一种海底钻井装置及其海底连续管钻井系统

1.本发明涉及海洋钻井设备技术领域，特别是涉及一种海底钻井装置及其海底连续管钻井系统。


背景技术：

2.天然气水合物是资源量丰富的高效清洁能源，储藏在海洋水深800～5000米、海床以下500米内，目前我国完成了两轮天然气水合物试采，均采用半潜式钻井平台，该平台建造成本巨大，且钻井效率较低。
3.采用在深水海底进行钻井工作模式的海底钻机，是相对经济化开发海域天然气水合物的可行方式，但是现有技术中较少有针对于海洋天然气水合物钻井的海底钻机。
4.申请公布号为cn 109944548 a的中国专利公开了一种海底钻机钻井系统及方法，系统包括驳船、脐带缆、海底装置和钻井装置；驳船上装载有气电液控制装置和泥浆处理装置，气电液控制装置和泥浆处理装置分别通过脐带缆与海底装置连接；海底装置包括海底行走装置、连续管滚筒、井架、集中阀座、钻头更换装置、井口装置和套管架，集中阀座与脐带缆连接，用于将脐带缆传输来的包括泥浆、水泥和电信号进行分路；井架安装于井口装置上方，分别与钻头更换装置和套管架配合，用于进行钻头更换作业和输送、收回套管作业；钻井装置与连续管连接，用于进行钻进作业。该方案在进行下套管作业时，需要通过气电液控制装置控制海底行走装置移动至指定地点，然后由气电液控制装置控制套管装卸装置从套管架抓取套管，该过程对控制系统的要求较高，且需要耗费时间进行行走和对中工作，如果套管架和井口装置配合位置不精确还会严重影响下套管工作。
5.申请公布号为cn 114961563 a的中国专利公开了一种深水海底连续管钻机，包括升降机架，升降机架包括相互套设并通过升降装置连接的上机架和下机架，上机架和下机架围成工作空间，工作空间内安装有水下接卸工具，工作空间随上机架的上下移动分别形成工具接卸的高位大空间状态和钻进过程的低位小空间状态，上机架设置有用于下放和提升井下工具组合的水下连续管系统，下机架设置有井口装置。该方案通过设置升降机架实现高位大空间状态和低位小空间状态的转换，并在不同状态内进行工具接卸和钻进过程，能够在不移动位置的基础上实现下套管工作，但是需要升降机架具有升降功能，结构复杂，下套管过程繁琐，工作效率有待提高。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种海底钻井装置及其海底连续管钻井系统，以解决上述现有技术存在的问题，利用水下井架上设置的钻井用滚筒和下套管用滚筒分别提供钻井连续管和下套管连续管，通过注入头和井口装置的配合，使得钻井连续管和下套管连续管按照需求分别进入井内，从而能够在不移动水下井架和改变水下井架自身结构状态的基础上，实现钻井和下套管的工作，能够简化工作步骤，提高工作效率。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
8.本发明提供一种海底钻井装置，包括水下井架以及分别安装在所述水下井架底部和顶部的井口装置和双滚筒连续管装置，所述双滚筒连续管装置包括设置在所述井口装置正上方的注入头以及分布在所述注入头两侧的钻井用滚筒和下套管用滚筒，所述钻井用滚筒用于收放钻井连续管，所述下套管用滚筒用于收放下套管连续管，所述钻井连续管和所述下套管连续管均能够分别顺次穿过所述注入头和所述井口装置。
9.优选地，所述钻井用滚筒和所述下套管用滚筒分别通过第一导轨和第二导轨设置在所述水下井架上，所述钻井用滚筒在所述第一导轨上的移动轨迹以及所述下套管用滚筒在所述第二导轨上的移动轨迹均能够对应于所述注入头。
10.优选地，包括下管辅助装置，所述下管辅助装置包括靠近所述注入头设置的第一机械手和靠近所述井口装置设置的第二机械手。
11.优选地，初始状态，所述钻井连续管位于所述注入头和所述井口装置内，下套管前，所述钻井连续管收回；所述第一机械手用于将所述下套管连续管装入所述注入头，所述第二机械手用于将所述下套管连续管装入所述井口装置。
12.优选地，包括井下工具组合，所述井下工具组合的顶端为连接器，用于与所述钻井连续管连接，底端为电动钻具，用于井眼的钻进。
13.本发明还提供一种海底连续管钻井系统，包括前文记载的所述的海底钻井装置、辅助船以及连接所述海底钻井装置和所述辅助船的连接管缆，所述连接管缆包括吊索、脐带缆和物料输送管。
14.优选地，所述井口装置包括井口基座，所述井口基座底部设置有导管，所述井口基座顶部由下向上顺次设置有水泥头和防喷器。
