本發(fā)明涉及海洋深水鉆井領域，具體涉及一種深水鉆井導管隨鉆支撐裝置及其下入參數設計方法。

背景技術：

海洋深水鉆井過程中，導管下入到位并與水下井口、防噴器和隔水管連接后，起到結構支撐作用。導管一般采用直接噴射下入和先鉆孔后下入并固井兩種方式安裝到海底泥線以下設計位置，下入過程中不發(fā)生偏斜才能保證良好的下入和支撐效果。隨著水深不斷增加和海洋環(huán)境保護要求的提高，水下防噴器體積和重量有不斷增加的趨勢。重達幾百噸的水下防噴器及懸掛套管串的重力作用使導管承受巨大的豎向載荷作用；同時，由于隔水管上端與鉆井船或鉆井平臺相連，在風、浪、流等海洋環(huán)境載荷的動力作用下，隔水管產生復雜的動力作用將不斷的傳遞到導管上，導致導管承受巨大的橫向彎矩作用。在這些載荷的作用下，導管有下沉和傾斜的趨勢。在海洋環(huán)境特別惡劣、導管設計不夠合理的情況下，特別容易造成導管發(fā)生沉降和傾斜，嚴重時將造成隔水管折斷、井口破壞，不僅造成經濟損失，而且會形成巨大的災難。這些情況在美國墨西哥灣、巴西盆地等主要深水鉆井作業(yè)區(qū)已有發(fā)生。

為了防止導管下沉和傾斜，目前主要是采用增加導管的外徑和壁厚、附加泥線墊板、采用特定防沉降工具來控制導管的下沉和傾斜，但是都存在一定的技術缺陷：過大增加導管的外徑和壁厚，將直接導致導管與表層套管環(huán)空尺寸增大，不利于固井和鉆井作業(yè)；增加泥線墊板后，容易導致泥線墊板一側發(fā)生沖刷，造成導管傾斜更加嚴重。采用某些水下井口防失穩(wěn)裝置可以防止導管下沉，但是局限在導管安裝到位后的防止下沉，并且局限于噴射下入方式，不適合在硬地層進行的鉆進、下入并固井的方式；而且這類防失穩(wěn)裝置設在導管的上部，與導管采用螺紋或焊接方式的固定連接，不能起到隨鉆支撐的作用。因此，設計一種不但在導管下入過程中起到支撐作用，而且在導管下入到位后起到更大的支撐作用的導管隨鉆支撐裝置可以極大的提高深水鉆井導管的穩(wěn)定性和安全性，有效避免事故發(fā)生。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種操作簡便的解決導管隨鉆支撐技術問題的裝置和方法。

本發(fā)明提出的深水鉆井導管隨鉆支撐裝置包括隨鉆支撐組件、懸掛組件和支撐盤。

所述隨鉆支撐組件包括內筒、外筒和連接頂板；所述內筒套在導管上，可以沿導管自由滑動，外筒位于內筒外，直徑由上部向下部逐漸增大，外筒和內筒通過上部的連接頂板連接在一起，隨鉆支撐組件起到支撐導管以及附著在導管上的重量的作用。

