專利名稱：一種張力系泊式水中鉆井系統(tǒng)及其安裝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種海洋油氣鉆采技術(shù)，特別是一種用于在超深海環(huán)境下的張力系泊式水中鉆井系統(tǒng)及其安裝方法。
背景技術(shù)：
隨著陸地、近海與中深海域油氣資源的逐漸枯竭，為了滿足人類對石油資源的巨大需求，當(dāng)下深海(500 1500m)與超深海(1500m以上)油氣田勘探開發(fā)是世界石油工業(yè)的主要增長點(diǎn)。
目前，國際海洋石油工業(yè)通過使用現(xiàn)有的鉆井船(或鉆井平臺)，進(jìn)行海洋石油鉆井是一種成熟的技術(shù)。然而，這種現(xiàn)有的海洋石油鉆井技術(shù)用于超深海的石油勘探，對鉆井船(或鉆井平臺)以及海底鉆井設(shè)備的設(shè)計(jì)要求高，造價(jià)昂貴。此外，在超深海環(huán)境中對海底鉆井設(shè)備的檢修難度大，檢修成本高。
為此，依據(jù)美國專利申請第4511287號以及中國專利申請第97194273. 0號可知， 將海底鉆井設(shè)備放置在水中一立管塔或潛沒浮體上，即水中鉆井技術(shù)，可極大地降低海面鉆井設(shè)施和鉆井設(shè)備的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)大大降低超深海油氣田勘探開發(fā)的技術(shù)難度和資本投入。
然而，按照現(xiàn)有的水中鉆井技術(shù)，在下部隔水管與水中鉆井設(shè)備的安裝過程中，潛沒浮體的穩(wěn)定性不夠，加大了安裝工藝的難度；此外，通過使用安裝完畢的下部隔水管作為張力支柱為潛沒浮體提供穩(wěn)定性支撐，在簡化工藝的同時(shí)卻帶來了極大的安全問題。在深海石油鉆井過程中，需考慮到井筒內(nèi)部的不確定性壓力作用到下部隔水管的問題，由此引發(fā)的巨大上提張力可能會造成下部隔水管的斷裂，同時(shí)潛沒浮體迅速上浮，與海面鉆井船 (或鉆井平臺)發(fā)生撞擊，潛在風(fēng)險(xiǎn)巨大。發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有水中鉆井技術(shù)在超深海環(huán)境中遇到的上述問題，本發(fā)明要提供一種張力系泊式水中鉆井系統(tǒng)及其安裝方法，能夠在下部隔水管與水中鉆井設(shè)備的安裝過程中為下部隔水管與水中鉆井設(shè)備提供穩(wěn)定的安裝平臺，同時(shí)極大地提高現(xiàn)有水中鉆井技術(shù)的安全系數(shù)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種張力系泊式水中鉆井系統(tǒng)，包括鉆井船、水中鉆井平臺、張力系泊裝置、防噴器組、上部隔水管、下部隔水管以及海底井口裝置；
所述的水中鉆井平臺位于海面下Hl處，通過張力系泊裝置系泊在海床上以約束水中鉆井平臺在水中的運(yùn)動；水中鉆井平臺上部設(shè)置有三個井口頭，每個井口頭的下端設(shè)置有隔水管通道；下部隔水管的上端通過隔水管通道與水中鉆井平臺上部的井口頭連接、 其下端與海底井口裝置連接；上部隔水管的上端與鉆井船連接、其下端與防噴器組連接； 所述的防噴器組安裝在水中鉆井平臺上部的井口頭上；所述的Hl為150-350m;