15.优选地，所述物料输送管包括水泥输送管和泥浆输送管，所述辅助船上设置有泥浆及水泥系统以及控制系统，所述海底钻井装置上设置有液压动力站；所述水泥输送管一端连接所述泥浆及水泥系统，另一端连接所述水泥头；所述泥浆输送管一端连接所述泥浆及水泥系统，另一端连接所述钻井连续管；所述脐带缆一端连接所述控制系统，另一端连接所述液压动力站。
16.优选地，包括吸力桩装置，所述吸力桩装置包括安装在所述水下井架底部四周的桩桶以及与所述桩桶连通的泵系统，所述泵系统用于向所述桩桶内充水或排水。
17.优选地，所述导管和所述桩桶均低于所述水下井架，所述海底钻井装置下放时，所述导管随所述桩桶一同入泥。
18.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
19.(1)本发明利用水下井架上设置的钻井用滚筒和下套管用滚筒分别提供钻井连续管和下套管连续管，通过注入头和井口装置的配合，使得钻井连续管和下套管连续管按照需求分别进入井内，从而能够在不移动水下井架和改变水下井架自身结构状态的基础上，实现钻井和下套管的工作，能够简化工作步骤，提高工作效率；通过将海底钻井装置直接放入海底，相对于半潜式钻井平台能够降低钻井成本，采用双滚筒连续管装置的结构，能够实现一趟钻井和一趟下套管的作业，省去了接根时间，大大提高了钻井效率；
20.(2)本发明钻井用滚筒在第一导轨上的移动轨迹以及下套管用滚筒在第二导轨上的移动轨迹均能够对应于注入头，在收卷和排放钻井连续管和下套管连续管时，能够保证钻井连续管和下套管连续管对正注入头，保证收卷和排放过程的顺利，避免卡顿和对钻井
连续管和下套管连续管的磨损；
21.(3)本发明在初始状态时先将钻井连续管安装在注入头和井口装置内，下套管前再将钻井连续管收回，只需要第一机械手和第二机械手在下放下套管连续管时进行动作即可，因此可以采用结构和功能相对简单的机械手，避免对于机械手动作状态的过高要求导致其结构复杂，能够提高机械手运行的稳定性和可靠性；
22.(4)本发明利用吸力桩装置对水下井架进行固定，在固定前利用桩桶的升降实现水下井架的升降移动，通过将井口装置的导管和吸力桩装置的桩桶设置的均低于水下井架，能够将导管在水下井架下放时同步埋入海底泥中，从而能够在安装水下井架时即可同时实现对井口位置的确定，利用井口装置能够顺利将钻井连续管和下套管连续管送入井中，顺利完成钻井和下套管的工作。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本发明海底连续管钻井系统示意图；
25.图2为本发明海底钻井装置及吸力桩装置示意图；
26.图3为本发明井口装置示意图；
27.图4为本发明双滚筒连续管装置示意图；
28.图5为图2顶部结构放大示意图；
29.图6为图2底部结构放大示意图；
30.其中，1、辅助船；11、泥浆及水泥系统；12、控制系统；2、连接管缆；21、水泥输送管；22、泥浆输送管；23、吊索；24、脐带缆；3、海底钻井装置；31、水下井架；32、双滚筒连续管装置；321、钻井用滚筒；322、钻井连续管；323、下套管用滚筒；324、下套管连续管；325、注入头；326、导轨装置；3261、第一导轨；3262、第二导轨；33、下管辅助装置；331、第一机械手；332、第二机械手；34、液压动力站；35、井下工具组合；351、电动钻具；352、连接器；36、井口装置；361、井口基座；362、水泥头；363、防喷器；364、导管；4、吸力桩装置；41、桩桶；42、泵系统。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.本发明的目的是提供一种海底钻井装置及其海底连续管钻井系统，以解决现有技术存在的问题，利用水下井架上设置的钻井用滚筒和下套管用滚筒分别提供钻井连续管和下套管连续管，通过注入头和井口装置的配合，使得钻井连续管和下套管连续管按照需求分别进入井内，从而能够在不移动水下井架和改变水下井架自身结构状态的基础上，实现
钻井和下套管的工作，能够简化工作步骤，提高工作效率。
33.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
