。和传统的球形接头相比，柔性接头的旋转刚度在控制立管弯曲挠度时具有更大的优势，旋转角和旋转刚度是设计和选择柔性接头的重要参数。

(四)附图说明

图1为本实用新型的整体外观图；

图2为沿轴线方向柔性接头的剖视图；

图3为弹性橡胶单元是剖视图。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的详细说明：

结合图1，本实施例包括分别与上、下立管连接的内体1与外体4，安装时上部与立管末端连接，下部与井口装置连接。内体1与外体4之间安装有弹性橡胶体5，中间的管道相互连通。内体1焊接到上一节立管坡口上，外体4通过下面的外体法兰10用螺栓机械连接到下一节立管的管接头处，防松法兰14通过拧紧防松螺母7将内部球面压圈紧紧压在弹性橡胶单元上，起到一定的预紧密封效果。外体4与法兰10做成一个整体以保证整个柔性接头的刚性，且只适应一种尺寸管径的立管。防松法兰14的上表面均布一圈螺栓螺母，螺栓螺母的数量视管道的尺寸大小而定，螺母对内体1内部的球面压圈起到很好的压紧作用，压紧力将传到弹性橡胶单元上。内体1与外体4在连接时通过螺栓螺母组的预紧会对中间的弹性橡胶单元产生一定的预紧力。整个立管的重量主要由两个作用力来承担，一个是安装在每段立管外层的浮力材料，他们承担绝大部分立管的重力，余下的小部分由浮式平台上的张紧器来承载，预紧力是拧紧螺母产生的，预紧力的值应大于张紧器的拉力和浮力材料提供的浮力之和减去立管自身的重力。法兰10的底部安装圆形嵌圈2，它不仅能支撑内部的磨损套筒，而且可以在其底部安装密封圈和下一个立管的法兰相连接。

图2是柔性接头的沿轴向的剖视图，此剖视图包含了柔性接头的大部分零件。柔性接头的顶部有一圆板，中心有一圆孔，它套在内体1上，称作碎片保护板13，在安装过程中，防止安装过程产生的尖锐碎片掉入柔性接头内部损伤内部的弹性橡胶单元。内体1和上一节立管的坡口处焊接到一起，焊接要求较高，需要进行声波检测与焊缝探伤。外体4通过下面的外体法兰10和下一节立管机械连接，防松法兰14通过螺柱8和螺母7的相连固定在外体4上面，对球面压圈3起到一定的压力作用，此压力完全作用到弹性橡胶体5上，起到压紧弹性橡胶体5使之变形的效果。内体1的下端是一喷嘴形，喷嘴外圆的曲率和弹性橡胶单元下接触表面的曲率相同，球面压圈3的内侧也有一半球面，其曲率与弹性橡胶单元的上接触面曲率相同，这两个面通过螺栓预紧把弹性橡胶体5紧紧的压在一起，从而使其产生一定的变形，达到密封的效果。

由于在立管和浮式平台的连接处安装轴承，此柔性接头不消除浮式平台的转动，漩涡引起浮式平台的转动将由上面安装的轴承来消除，为此在弹性橡胶体5的两侧无须安装轴承以及润滑层。球面压圈3和防松法兰之间通过一个防旋转销16相连，防旋转销16能够有效的防止球面压圈3在工作过程中发生旋转，增强密封效果。球面压圈3与外体4之间通过O形圈进行密封，密封圈主要成分为氟碳化合物，这个密封属于静密封，同时球面压圈3与内体1要用动密封。内体1的下端内侧也是一个半球面形，与可替换内磨损套6的外侧的半球面紧密连接，由于两接触面的曲率相同，故有着良好的接触表面积和密封性，内体1与可替换磨损套之间密封形式属于动密封。由于内体1长期摆动，和内磨损套6之间的摩擦时间长，所以将内磨损套6设计成可替换型。当内体1与上面连接的立管因海面浮式平台波动发生摆动时，内体1通过挤压弹性橡胶体5使其变形，其挤压变形量用来吸收摆动角度，以此保证柔性接头下面的设施不随浮式平台的波动而动。弹性橡胶体5在图3中有详细描述。外体4与下一节立管连接时也使用O型密封圈实现静密封，保证整个柔性接头的密封性良好。可替换内磨损套6与外体4用定位销9定位，防止内体1发生摆动时可替换内磨损套6也随之运动，若随之摆动不仅增大了摩擦而且也影响了整个柔性接头的密封性。当磨损程度过大而影响使用时可以方便的更换新件。可替换耐磨衬套12既是保证可替换内磨损套6的轴向定位，它还保护外体4不受钻具碰撞受损，可替换耐磨衬套12被磨损到一定程度便可以更换新件，以此来保护外体4，使外体4具有很长的使用寿命。圆形嵌圈2通过沉头螺栓11固定在外体法兰10上，圆形嵌圈2与外体法兰10之间采用O型密封圈进行密封。可替换内衬套12的下表面由圆形嵌圈2来固定，圆形嵌圈2保证可替换内磨损套6轴向定位的准确性。圆形嵌圈2与壳体之间的密封也采用O型密封圈17进行密封。

图3是弹性橡胶体5的剖面图，其中51和53是圆形钢板，53是弹性橡胶单元基体，圆形钢板51、52采用的是常见的层状结构嵌入在弹性基体53的内部，以此来达到在高压的状态下依然具有良好的弹性，弹性橡胶体基体53是一种专门用于钻井和流体的腈基化合物，如氢化丁腈橡胶。弹性橡胶体的变形量通过实验获得。

Claims (7)

1、一种海洋钻井立管柔性接头，它包括分别与上、下立管连接的内体与外体，其特征在于内体与外体之间安装有弹性橡胶体，中间的管道相互连通。

2、根据权利要求1所述的海洋钻井立管柔性接头，其特征在于所述的外体与弹性橡胶体通过球面压圈压紧，球面压圈通过螺栓螺母组与防松法兰连接进而与外体相连，螺栓螺母组包括一组螺母和双头螺栓。

3、根据权利要求2所述的海洋钻井立管柔性接头，其特征在于所述的防松法兰通过螺栓螺母将球面压圈紧紧压在弹性橡胶体上。

4、根据权利要求3所述的海洋钻井立管柔性接头，其特征在于所述的内体底部外侧设置有一半球面的支撑面，球面压圈内侧也设置有一半球面的支撑面，这两个面把弹性橡胶体压在一起。

5、根据权利要求4所述的海洋钻井立管柔性接头，其特征在于所述的内体下端的内侧与可替换内磨损套的外侧的紧密连接，可替换内磨损套与外体用定位销定位。

6、根据权利要求5所述的海洋钻井立管柔性接头，其特征在于所述的可替换内磨损套的轴向位置上设置有可替换内套环，可替换内套环通过固定法兰固定。

7、根据权利要求6所述的海洋钻井立管柔性接头，其特征在于所述的内体焊接到上立管上，外体通过法兰用螺栓连接下立管。

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