一种深水表层导管承载力加强装置及深水表层导管装置的制作方法

1.本发明涉及海洋工程钻井装备技术领域，尤其是一种深水表层导管承载力加强装置及深水表层导管装置。


背景技术：

2.天然气水合物，是天然气和水在低温高压条件下形成的一种主要成分为甲烷的固体化合物，通常位于海底以下几十米到300m以内的浅部地层，超过90％的储量分布于水深超过800米的深水海域。在海洋深水油气田开发过程中，实施深水表层喷射钻井作业时，钻杆与钻头连接在一起形成喷射管柱，并由钻头喷嘴处喷射出高速流体冲击扰动周围地层以形成井眼，从而下入表层导管。
3.然而，在含天然气水合物地层中进行喷射下表层导管作业时，喷射范围内及其附近区域地层中的天然气水合物将会发生分解，并不断地释放出大量的甲烷气体和水，致使其分解区的孔隙压力迅速上升，地层的有效应力大幅度降低，进而导致地层的强度及稳定性大幅下降，表层导管与地层的侧向摩阻力也随之降低。而表层导管及其上的水下井口具有承担井口载荷并悬挂各层套管的作用，其承载力主要由地层提供，当井口载荷超过了水合物分解后地层所能够提供的承载力，将导致井口下沉、甲烷逸散、海底沉陷等严重的作业事故，造成巨大的经济损失及海洋环境污染。
4.为了提高地层的承载力，通常采用的方法是增加导管下入深度，延长导管下入后的等候时间，但此种方式时效性较差，经济成本较高，作业风险及作业难度大，将给后续钻井作业及深水油气田生产留下巨大的安全隐患。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种深水表层导管承载力加强装置及深水表层导管装置，以解决现有技术通过增加导管下入深度、延长导管下入后的等候时间来提高地层承载力所存在的时效性差，经济成本高，风险系数大的问题。
6.为达到上述目的，本发明提出一种深水表层导管承载力加强装置，包括：管体，限定一中心轴线；滑动套，能轴向滑动地套接在所述管体外；多个承载板，围绕所述管体间隔布置，各所述承载板分别与所述管体铰接，以绕铰接点在一收回位置和一张开位置之间往复摆动，所述承载板处于所述张开位置时与所述中心轴线之间的夹角，大于处于所述收回位置时与所述中心轴线之间的夹角，各所述承载板分别与所述滑动套通过连动杆连接，所述滑动套的滑动运动和所述承载板的摆动运动通过所述连动杆传递和转换。
7.如上所述的深水表层导管承载力加强装置，其中，所述承载板处于所述收回位置时与所述中心轴线之间的夹角大于0
°
且小于或等于30
°
。
8.如上所述的深水表层导管承载力加强装置，其中，所述承载板处于所述张开位置时与所述中心轴线之间的夹角不大于90
°
。
9.如上所述的深水表层导管承载力加强装置，其中，所述承载板处于所述张开位置
时与所述中心轴线之间的夹角等于90
°
。
10.如上所述的深水表层导管承载力加强装置，其中，所述管体通过固定于其外侧壁上的多个支承件与多个所述承载板铰接，所述支承件使所述承载板与所述管体之间保持间隔。
11.如上所述的深水表层导管承载力加强装置，其中，所述滑动套包括筒体和凸台，所述筒体与所述管体滑动配合，所述凸台由所述筒体的外侧壁径向向外凸出，且沿所述筒体的周向延伸，各所述连动杆分别与所述凸台铰接。
12.如上所述的深水表层导管承载力加强装置，其中，所述管体的外侧壁上设有沿所述管体的轴向延伸的滑槽，所述滑槽具有轴向相对的两端，所述滑动套具有与所述滑槽滑动配合的滑块，所述滑块能在所述滑槽的两端之间往复滑动，通过所述滑槽限定所述滑动套的滑动距离和所述承载板在所述张开位置和所述收回位置之间的摆动角度。
13.如上所述的深水表层导管承载力加强装置，其中，各所述承载板的朝向所述管体的内侧面上固定有连接杆，所述连接杆平行于所述承载板的长度方向设置，所述连接杆具有与所述管体铰接的第一铰接部位、以及与所述连动杆铰接的第二铰接部位，所述第一铰接部位和所述第二铰接部位在所述连接杆的长度方向上相间隔，所述连接杆上沿长度方向设有用于容纳所述连动杆的容纳槽，所述第二铰接部位位于所述容纳槽的两端之间，当所述承载板处于所述收回位置时，部分所述连动杆位于所述容纳槽内。
14.如上所述的深水表层导管承载力加强装置，其中，所述第一铰接部位通过第一转轴与所述管体铰接，所述第二铰接部位通过第二转轴与所述连动杆的一端铰接，所述连动杆的另一端通过第三转轴与所述滑动套铰接，所述第一转轴、所述第二转轴和所述第三转轴均垂直于所述中心轴线。