所述懸掛組件上端固定在導管上，下端鉤掛隨鉆支撐組件的連接頂板，實現懸掛組件對隨鉆支撐組件的懸吊。

所述支撐盤固定在導管頭附近，當導管下入到位時，該支撐盤坐于隨鉆支撐組件頂部的懸掛組件上，起到懸掛導管的作用。

進一步，隨鉆支撐組件的外筒上有均布的排水孔，用于排出斜壁外筒和直壁內筒之間的海水和淤泥。

進一步，隨鉆支撐組件的內、外筒的底端均為具有一定斜率的尖角，減輕內外筒端部阻力，便于裝置下入海底淺部軟土中。

進一步，隨鉆支撐組件的內筒設計長度大于斜壁外筒，在起到支撐導管防止其沉降的同時，可以更好的提高導管在橫向載荷作用下的彎矩抵抗能力。

本發(fā)明的隨鉆支撐結構外筒為斜壁筒形，其下端開口直徑略大于頂部連接處直徑，筒壁具有一定的斜率，這種結構可以更有效的發(fā)揮支撐作用。

進一步，所述懸掛組件一種較好的實現結構是包括懸吊支撐鉸鏈、懸吊盤、懸吊鏈和懸掛鉤，懸吊支撐鉸鏈將懸吊盤鎖緊固定在導管上，懸吊盤沿周向連接多根懸吊鏈，多個懸掛鉤在隨鉆支撐組件的連接頂板上和懸吊盤上沿周向設置，懸吊鏈與懸掛鉤一一對應鉤掛。該結構可以根據本發(fā)明裝置的下入深度自由設置其在導管上的安裝位置；同時，在地層因素情況下，如果本發(fā)明裝置不能下到設計位置，則鉸鏈和懸吊盤可以被水下機器人操作解除，為導管下入到位預留位置。

進一步，所述懸掛組件具有兩級，兩級結構相同，兩級相隔一定距離固定在導管上，二級結構的功能和一級結構一樣，屬于安全附加結構。

在本發(fā)明設計的導管隨鉆支撐裝置的基礎上，進一步提出該裝置的下入參數設計方法。該方法是指根據土力學的基本原理，結合現場實際提出的一種用于導管隨鉆支撐裝置形狀、尺寸以及下入海底淺部地層深度設計的方法，以便于工程應用。

根據土力學理論，由于該裝置內外筒的底端均為具有一定斜率的尖角，因此可以忽略它們的端部阻力作用，這樣設計結構偏于安全且能大幅降低計算公式的復雜程度，可以更好滿足工程應用。由于內外筒的內、外側阻力對支撐作用起到決定性作用，且由于海底淺部軟土以淤泥和飽和粘性土為主，結合樁基設計理論，可以得到本發(fā)明隨鉆支撐裝置所提供的豎向承載力，如公式(1)所示。由于深水鉆井導管下入方法不同，本發(fā)明隨鉆支撐裝置承載力計算分為導管噴射下入和導管固井下入兩種情況。

式中，Q_J為裝置在導管噴射下入方式下的承載力，kN；Q_C為裝置在導管固井下入方式下的承載力，kN；d_vi和D_vi分別為第i段裝置內筒的內、外徑，m；d_di和D_di分別為第i段裝置外筒的內、外徑，m；L_V和L_D分別為裝置內筒、外筒的設計長度，m；l_vi為裝置內筒第i段周圍的土層厚度，m；l_di為裝置外筒第i段周圍的土層厚度，m；C_ui為第i段粘土的不排水抗剪強度，kPa；α為粘著系數，取決于土c層不排水抗剪強度和裝置進入土層的深度比；ξ為斜壁外筒承載力增強系數，與斜壁斜率有關；t_c為時間效應系數，根據現場土樣數據獲得。

本發(fā)明隨鉆支撐裝置下入過程中是隨鉆進行的，沒有外力輔助其下沉，因此需要同時計算出隨鉆支撐裝置在海水中的重量，如公式(2)所示。

式中，W_Z為裝置在海水中的浮重，kN；W_V和W_D分別為裝置內外筒在海水中的浮重，kN；W_f為裝置除內外筒外的附件重量，kN；ρ_s為鋼的密度，kg/m³；k_s為海水浮力系數。

同時，由于本發(fā)明隨鉆支撐裝置下入過程遇到的阻力和浮重都與裝置內外筒的長度有關，因此該裝置內筒、外筒的設計長度L_V和L_D應根據公式(3)迭代計算。

ε_d≤Q-W≤ε_u (3)