所述的水中鉆井平臺采用海星式結(jié)構(gòu)，中央柱結(jié)構(gòu)邊緣連接三根矩形截面懸臂浮筒，它們在平面上的夾角為120°，形成輻射狀，矩形截面懸臂浮筒末端采用中性浮力的桁架結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明所述的張力系泊裝置包括三根螺旋鋼絲繩股和三個海底樁基。
一種張力系泊式水中鉆井系統(tǒng)的安裝方法，包括以下步驟
A、預(yù)備工作
將樁基、海底井口裝置安裝在海床上；安裝駁船拖曳水中鉆井平臺到達(dá)目標(biāo)海域；
B、水中鉆井平臺的安裝
Bi、安裝駁船利用吊裝纜繩將水中鉆井平臺吊入到海面下Hl處；
B2、安裝駁船下放遠(yuǎn)程控制機(jī)器人，遠(yuǎn)程控制機(jī)器人完成螺旋鋼絲繩股與海底樁基的連接；
B3、安裝駁船通過臍帶纜向水中鉆井平臺輸送壓縮氮?dú)?，提升水中鉆井平臺的凈浮力，同時(shí)張緊三根螺旋鋼絲繩股，從而為下部隔水管的安裝提供一個相對平穩(wěn)的工作環(huán)境；所述的三根螺旋鋼絲繩股的頂張緊力系數(shù)為1. 1-1. 3 ；
C、下部隔水管的安裝
Cl、鉆井船運(yùn)行到達(dá)海上目標(biāo)作業(yè)區(qū)，鉆井船利用下入管柱使得下部隔水管順利通過水中鉆井平臺；
C2、在下部隔水管通過水中鉆井平臺，距離海底井口裝置上方50米左右時(shí)，鉆井船通過水中鉆井平臺的浮力調(diào)節(jié)裝置逐漸降低其凈浮力，放松先前張緊的螺旋鋼絲繩股， 下部隔水管借助下入管柱繼續(xù)下放，并完成與海底井口裝置的對接；
C3、鉆井船通過臍帶纜向水中鉆井平臺送入壓縮氮?dú)猓嵘秀@井平臺的凈浮力，水中鉆井平臺上浮完成與下部隔水管的連接；
C4、鉆井船通過臍帶纜繼續(xù)向水中鉆井平臺送入壓縮氮?dú)?，提升水中鉆井平臺的凈浮力，使下部隔水管的頂張緊力達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；所述的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為下部隔水管的頂張緊力系數(shù)1. 4-1. 6，三根螺旋鋼絲繩股的頂張緊力系數(shù)1. 1-1. 3 ；
D、防噴器組的安裝
防噴器組安裝在上部隔水管的下端，在水中鉆井平臺上部的臨時(shí)導(dǎo)向設(shè)備的輔助下，防噴器組下放安裝在水中鉆井平臺上部的井口頭處。
本發(fā)明步驟Cl所述的下部隔水管的安接方法包括以下步驟
在水中鉆井平臺上部的井口頭處安裝臨時(shí)導(dǎo)向基座，使得下部隔水管準(zhǔn)確通過水中鉆井平臺上的隔水管通道。
本發(fā)明步驟C2所述的下部隔水管與海底井口裝置的對接方法包括以下步驟
在位于海床上的海底井口裝置設(shè)置有導(dǎo)向喇叭口，便于下部隔水管的下端與海底井口裝置的準(zhǔn)確對接。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果
1、本發(fā)明的水中鉆井平臺能夠在下部隔水管與水中鉆井設(shè)備的安裝過程中為下部隔水管與水中鉆井設(shè)備提供穩(wěn)定的安裝平臺。水中鉆井平臺采用海星式結(jié)構(gòu)，中央柱結(jié)構(gòu)邊緣連接三根矩形截面懸臂浮筒；中央柱結(jié)構(gòu)與懸臂浮筒可獨(dú)立設(shè)計(jì)與建造，這極大地3/5頁降低了水中鉆井平臺的設(shè)計(jì)難度與建造成本。