15.本发明还提供一种深水表层导管装置，包括上述的深水表层导管承载力加强装置、表层导管和水下井口，所述表层导管和所述水下井口分别与所述管体的轴向两端连接。
16.本发明的深水表层导管承载力加强装置及深水表层导管装置的特点和优点是：
17.1、本发明通过设置能张开和收回的多个承载板，能有效提高地层承载力，自动化程度高，可操控性强，结构稳定，时效性高，经济成本低，安全可靠性高，可重复使用，为海上钻井作业节省时间及成本，有效解决了深水含水合物不稳定浅地层，喷射作业时地层承载力低的难题，为海洋石油安全高效开发提供了重要保障；
18.2、本发明通过将承载板设置为在处于收回位置时与中心轴线之间的夹角大于0
°
且小于30
°
，能减小下放过程受到的海水阻力，并能防止承载板与泥面接触时形成自锁，便于连动杆顺利推动承载板张开；
19.3、本发明通过将承载板设置为在处于收回位置时与中心轴线之间的夹角等于90
°
，使承载板以水平状态与泥面接触，增大承载板与地层的接触面积，从而增大地层承载力；
20.4、本发明通过设置支承件使承载板与管体之间保持间隔，当承载板处于张开位置时，承载板与管体及井口之间具有空隙，喷射作业钻井液及固井作业水泥浆可以从空隙中顺利通过，保证后续作业顺利进行。
附图说明
21.以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
22.图1是本发明一实施例的深水表层导管装置在多个承载板处于收回位置时的示意图；
23.图2是图1中深水表层导管装置的剖视图；
24.图3是图1中深水表层导管装置处于倾斜状态的示意图；
25.图4是本发明一实施例的深水表层导管装置在多个承载板朝张开位置摆动时的示意图；
26.图5是图4中深水表层导管装置的剖视图；
27.图6是图4中深水表层导管装置处于倾斜状态的示意图；
28.图7是本发明一实施例的深水表层导管装置在多个承载板处于张开位置时的示意图；
29.图8是图7中深水表层导管装置的剖视图；
30.图9是图7中深水表层导管装置处于倾斜状态的示意图；
31.图10是本发明一实施例的深水表层导管承载力加强装置的立体结构示意图；
32.图11是本发明一实施例的承载板的结构示意图；
33.图12是本发明一实施例的管体的结构示意图；
34.图13是本发明一实施例的滑动套的结构示意图；
35.图14是本发明一实施例的连接杆的结构示意图；
36.图15是本发明一实施例的连动杆的结构示意图。
37.主要元件标号说明：
38.1、管体；101、滑槽；
39.2、滑动套；201、筒体；202、凸台；203、加强筋；204、滑块；
40.3、承载板；301、避让槽；4、连动杆；5、表层导管；6、水下井口；
41.7、支承件；8、加强肋；9、连接杆；901、第一铰接部位；
42.902、第二铰接部位；903、容纳槽；
43.10、第一转轴；11、第二转轴；12、第三转轴。
具体实施方式
44.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。其中，形容词性或副词性修饰语“上”和“下”、“顶”和“底”、“内”和“外”的使用仅是为了便于多组术语之间的相对参考，且并非描述对经修饰术语的任何特定的方向限制。另外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
45.在本发明的描述中，除非另有说明，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，可以是可拆卸连接，可以是直接连接，可以是通过中间媒介间接连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。
46.除非单独定义指出的方向以外，本文中涉及到的上、下等方向均是以本发明所示的图1中的上、下等方向为准，在此一并说明。
47.实施方式一