式中，ε_d和ε_u分別是最小、最大安全余量，kN。

最后，根據水下井口高度設計要求，將以上得到的隨鉆支撐裝置內外筒設計長度減去一個安全余量Δs，就得到了裝置內外筒的作業(yè)下入深度。

導管噴射下入方式的迭代過程如下：

首先，任意假設一個裝置外筒設計長度L_D的數值，把該數值代入公式(1)的Q_J(令L_V＝0)和公式(2)的W_D，如果計算滿足公式(3)，那么假設的L_D就是合理的；如果不滿足公式(3)，則逐步改變L_D的數值并重復上述步驟，迭代得到滿足要求的設計長度L_D。

然后，任意假設一個裝置內筒設計長度L_V的數值，把該數值代入公式(1)的Q_J(令L_D＝0)和公式(2)的W_V，如果計算滿足公式(3)，那么假設的L_V就是合理的；如果不滿足公式(3)，則逐步改變L_V的數值并重復上述步驟，迭代得到滿足要求的設計長度L_V的初步結果。

最后，按照最小計算步長增加裝置內筒的長度ΔL_V的數值，代入公式(1)的Q_J和公式(2)的W_Z，迭代計算使之滿足公式(3)，則獲得最終的內筒設計長度L_V。

改變隨鉆支撐裝置內外筒的直徑和外筒傾斜度，重復以上步驟，可以得到隨鉆支撐裝置不同形狀、尺寸以及下入深度等參數。

導管固井下入方式的迭代過程如下：

首先，任意假設一個裝置外筒設計長度L_D的數值，把該數值代入公式(1)的Q_C和公式(2)的W_D，同時令內筒設計長度L_V＝2L_D，代入公式(2)W_Z，如果計算滿足公式(3)，那么假設的L_D就是合理的；如果不滿足公式(3)，則逐步改變L_D的數值并重復上述步驟，迭代得到滿足要求的設計長度L_D。由于內筒還起到橫向彎矩承載作用，所以此時得到的L_V也就是內筒設計長度。

改變隨鉆支撐裝置內外筒的直徑和外筒傾斜度，重復以上步驟，可以得到隨鉆支撐裝置不同形狀、尺寸以及下入深度等參數。

本發(fā)明的有益效果在于：

1.本發(fā)明的隨鉆支撐結構內筒可以沿導管自由滑動，方便的實現了隨鉆提供導管支撐。

2.本發(fā)明的隨鉆支撐結構內筒設計長度大于斜壁外筒，在起到支撐導管防止其沉降的同時，可以更好的提高導管在橫向載荷作用下的彎矩抵抗能力。

3.本發(fā)明的隨鉆支撐結構外筒為斜壁筒形隨鉆支撐裝置，其下端開口直徑略大于頂部連接處直徑，筒壁具有一定的斜率，這種結構可以更有效的發(fā)揮支撐作用。

4.本發(fā)明的隨鉆支撐結構外筒為斜壁筒形隨鉆支撐裝置的上部一定位置開有一定數量的、均布的圓孔，用于排出斜壁外筒和直壁內筒之間的海水和淤泥。

5.本發(fā)明的內外筒底部筒壁具有一定斜率的斜角，減輕內外筒端部阻力，便于裝置下入海底淺部軟土中。

6.本發(fā)明的懸掛結構的一二級鉸鏈及懸吊盤，可以根據本發(fā)明裝置的下入深度自由設置其在導管上的安裝位置；同時，在地層因素情況下，如果本發(fā)明裝置不能下到設計位置，則鉸鏈和懸吊盤可以被水下機器人操作解除，為導管下入到位預留位置。

7.本發(fā)明的隨鉆支撐結構、懸掛結構可以在平臺上按照常規(guī)流程依次安裝，簡單快捷，不會造成鉆井時間的消耗。

8.本發(fā)明關于導管隨鉆支撐裝置下入參數設計方法是基于土力學的基本原理設計，同時充分考慮了現場施工需要，設計方法簡便、求解過程快捷、計算結果便于工程應用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明裝置和導管的安裝結構示意圖；