2、本發(fā)明的懸臂浮筒末端采用了中性浮力的桁架結(jié)構(gòu)。當(dāng)設(shè)計(jì)要求需要額外加大水中鉆井平臺的凈浮力時(shí)，只需減少桁架結(jié)構(gòu)在懸臂浮筒上的比例長度或增加懸臂浮筒的長度即可；若滿足設(shè)計(jì)浮力要求，可加大桁架結(jié)構(gòu)在懸臂浮筒上的比例長度，從而降低水中鉆井平臺的自重。這極大地提高了水中鉆井平臺的設(shè)計(jì)靈活性，同時(shí)簡化了懸臂浮筒的建造工藝難度，降低了建造成本。
3、本發(fā)明的水中鉆井平臺通過螺旋鋼絲繩股張力系泊在位于海床的樁基上，這極大地提高了水中鉆井平臺的穩(wěn)定性，降低了下部隔水管與防噴器組的安裝難度；同時(shí)，張緊的螺旋鋼絲繩股可以分擔(dān)可能由于井筒內(nèi)部的不確定性壓力所引起的巨大上提張力，防止下部隔水管被拉斷，這極大地提高了現(xiàn)有水中鉆井技術(shù)的安全系數(shù)。
4、本發(fā)明采用螺旋鋼絲繩股來張力系泊水中鉆井平臺，在滿足張力筋腱拉伸強(qiáng)度的前提下，解決了傳統(tǒng)的張力系泊裝置在超深海環(huán)境下，張力筋腱自重過大的問題(計(jì)算表明3000m長度、130mm直徑的螺旋鋼絲繩股的水中表觀重量只有200噸左右)。
5、本發(fā)明的水中鉆井平臺可在鉆井船就位前安裝，可縮短安裝工期，從而降低安裝成本。
6、本發(fā)明將原本位于海床上的防噴器組，安裝到位于海面下150-350m處的水中鉆井平臺上，從而使得相關(guān)的安裝與維修作業(yè)由超深海作業(yè)變?yōu)樵诤Ｃ嫦?50-350m的淺水作業(yè)，極大地降低了安裝與維修的技術(shù)難度以及成本投入。
7、本發(fā)明在遇到緊急危險(xiǎn)情況時(shí)，上部隔水管與防噴器組可與水中鉆井平臺上部的井口頭迅速分離，從而形成海面鉆井船與水中鉆井平臺的斷開狀態(tài)，提升了水中鉆井系統(tǒng)的安全系數(shù)。


本發(fā)明共有附圖2張，其中
圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的水中鉆井平臺的俯視圖。
圖中2、桁架結(jié)構(gòu)，3、井口頭，5、防噴器組，7、螺旋鋼絲繩股，8、樁基，10、水中鉆井平臺，11、中央柱結(jié)構(gòu)，12、懸臂浮筒，15、鉆井船，16、海面，17、海床，20、上部隔水管，25、下部隔水管，28、海底井口裝置。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步地描述。
如圖1所示，一種張力系泊式水中鉆井系統(tǒng)，主要包括鉆井船15、水中鉆井平臺 10、張力系泊裝置、防噴器組5、上部隔水管20、下部隔水管25以及海底井口裝置觀。
如圖1所示，水中鉆井平臺10位于海面16下Hl處，以避開海面下的紊流區(qū)，使得水中鉆井平臺10幾乎不受近海面16處的風(fēng)、浪、流影響，保持良好的在位性能。水中鉆井平臺10上部設(shè)置有三個井口頭3，每個井口頭3的下端設(shè)置有隔水管通道(圖中未展示)； 下部隔水管25的上端通過隔水管通道與水中鉆井平臺10上部的井口頭3連接、其下端與海底井口裝置28連接；上部隔水管20的上端與鉆井船15連接、其下端與防噴器組5連接；6所述的防噴器組5安裝在水中鉆井平臺10上部的井口頭3上。海底井口裝置觀在采集海底的油氣資源后，通過下部隔水管25、防噴器組5和上部隔水管20，最終到達(dá)鉆井船15，從而完成海上油氣的開采。