34.如图1～6所示，本发明提供一种海底钻井装置3，包括水下井架31以及分别安装在水下井架31底部和顶部的井口装置36和双滚筒连续管装置32。其中，水下井架31为下放到海底的支架，可以采用框架式或管桁架式的结构，主要用于承载各钻井设备和下套管设备等，以能够架设在井口上方进行钻井和下套管等工作。井口装置36固定在井口上方，用于通过井口装置36送入钻井连续管322或下套管连续管324，并且，可以通过井口装置36在钻井过程中向井内输送泥浆或在钻井完成后输送水泥等固井材料。双滚筒连续管装置32包括设置在井口装置36正上方的注入头325以及分布在注入头325两侧的钻井用滚筒321和下套管用滚筒323，钻井用滚筒321缠绕有钻井连续管322，通过转动钻井用滚筒321可以用于收放钻井连续管322；下套管用滚筒323缠绕有下套管连续管324，通过转动下套管用滚筒323可以用于收放下套管连续管324。注入头325采用现有技术的注入头325，能够提供钻井连续管322和下套管连续管324的输送动力。在进行钻井工作时，钻井连续管322能够顺次穿过注入头325和井口装置36并进入井内；在进行下套管工作时，下套管连续管324能够顺次穿过注入头325和井口装置36并进入井内。需要注意的是，为便于将钻井连续管322和下套管连续管324顺利穿入注入头325和井口装置36，可以采用机械手进行牵引定位，也可以采用楔形或锥形导向结构进行导向。本发明利用水下井架31上设置的钻井用滚筒321和下套管用滚筒323分别提供钻井连续管322和下套管连续管324，通过注入头325和井口装置36的配合，使得钻井连续管322和下套管连续管324按照需求分别进入井内，从而能够在不移动水下井架31和改变水下井架31自身结构状态的基础上，实现钻井和下套管的工作，能够简化工作步骤，提高工作效率。另外，将海底钻井装置3直接放入海底，而非采用半潜式钻井平台，能够降低钻井成本，而且采用双滚筒连续管装置32的结构，可以实现一趟钻井和一趟下套管的作业，省去了接根时间，大大提高了钻井效率。
35.如图4所示，包括安装在水下井架31上的导轨装置326，导轨装置326包括第一导轨3261和第二导轨3262，并且，第一导轨3261和第二导轨3262分别包括两平行设置的轨道。钻井用滚筒321和下套管用滚筒323分别通过第一导轨3261和第二导轨3262设置在水下井架31上，能够分别沿着第一导轨3261和第二导轨3262进行移动。钻井用滚筒321在第一导轨3261上的移动轨迹以及下套管用滚筒323在第二导轨3262上的移动轨迹均能够对应于注入头325，即在收卷和排放钻井连续管322和下套管连续管324时，能够保证钻井连续管322和下套管连续管324对正注入头325，保证收卷和排放过程的顺利，避免卡顿和对钻井连续管322和下套管连续管324的磨损。
36.结合图2、图5和图6所示，包括安装在水下井架31上的下管辅助装置33，下管辅助装置33可以包括靠近注入头325设置的第一机械手331和靠近井口装置36设置的第二机械手332。第一机械手331用于将钻井连续管322或下套管连续管324对准注入头325的上方入口，第二机械手332用于将钻井连续管322或下套管连续管324对准井口装置36的上方入口。
37.在初始状态，即下放海底钻井装置3之前，可以先将钻井连续管322安装在注入头325和井口装置36内，在完成钻井工作，进行下套管前，再将钻井连续管322收回。此时，不需要利用第一机械手331和第二机械手332牵引钻井连续管322对准相应位置，只需要第一机
械手331和第二机械手332在下放下套管连续管324时进行动作即可，即第一机械手331只用于将下套管连续管324装入注入头325，第二机械手332只用于将下套管连续管324装入井口装置36。因此，可以采用结构和功能相对简单的第一机械手331和第二机械手332，避免对于机械手动作状态的过高要求导致其结构复杂，能够提高机械手运行的稳定性和可靠性。
38.如图2和图6所示，包括井下工具组合35，井下工具组合35主要由连接器352、非旋转接头、提升短节、丢手、转换接头、单向阀等工具组成，井下工具组合35的顶端为连接器352，用于与钻井连续管322连接，底端为电动钻具351，用于井眼的钻进。
39.如图1～6所示，本发明还提供一种海底连续管钻井系统，包括前文记载的所述的海底钻井装置3、辅助船1以及连接海底钻井装置3和辅助船1的连接管缆2，连接管缆2包括吊索23、脐带缆24和物料输送管。辅助船1上设置有起吊设备，通过吊索23下放和回收海底钻井装置3。脐带缆24用于从辅助船1上向海底钻井装置3提供动力电和控制信号等。物料输送管用于从辅助船1向海底钻井装置3提供钻井和固井用相关物料。