圖2是本發(fā)明裝置隨鉆支撐組件結構示意圖；

圖3是本發(fā)明裝置隨鉆支撐懸掛組件結構示意圖；

圖4是本發(fā)明裝置下入參數設計流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細闡述：

參見圖1、圖2和圖3，深水鉆井導管隨鉆支撐裝置包括隨鉆支撐組件、懸掛組件和支撐盤4。

隨鉆支撐組件又分為三部分，一部分是和導管接觸的直壁內筒16，一部分是上部帶有排水孔13的斜壁外筒14，還有一部分是連接內筒和外筒的上部連接頂板11。內筒和外筒絕大部分深入海底泥線以下的軟土中，起到支撐導管以及附著在導管上的重量。連接頂板11為加厚結構，一個功能是連接內、外筒，另一個功能是為其上焊接的數量不等的懸掛鉤提供結構面，以便在支撐裝置下入過程中通過懸吊鏈與懸掛組件配合，起到懸吊支撐結構的作用。

懸掛組件的結構由三部分組成，一部分是一級懸吊支撐鉸鏈24、一級懸吊盤23、一級懸吊鏈25和上、下懸掛鉤27和12，通過懸吊支撐鉸鏈24固定在導管下部一定位置，一級懸吊盤23沿周向連接多根一級懸吊鏈25，多個上、下懸掛鉤27和12在一、二級懸吊盤23、21上和隨鉆支撐組件的連接頂板11上沿周向設置，一、二級懸吊鏈與懸掛鉤一一對應鉤掛，由一級懸吊盤23通過鋼的一級懸吊鏈25懸吊本發(fā)明的隨鉆支撐組件。另一部分是二級懸吊支撐鉸鏈22、二級懸吊盤21、二級懸吊鏈26和上、下懸掛鉤27和12，其功能和一級懸吊支撐鉸鏈和懸吊盤一樣，屬于安全附加結構。第三部分是位于導管頭附近的支撐盤4，該支撐盤4通過焊接或其他連接方式與導管連在一起，當導管下入到位時，該支撐盤坐于隨鉆支撐結構頂部的懸掛結構上，起到懸掛導管的作用。

隨鉆支撐組件的直壁內筒16套在導管3上，可以沿導管自由滑動，斜壁外筒14位于直壁內筒16外，直徑由上部向下部逐漸增大，筒壁具有一定的斜率，可以更有效的發(fā)揮支撐作用。內、外筒的底端均為具有一定斜率的尖角17和15，減輕內外筒端部阻力，便于裝置下入海底淺部軟土中。直壁內筒16設計長度大于斜壁外筒14，在起到支撐導管防止其沉降的同時，可以更好的提高導管在橫向載荷作用下的彎矩抵抗能力。

以下進一步以深水鉆井噴射下導管方式為例進行說明：

首先根據本發(fā)明的設計方法進行裝置內外筒下入深度設計，基本參數如下：本裝置內筒16的內徑為920mm，等壁厚為25.4mm，本裝置外筒14的頂部外徑為1300mm，等壁厚為25.4mm，其斜壁的傾斜角為20度，本裝置頂部11的厚度為50.8mm；導管3外徑為914.4mm，等壁厚25.4mm，長度80m。為簡化計算，設海底泥線以下0-100m深度全部為粘土層。