如圖1-2所示，水中鉆井平臺10采用海星式結(jié)構(gòu)，即中央柱結(jié)構(gòu)11邊緣連接三根矩形截面懸臂浮筒12，三根矩形截面懸臂浮筒12在平面上的夾角為120°，形成輻射狀，懸臂浮筒12的末端采用中性浮力的桁架結(jié)構(gòu)2 ；中央柱結(jié)構(gòu)11與懸臂浮筒12可獨(dú)立設(shè)計(jì)與建造，中性浮力的桁架結(jié)構(gòu)2使得水中鉆井平臺10在滿足設(shè)計(jì)浮力的情況下，可降低水中鉆井平臺10的自重，這極大地提高了水中鉆井平臺10的設(shè)計(jì)靈活性，同時(shí)簡化了懸臂浮筒 12的建造工藝難度，降低了建造成本。
如圖1所示，本發(fā)明的水中鉆井平臺10通過三根螺旋鋼絲繩股7張力系泊在位于海床17的樁基8上，這極大地提高了水中鉆井平臺10的穩(wěn)定性；同時(shí)，張緊的螺旋鋼絲繩股7可以分擔(dān)可能由于井筒內(nèi)部的不確定性壓力所引起的巨大上提張力，防止下部隔水管 25被拉斷，這極大地提高了現(xiàn)有水中鉆井技術(shù)的安全系數(shù)。
特別地，本發(fā)明采用螺旋鋼絲繩股7來張力系泊水中鉆井平臺10，在滿足張力筋腱拉伸強(qiáng)度的前提下，解決了傳統(tǒng)的張力系泊裝置在超深海環(huán)境下，張力筋腱自重過大的問題(計(jì)算表明3000m長度、130mm直徑的螺旋鋼絲繩股的水中表觀重量只有200噸左右)。
一種張力系泊式水中鉆井系統(tǒng)的安裝方法，包括以下步驟
A、預(yù)備工作
將樁基8、海底井口裝置28安裝在海床17上；安裝駁船拖曳水中鉆井平臺10到達(dá)目標(biāo)海域；
B、水中鉆井平臺10的安裝
Bi、安裝駁船利用吊裝纜繩將水中鉆井平臺10吊入到海面16下Hl處；
B2、安裝駁船下放遠(yuǎn)程控制機(jī)器人，遠(yuǎn)程控制機(jī)器人完成螺旋鋼絲繩股7與海底樁基8的連接；
B3、安裝駁船通過臍帶纜向水中鉆井平臺10輸送壓縮氮?dú)?防腐蝕)，提升水中鉆井平臺10的凈浮力，同時(shí)張緊三根螺旋鋼絲繩股7 (此時(shí)三根螺旋鋼絲繩股7的頂張緊力系數(shù)1. 1-1. 3)，從而為下部隔水管25的安裝提供了一個相對平穩(wěn)的工作環(huán)境；
C、下部隔水管25的安裝
Cl、鉆井船15運(yùn)行到達(dá)海上目標(biāo)作業(yè)區(qū)，鉆井船15利用下入管柱使得第一根下部隔水管25順利通過水中鉆井平臺10上部的第一個井口頭3 ；
特別說明的是在水中鉆井平臺10上部的井口頭3處安裝臨時(shí)導(dǎo)向基座，以使得下部隔水管25準(zhǔn)確通過水中鉆井平臺10上的隔水管通道。
C2、在第一根下部隔水管25穿過水中鉆井平臺10、距離第一個海底井口裝置觀上方50m左右時(shí)，鉆井船15通過水中鉆井平臺10的浮力調(diào)節(jié)裝置逐漸降低其凈浮力，放松先前張緊的螺旋鋼絲繩股7，第一根下部隔水管25借助下入管柱繼續(xù)下放，并完成與第一個海底井口裝置觀的對接；
特別說明的是在位于海床17上的所有海底井口裝置觀均設(shè)置有導(dǎo)向喇叭口，便于下部隔水管25的下端與海底井口裝置28的準(zhǔn)確對接。
在安裝完成第一根下部隔水管25后，再依次分別操作第二根和第三根下部隔水管分別穿過水中鉆井平臺10上部的第二個和第三個井口頭3，并完成與第二個和第三個海底井口裝置觀的分別對接。
C3、鉆井船15通過臍帶纜向水中鉆井平臺10送入壓縮氮?dú)?，提升水中鉆井平臺10 的凈浮力，水中鉆井平臺10上浮完成與三根下部隔水管25的連接；
C4、鉆井船15通過臍帶纜繼續(xù)向水中鉆井平臺10送入壓縮氮?dú)?，提升水中鉆井平臺10的凈浮力，使下部隔水管25的頂張緊力達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(最終，下部隔水管25的頂張緊力系數(shù)1. 4-1. 6，三根螺旋鋼絲繩股7的頂張緊力系數(shù)1. 1-1. 3)；