48.如图1至图10所示，本发明提供一种深水表层导管承载力加强装置，包括管体1、滑动套2和多个承载板3(如图10所示)，管体1限定一中心轴线o，滑动套2能轴向滑动地套接在管体1外；多个承载板3围绕管体1间隔布置，各承载板3分别与管体1铰接，以绕铰接点在一收回位置和一张开位置之间往复摆动，承载板3处于张开位置时(如图7至图9所示)与中心轴线o之间的夹角，大于处于收回位置时(如图1至图3所示)与中心轴线o之间的夹角，即多个承载板3具有处于收回位置时的收回状态和处于张开位置时的张开状态，多个承载板3在处于收回状态时并拢在管体1周围(如图1至图3所示)，以便于在海水中下放，多个承载板3在处于张开状态时大致呈撑开的伞状(如图7至图9所示)，以支撑于海床泥面上；各承载板3分别与滑动套2通过连动杆4连接，滑动套2的滑动运动和承载板3的摆动运动通过连动杆4传递和转换。
49.本发明的加强装置在应用于深水含水合物不稳定浅地层喷射钻井作业时，管体1的下端连接表层导管5，管体1的上端连接水下井口6，从而构成深水表层导管装置(如图1至图9所示)。
50.将导管装置下入海底地层的方法如下：
51.起初，将导管装置以竖直状态由载体甲板向水中下放(如图1所示)，下放过程中表层导管5朝下，水下井口6朝上，多个承载板3在重力作用下自然下垂处于收回位置，下放过程中受到的海水阻力较小；
52.之后，当导管装置下放至海床泥面时，表层导管5首先入泥，随着入泥深度的增加，滑动套2接触泥面，由于受到泥面的阻力，滑动套2相对于管体1向上滑动，并驱动连动杆4发生转动，连动杆4的转动驱使承载板3朝管体1的外侧摆动(如图4至图6所示)，当承载板3摆动至张开位置时(如图7至图9所示)，多个承载板3支撑于海床泥面上，即表层导管5和多个承载板3同时与地层接触，与现有技术仅表层导管与地层接触相比，增大了与地层的接触面积，从而增大了地层对深水表层导管装置的承载力，消除因地层承载力不足而带来的作业风险，另外支撑于泥面的多个承载板3还能防止水下井口6发生倾斜，避免二次下放，为钻井作业节省时间和成本；
53.最后，当钻探井作业结束后，只需利用钻杆上提导管装置，多个承载板3在重力作用下会自动摆动至收回位置，将导管装置上提至水面以上。
54.本发明的加强装置能有效提高地层承载力，自动化程度高，可操控性强，结构稳定，时效性高，经济成本低，安全可靠性高，可重复使用，为海上钻井作业节省时间及成本，有效解决了深水含水合物不稳定浅地层，喷射作业时地层承载力低的难题，为海洋石油安全高效开发提供了重要保障。
55.在一实施例中，如图1至图3所示，承载板3处于收回位置时与中心轴线o之间的夹角大于0
°
且小于或等于30
°
，例如该夹角为15
°
、20
°
、25
°
或30
°
，即承载板3在随导管装置下放过程中不与水平面垂直，而是相对于水平面倾斜较小的角度，能防止承载板3与泥面接触时形成自锁，便于连动杆4顺利推动承载板3张开。
56.在一实施例中，承载板3处于张开位置时与中心轴线o之间的夹角不大于90
°
，优选
地，承载板3处于张开位置时与中心轴线o之间的夹角等于90
°
(如图7至图9所示)，以使承载板3以水平状态与泥面接触，增大承载板3与地层的接触面积，从而增大地层承载力。
57.当承载板3以水平状态与泥面接触时，承载板3微入泥并与海底泥面相平行，连动杆4与承载板3之间的夹角达到最小，承载板3、管体1和连动杆4围成稳固的直角三角形状，结构牢靠稳固，对水下井口6形成稳定支撑，使水下井口6保持与地层垂直的状态。
58.在一实施例中，如图3、图11所示，承载板3为平板，承载板3整体呈梯形，承载板3的下端宽度大于承载板3的上端宽度，在保证多个承载板3处于收回位置时不发生相互干涉的前提下，通过尽可能增大承载板3的下端宽度，可以增大承载板3的表面积，从而进一步增大承载板3与地层的接触面积，进一步增大地层承载力。
59.在一实施例中，如图10、图12所示，管体1通过固定于其外侧壁上的多个支承件7与多个承载板3铰接，支承件7使承载板3与管体1之间始终保持间隔，当承载板3处于张开位置时，承载板3与管体1及井口之间具有空隙(如图9所示)，喷射作业钻井液及固井作业水泥浆可以从空隙中顺利通过，保证后续作业顺利进行。
60.例如，如图12所示，支承件7为三角形支架，三角形支架的一顶角与承载板3铰接，承载板3上设有与该顶角对应的避让槽301(如图11所示)，以防止承载板3摆动过程中与三角形支架之间发生干涉；另外，可以在承载板3靠近管体1的两个角处倒角。
61.在图10的示例中，承载板3的数量为四个，四个承载板3沿管体1的周向等间隔布置；支承件7的数量也为四个，四个支承件7沿管体1的周向等间隔布置，且与四个承载板3一一对应；连动杆4的数量也为四个，四个连动杆4分别与四个承载板3连接。