結合圖4，根據導管噴射下入方式迭代流程進行設計：首先，假設裝置外筒14長度L_D的數值3m，把該數值代入公式(1)的Q_J(令L_V＝0)和公式(2)的W_D，不能滿足公式(3)，判斷出假設的數值偏小，利用計算機程序，將L_D逐次增加0.1m進行迭代計算，計算得到4.8m為滿足公式(3)的合理的外筒14的設計長度。然后，假設裝置內筒16的長度L_V的數值為4.8m，把該數值代入公式(1)的Q_J(令L_D＝0)和公式(2)的W_V，計算結果不能滿足公式(3)，判斷出假設的數值偏小，將L_V逐次增加0.1m進行迭代計算，計算得到8.9m為滿足公式(3)的外筒14的初步設計長度。綜合考慮本裝置的附件重量，將L_V逐次增加0.05m，代入公式(1)的Q_J和公式(2)的W_Z，進行迭代計算使之滿足公式(3)，可以獲得最終的合理的內筒設計長度L_V＝11.6m。根據以上設計流程，最終得到本裝置2的外筒14長度為4.8米，內筒16長度為11.6米。

改變算例中隨鉆支撐裝置內外筒的直徑和外筒傾斜度等參數，重復以上計算步驟，可以得到隨鉆支撐裝置不同形狀、尺寸以及下入深度等參數。

下入參數設計完成后，將滿足設計要求的本發(fā)明裝置運送到深水鉆井平臺上。深水鉆井噴射下入導管3前，在導管3的倒數第2根導管單根上安裝一級懸掛組件的一級懸吊支撐鉸鏈24和一級懸吊盤23，然后安裝二級懸掛組件的二級懸吊支撐鉸鏈22和二級懸吊盤21。安裝完畢并鎖緊兩級懸吊支撐鉸鏈后，按照常規(guī)導管連接流程連接導管3并使它穿過位于平臺月池位置的隨鉆支撐組件的內筒16，當一級懸吊支撐鉸鏈底部距離隨鉆支撐結構的頂板11大約30-50cm時，使用16組一二級懸懸吊鏈25和26連接頂板11上的下懸掛鉤12和一二級懸吊支撐吊盤23和21上的上懸掛鉤27，這樣就通過鋼鏈把本發(fā)明裝置的隨鉆支撐結構的外筒14和內筒16與一級懸吊盤23和二級懸吊盤21鏈接起來，在下放導管3和本發(fā)明裝置時，由鎖緊于導管3上的懸吊組件懸吊隨鉆支撐組件。在導管3的最后一根導管單根距導管頭2m的位置通過焊接或其他連接方式安裝好支撐盤4，使支撐盤4和導管3結合在一起。然后，按照常規(guī)深水鉆井下放導管流程將連接有本裝置的導管3下放到海底泥線附近。

通過水下機器人解鎖一級懸掛組件的懸吊支撐鉸鏈24和二級懸掛組件的懸吊支撐鉸鏈22，同時去除鏈接的一級和二級懸吊鏈25和26。這樣本裝置就可以通過自身重量接觸到海底并逐漸下沉，此時的導管3已經與本裝置2脫離，可以按照常規(guī)噴射下導管的方式啟動作業(yè)流程。當導管2被噴射下入的過程中，本裝置在自重的作用下隨導管自動下入，下入過程中為導管隨鉆提供結構支撐，由于本裝置的外筒14上開有8個附圖2所示的泄流圓孔13，可以將裝置下入過程中存積與內筒16和外筒14之間的海水和淤泥自動排出，降低了本裝置的下入阻力。同時，本裝置的內筒16和外筒14的底端部均為具有一定斜率的尖角結構17和15，可以更好的降低本裝置的下入阻力。

在本裝置和導管均在海底下入到位后，由支撐盤4提供導管3座于隨鉆支撐組件的頂板11上的支撐。這樣，隨導管3鉆進自動下入的本支撐裝置不但在下入過程中為導管提供結構支撐和引導，而且在下入到位后為導管以及后續(xù)套管提供很好的豎向和橫向支撐，滿足導管的穩(wěn)定性要求，保證其不發(fā)生下沉或傾斜，從而保證了深水鉆井作業(yè)的安全。

上面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是，本發(fā)明還可以采用其他不同于在此描述的方式來實施，因此，不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制。其他根據本發(fā)明進行的改變，也屬于本發(fā)明保護范圍。