D、防噴器組5的安裝
將防噴器組5安裝在上部隔水管20的下端，在水中鉆井平臺10上部的臨時(shí)導(dǎo)向設(shè)備的輔助下，防噴器組5下放安裝在水中鉆井平臺10上部的第一個井口頭3處；在完成了對第一個海底井口裝置觀的鉆采工作后，上提防噴器組5，依次分別與第二個和第三個井口頭3連接，分別完成對第二個和第三個海底井口裝置觀的鉆采工作。
至此，一種張力系泊式水中鉆井系統(tǒng)安裝完畢。
特別地，在超深海油氣田勘探中，在遇到緊急危險(xiǎn)情況時(shí)(如當(dāng)臺風(fēng)或颶風(fēng)來襲)，上部隔水管20與防噴器組5可與水中鉆井平臺10上部的井口頭3迅速分離，從而形成海面16上的鉆井船15與水中鉆井平臺10的斷開狀態(tài)，鉆井船15可迅速避險(xiǎn)，以防止開發(fā)油田由于緊急危險(xiǎn)情況而引發(fā)巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。
權(quán)利要求
1.一種張力系泊式水中鉆井系統(tǒng)，其特征在于包括鉆井船(15)、水中鉆井平臺(10)、 張力系泊裝置、防噴器組(5)、上部隔水管(20)、下部隔水管0 以及海底井口裝置08)；所述的水中鉆井平臺(10)位于海面(16)下Hl處，通過張力系泊裝置系泊在海床(17) 上以約束水中鉆井平臺(10)在水中的運(yùn)動；水中鉆井平臺(10)上部設(shè)置有三個井口頭 (3)，每個井口頭C3)的下端設(shè)置有隔水管通道；下部隔水管0 的上端通過隔水管通道與水中鉆井平臺(10)上部的井口頭C3)連接、其下端與海底井口裝置08)連接；上部隔水管 (20)的上端與鉆井船(1 連接、其下端與防噴器組( 連接；所述的防噴器組(5)安裝在水中鉆井平臺(10)上部的井口頭(3)上；所述的Hl為150-350m ；所述的水中鉆井平臺(10)采用海星式結(jié)構(gòu)，中央柱結(jié)構(gòu)(11)邊緣連接三根矩形截面懸臂浮筒(12)，它們在平面上的夾角為120°，形成輻射狀，矩形截面懸臂浮筒(12)末端采用中性浮力的桁架結(jié)構(gòu)O)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種張力系泊式水中鉆井系統(tǒng)，其特征在于所述的張力系泊裝置包括三根螺旋鋼絲繩股(7)和三個海底樁基(8)。
3.一種張力系泊式水中鉆井系統(tǒng)的安裝方法，其特征在于包括以下步驟A、預(yù)備工作將樁基(8)、海底井口裝置08)安裝在海床(17)上；安裝駁船拖曳水中鉆井平臺(10) 到達(dá)目標(biāo)海域；B、水中鉆井平臺(10)的安裝Bi、安裝駁船利用吊裝纜繩將水中鉆井平臺(10)吊入到海面(16)下Hl處；B2、安裝駁船下放遠(yuǎn)程控制機(jī)器人，遠(yuǎn)程控制機(jī)器人完成螺旋鋼絲繩股(7)與海底樁基(8)的連接；B3、安裝駁船通過臍帶纜向水中鉆井平臺(10)輸送壓縮氮?dú)?，提升水中鉆井平臺(10) 的凈浮力，同時(shí)張緊三根螺旋鋼絲繩股(7)，從而為下部隔水管0 的安裝提供一個相對平穩(wěn)的工作環(huán)境；所述的三根螺旋鋼絲繩股(7)的頂張緊力系數(shù)為1. 1-1. 