40.如图3所示，井口装置36可以包括井口基座361，井口基座361安装在水下井架31的底部，井口基座361用于安装井控设备和井口设备，其中，井口基座361底部设置有导管364，井口基座361顶部由下向上顺次设置有水泥头362和防喷器363。
41.如图1所示，物料输送管包括水泥输送管21和泥浆输送管22，辅助船1上设置有泥浆及水泥系统11以及控制系统12，海底钻井装置3上设置有液压动力站34，液压动力站34安装在水下井架31靠近底部的位置。水泥输送管21一端连接泥浆及水泥系统11，另一端连接水泥头362，泥浆及水泥系统11通过水泥输送管21向套管和井筒之间输送固井水泥。泥浆输送管22一端连接泥浆及水泥系统11，另一端连接钻井连续管322，钻井液依次流经泥浆输送管22、钻井连续管322和井下工具组合35到达井下。脐带缆24一端连接控制系统12，另一端连接液压动力站34。
42.如图1、图2和图6所示，包括吸力桩装置4，吸力桩装置4包括安装在水下井架31底部四周的桩桶41以及与桩桶41连通的泵系统42，泵系统42安装在水下井架31上用于向桩桶41内充水或排水。桩桶41是一种顶端封闭、底端敞开的桶体结构，在泵系统42的作用下，利用桩桶41自重及桶内外压差实现贯入海底泥层以下。
43.导管364和桩桶41均低于水下井架31，海底钻井装置3下放时，导管364随桩桶41一同入泥。本发明利用吸力桩装置4对水下井架31进行固定，在固定前利用桩桶41的升降实现水下井架31的升降移动，通过将井口装置36的导管364和吸力桩装置4的桩桶41设置的均低于水下井架31，能够将导管364在水下井架31下放时同步埋入海底泥中，从而能够在安装水下井架31时即可同时实现对井口位置的确定，利用井口装置36能够顺利将钻井连续管322和下套管连续管324送入井中，顺利完成钻井和下套管的工作。
44.本发明具体应用时的方法如下：
45.在陆地安装整套系统，其中，双滚筒连续管装置32安装在水下井架31上端，井口装置36安装在井架底板中心位置。钻井连续管322与井下工具组合35通过连接器352进行连接，下端顺次穿过注入头325并深入导管364内。第一机械手331安装在水下井架31上部，第二机械手332安装在水下井架31下部。桩桶41分别安装在水下井架31底端的四角位置。将安装好的装备运送到辅助船1上，并安装连接管缆2。
46.辅助船1将装备运送到指定位置，在船侧通过吊索23连接海底钻井装置3进行下
放，接近井口位置时缓慢下放，桩桶41靠自重入泥，启动泵系统42将桩桶41内的水抽出，利用内外压差使桩桶41贯入泥中，此时导管364随桩桶41一同入泥，完成导管364下放。通过调节流量的大小，将桩桶41水平调平，同时完成了海底钻井装置3的调平及固定。
47.开始连续管钻井，钻井液通过钻井连续管322输送至井内将岩屑排放至海床。钻井过程中，钻井用滚筒321沿第一导轨3261往复移动，以保证钻井连续管322能对正注入头325进行下放。钻至要求井深后，通过回转钻井用滚筒321回收钻井连续管322，从而提升井下工具组合35，当井下工具组合35完全提出井筒至注入头325下方时，将注入头325夹持装置松开，继续上提井下工具组合35至完全提出注入头325。控制钻井用滚筒321随导轨向后移动，同时带动井下工具组合35后移，井下工具组合35完全移出到注入头325后侧时，停止移动第一导轨3261，控制第一机械手331将下套管连续管324装入注入头325，并控制夹持装置夹紧下套管连续管324。启动下套管用滚筒323及第二导轨3262，下放下套管连续管324至井口位置，第二机械手332辅助下套管连续管324装入井口装置36，进行下套管作业，下套管完成后，启动防喷器363的剪切闸板剪断套管完成下套管。通过回转下套管用滚筒323将剩余下套管连续管324上提回收。下套管完成后，关闭水泥头帽，泥浆及水泥系统11通过水泥输送管21将水泥泵入水泥头362进行固井。固井完成后，启动泵系统42向桩桶41内灌水，利用桩桶41内外压差脱离海床，通过吊索23将海底钻井装置3回收至辅助船1。
48.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。