深水钻井导管随钻支撑装置及下入参数设计方法制造方法及图纸

本发明专利技术请求保护一种深水钻井导管随钻支撑装置及其下入参数设计方法，装置包括随钻支撑组件、悬挂组件和支撑盘；随钻支撑组件包括内筒、外筒和连接顶板；内筒套在导管上，可以沿导管自由滑动，外筒位于内筒外，直径由上部向下部逐渐增大，外筒和内筒通过上部的连接顶板连接。悬挂组件上端固定在导管上，下端钩挂随钻支撑组件的连接顶板，实现悬挂组件对随钻支撑组件的悬吊。支撑盘固定在导管头附近，起到悬挂导管的作用。本装置操作简便，可以解决导管随钻支撑技术问题。本发明专利技术的下入参数设计方法是基于土力学的基本原理设计，同时充分考虑了现场施工需要，设计方法简便、求解过程快捷、计算结果便于工程应用。

【技术实现步骤摘要】
深水钻井导管随钻支撑装置及下入参数设计方法
本专利技术涉及海洋深水钻井领域，具体涉及一种深水钻井导管随钻支撑装置及其下入参数设计方法。
技术介绍
海洋深水钻井过程中，导管下入到位并与水下井口、防喷器和隔水管连接后，起到结构支撑作用。导管一般采用直接喷射下入和先钻孔后下入并固井两种方式安装到海底泥线以下设计位置，下入过程中不发生偏斜才能保证良好的下入和支撑效果。随着水深不断增加和海洋环境保护要求的提高，水下防喷器体积和重量有不断增加的趋势。重达几百吨的水下防喷器及悬挂套管串的重力作用使导管承受巨大的竖向载荷作用；同时，由于隔水管上端与钻井船或钻井平台相连，在风、浪、流等海洋环境载荷的动力作用下，隔水管产生复杂的动力作用将不断的传递到导管上，导致导管承受巨大的横向弯矩作用。在这些载荷的作用下，导管有下沉和倾斜的趋势。在海洋环境特别恶劣、导管设计不够合理的情况下，特别容易造成导管发生沉降和倾斜，严重时将造成隔水管折断、井口破坏，不仅造成经济损失，而且会形成巨大的灾难。这些情况在美国墨西哥湾、巴西盆地等主要深水钻井作业区已有发生。为了防止导管下沉和倾斜，目前主要是采用增加导管的外径和壁厚、附加泥线垫板、采用特定防沉降工具来控制导管的下沉和倾斜，但是都存在一定的技术缺陷：过大增加导管的外径和壁厚，将直接导致导管与表层套管环空尺寸增大，不利于固井和钻井作业；增加泥线垫板后，容易导致泥线垫板一侧发生冲刷，造成导管倾斜更加严重。采用某些水下井口防失稳装置可以防止导管下沉，但是局限在导管安装到位后的防止下沉，并且局限于喷射下入方式，不适合在硬地层进行的钻进、下入并固井的方式；而且这类防失稳装置设在导管的上部，与导管采用螺纹或焊接方式的固定连接，不能起到随钻支撑的作用。因此，设计一种不但在导管下入过程中起到支撑作用，而且在导管下入到位后起到更大的支撑作用的导管随钻支撑装置可以极大的提高深水钻井导管的稳定性和安全性，有效避免事故发生。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种操作简便的解决导管随钻支撑技术问题的装置和方法。本专利技术提出的深水钻井导管随钻支撑装置包括随钻支撑组件、悬挂组件和支撑盘。所述随钻支撑组件包括内筒、外筒和连接顶板；所述内筒套在导管上，可以沿导管自由滑动，外筒位于内筒外，直径由上部向下部逐渐增大，外筒和内筒通过上部的连接顶板连接在一起，随钻支撑组件起到支撑导管以及附着在导管上的重量的作用。所述悬挂组件上端固定在导管上，下端钩挂随钻支撑组件的连接顶板，实现悬挂组件对随钻支撑组件的悬吊。所述支撑盘固定在导管头附近，当导管下入到位时，该支撑盘坐于随钻支撑组件顶部的悬挂组件上，起到悬挂导管的作用。进一步，随钻支撑组件的外筒上有均布的排水孔，用于排出斜壁外筒和直壁内筒之间的海水和淤泥。进一步，随钻支撑组件的内、外筒的底端均为具有一定斜率的尖角，减轻内外筒端部阻力，便于装置下入海底浅部软土中。进一步，随钻支撑组件的内筒设计长度大于斜壁外筒，在起到支撑导管防止其沉降的同时，可以更好的提高导管在横向载荷作用下的弯矩抵抗能力。