3 ；C、下部隔水管05)的安裝Cl、鉆井船(1 運(yùn)行到達(dá)海上目標(biāo)作業(yè)區(qū)，鉆井船(1 利用下入管柱使得下部隔水管 (25)順利通過水中鉆井平臺(10)；C2、在下部隔水管0 通過水中鉆井平臺(10)，距離海底井口裝置08)上方50米左右時(shí)，鉆井船(1 通過水中鉆井平臺(10)的浮力調(diào)節(jié)裝置逐漸降低其凈浮力，放松先前張緊的螺旋鋼絲繩股(7)，下部隔水管0 借助下入管柱繼續(xù)下放，并完成與海底井口裝置 (28)的對接；C3、鉆井船(1 通過臍帶纜向水中鉆井平臺(10)送入壓縮氮?dú)猓嵘秀@井平臺 (10)的凈浮力，水中鉆井平臺(10)上浮完成與下部隔水管05)的連接；C4、鉆井船(1 通過臍帶纜繼續(xù)向水中鉆井平臺(10)送入壓縮氮?dú)?，提升水中鉆井平臺(10)的凈浮力，使下部隔水管0 的頂張緊力達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；所述的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為下部隔水管05)的頂張緊力系數(shù)1. 4-1. 6，三根螺旋鋼絲繩股(7)的頂張緊力系數(shù)1. 1-1. 3 ；D、防噴器組(5)的安裝防噴器組(5)安裝在上部隔水管OO)的下端，在水中鉆井平臺(10)上部的臨時(shí)導(dǎo)向設(shè)備的輔助下，防噴器組( 下放安裝在水中鉆井平臺(10)上部的井口頭C3)處。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種張力系泊式水中鉆井系統(tǒng)的安裝方法，其特征在于步驟Cl所述的下部隔水管05)的安接方法包括以下步驟在水中鉆井平臺(10)上部的井口頭C3)處安裝臨時(shí)導(dǎo)向基座，使得下部隔水管05) 準(zhǔn)確通過水中鉆井平臺(10)上的隔水管通道。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種張力系泊式水中鉆井系統(tǒng)的安裝方法，其特征在于步驟C2所述的下部隔水管0 與海底井口裝置08)的對接方法包括以下步驟在位于海床(17)上的海底井口裝置08)設(shè)置有導(dǎo)向喇叭口，便于下部隔水管05)的下端與海底井口裝置08)的準(zhǔn)確對接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種張力系泊式水中鉆井系統(tǒng)及其安裝方法，所述的系統(tǒng)包括鉆井船、水中鉆井平臺、張力系泊裝置、防噴器組、上部隔水管和下部隔水管。本發(fā)明的水中鉆井平臺通過螺旋鋼絲繩股張力系泊在位于海床的樁基上，極大地提高了水中鉆井平臺的穩(wěn)定性，可為下部隔水管與水中鉆井設(shè)備提供穩(wěn)定的安裝平臺。本發(fā)明張緊的螺旋鋼絲繩股可以分擔(dān)可能由于井筒內(nèi)部的不確定性壓力所引起的巨大上提張力，防止下部隔水管被拉斷，極大地提高了現(xiàn)有水中鉆井技術(shù)的安全系數(shù)。本發(fā)明在遇到緊急情況時(shí)，上部隔水管和防噴器組可與水中鉆井平臺上的井口頭迅速分離，形成鉆井船和水中鉆井平臺的斷開狀態(tài)，鉆井船可以去安全海域避險(xiǎn)，同時(shí)保證了水中鉆井系統(tǒng)的安全。
文檔編號E21B7/12GK102518397SQ20111043903
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月24日
發(fā)明者劉剛, 張崎, 李紅霞, 甄興偉, 黃一 申請人:大連理工大學(xué)