62.在一实施例中，如图11所示，各承载板3的表面设有多条加强肋8，例如加强肋8设于承载板3的朝向管体1的内侧面上，多条加强肋8沿承载板3的宽度方向间隔布置，每条加强筋沿承载板3的长度方向延伸，以提高承载板3的结构强度和抗拉强度，进而提高导管装置对水下井口6的承载强度。
63.在一实施例中，如图13所示，滑动套2包括筒体201和凸台202，筒体201与管体1滑动配合，凸台202由筒体201的外侧壁径向向外凸出，且沿筒体201的周向延伸，各连动杆4分别与凸台202铰接。例如凸台202的外轮廓形状为八边形。
64.进一步，再如图13所示，筒体201的外侧壁和凸台202之间连接有多个加强筋203，多个加强筋203沿筒体201的周向间隔布置，以提高滑动套2的结构强度。
65.在一实施例中，如图12、图13所示，管体1的外侧壁上设有沿管体1的轴向延伸的滑槽101，滑槽101具有轴向相对的两端，滑动套2具有与滑槽101滑动配合的滑块204，例如滑块204为自筒体201内壁面沿径向向内凸出的凸条，滑块204能在滑槽101的两端之间往复滑动，即滑槽101用于引导滑动套2轴向滑动，限制滑动套2转动，并限定滑动套2的滑动距离，进而限定承载板3在张开位置和收回位置之间的摆动角度。具体是，当滑块204与滑槽101的上端面相顶抵时，滑动套2滑动至上极限位置，且承载板3处于张开位置；当滑块204与滑槽101的下端面相顶抵时，滑动套2滑动至下极限位置，且承载板3处于收回位置。
66.如图12、图13所示，管体1的外侧壁上设有多个滑槽101，多个滑槽101沿管体1的周向间隔设置，相应的，筒体201的内侧壁上设有多个滑块204，多个滑块204分别能滑动地嵌设于多个滑槽101内，通过设置多个滑槽101，使滑动套2的滑动更平稳。
67.在一实施例中，如图10、图14所示，各承载板3的朝向管体1的内侧面上固定有连接
杆9，连接杆9平行于承载板3的长度方向设置，连接杆9具有与管体1铰接的第一铰接部位901、以及与连动杆4铰接的第二铰接部位902，即承载板3通过连接杆9与管体1和连动杆4铰接，第一铰接部位901和第二铰接部位902在连接杆9的长度方向上相间隔，连接杆9上沿长度方向设有用于容纳连动杆4的容纳槽903，第二铰接部位902位于容纳槽903的两端之间，当承载板3处于收回位置时，部分连动杆4位于容纳槽903内，以减小装置在海水中下放时受到的阻力。
68.在一具体实施例中，如图10所示，第一铰接部位901通过第一转轴10与管体1上的支承件7铰接(如图12、图14所示)，第二铰接部位902通过第二转轴11与连动杆4的一端铰接(如图14、图15所示)，连动杆4的另一端通过第三转轴12与滑动套2铰接(如图13、图15所示)，第一转轴10、第二转轴11和第三转轴12均垂直于中心轴线o。
69.为了保证顺畅转动，还可以在第一转轴10、第二转轴11和第三转轴12外分别设置轴承，通过轴承支撑各转轴转动。
70.例如，具体是，如图14所示，连接杆9的一端可以为第一铰接部位901，用于与支承件7通过第一转轴10铰接，连接杆9具有相对的第一侧面和第二侧面，连接杆9的第一侧面与承载板3的内侧面焊接固定，容纳槽903设于连接杆9的第二侧面上，容纳槽903沿连接杆9的长度方向延伸至连接杆9的另一端，以容纳连动杆4，容纳槽903的中部可以是第二铰接部位902，以通过第二转轴11与连动杆4铰接，第三转轴12设于滑动套2的凸台202中(如图13所示)，以将凸台202和连动杆4铰接。
71.实施方式二
72.如图1至图9所示，本发明还提供一种深水表层导管装置，其包括实施方式一的深水表层导管承载力加强装置、表层导管5和水下井口6，表层导管5和水下井口6分别与管体1的轴向两端连接。
73.具体是，管体1具有上端和下端，管体1的上端为滑动套2驱动承载板3张开时滑动朝向的一端，表层导管5与管体1的下端连接，水下井口6与管体1的上端连接。
74.该实施方式中的深水表层导管承载力加强装置与实施方式一的结构、工作原理和有益效果相同，在此不再赘述。
75.以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。而且需要说明的是，本发明的各组成部分并不仅限于上述整体应用，本发明的说明书中描述的各技术特征可以根据实际需要选择一项单独采用或选择多项组合起来使用，因此，本发明理所当然地涵盖了与本案发明点有关的其它组合及具体应用。