本专利技术的随钻支撑结构外筒为斜壁筒形，其下端开口直径略大于顶部连接处直径，筒壁具有一定的斜率，这种结构可以更有效的发挥支撑作用。进一步，所述悬挂组件一种较好的实现结构是包括悬吊支撑铰链、悬吊盘、悬吊链和悬挂钩，悬吊支撑铰链将悬吊盘锁紧固定在导管上，悬吊盘沿周向连接多根悬吊链，多个悬挂钩在随钻支撑组件的连接顶板上和悬吊盘上沿周向设置，悬吊链与悬挂钩一一对应钩挂。该结构可以根据本专利技术装置的下入深度自由设置其在导管上的安装位置；同时，在地层因素情况下，如果本专利技术装置不能下到设计位置，则铰链和悬吊盘可以被水下机器人操作解除，为导管下入到位预留位置。进一步，所述悬挂组件具有两级，两级结构相同，两级相隔一定距离固定在导管上，二级结构的功能和一级结构一样，属于安全附加结构。在本专利技术设计的导管随钻支撑装置的基础上，进一步提出该装置的下入参数设计方法。该方法是指根据土力学的基本原理，结合现场实际提出的一种用于导管随钻支撑装置形状、尺寸以及下入海底浅部地层深度设计的方法，以便于工程应用。根据土力学理论，由于该装置内外筒的底端均为具有一定斜率的尖角，因此可以忽略它们的端部阻力作用，这样设计结构偏于安全且能大幅降低计算公式的复杂程度，可以更好满足工程应用。由于内外筒的内、外侧阻力对支撑作用起到决定性作用，且由于海底浅部软土以淤泥和饱和粘性土为主，结合桩基设计理论，可以得到本专利技术随钻支撑装置所提供的竖向承载力，如公式(1)所示。由于深水钻井导管下入方法不同，本专利技术随钻支撑装置承载力计算分为导管喷射下入和导管固井下入两种情况。式中，QJ为装置在导管喷射下入方式下的承载力，kN；QC为装置在导管固井下入方式下的承载力，kN；dvi和Dvi分别为第i段装置内筒的内、外径，m；ddi和Ddi分别为第i段装置外筒的内、外径，m；LV和LD分别为装置内筒、外筒的设计长度，m；lvi为装置内筒第i段周围的土层厚度，m；ldi为装置外筒第i段周围的土层厚度，m；Cui为第i段粘土的不排水抗剪强度，kPa；α为粘着系数，取决于土c层不排水抗剪强度和装置进入土层的深度比；ξ为斜壁外筒承载力增强系数，与斜壁斜率有关；tc为时间效应系数，根据现场土样数据获得。本专利技术随钻支撑装置下入过程中是随钻进行的，没有外力辅助其下沉，因此需要同时计算出随钻支撑装置在海水中的重量，如公式(2)所示。式中，WZ为装置在海水中的浮重，kN；WV和WD分别为装置内外筒在海水中的浮重，kN；Wf为装置除内外筒外的附件重量，kN；ρs为钢的密度，kg/m3；ks为海水浮力系数。同时，由于本专利技术随钻支撑装置下入过程遇到的阻力和浮重都与装置内外筒的长度有关，因此该装置内筒、外筒的设计长度LV和LD应根据公式(3)迭代计算。εd≤Q-W≤εu(3)式中，εd和εu分别是最小、最大安全余量，kN。最后，根据水下井口高度设计要求，将以上得到的随钻支撑装置内外筒设计长度减去一个安全余量Δs，就得到了装置内外筒的作业下入深度。导管喷射下入方式的迭代过程如下：首先，任意假设一个装置外筒设计长度LD的数值，把该数值代入公式(1)的QJ(令LV＝0)和公式(2)的WD，如果计算满足公式(3)，那么假设的LD就是合理的；如果不满足公式(3)，则逐步改变LD的数值并重复上述步骤，迭代得到满足要求的设计长度LD。然后，任意假设一个装置内筒设计长度LV的数值，把该数值代入公式(1)的QJ(令LD＝0)和公式(2)的WV，如果计算满足公式(3)，那么假设的LV就是合理的；如果不满足公式(3)，则逐步改变LV的数值并重复上述步骤，迭代得到满足要求的设计长度LV的初步结果。最后，按照最小计算步长增加装置内筒的长度ΔLV的数值，代入公式(1)的QJ和公式(2)的WZ，迭代计算使之满足公式(3)，则获得最终的内筒设计长度LV。改变随钻支撑装置内外筒的直径和外筒倾斜度，重复以上步骤，可以得到随钻支撑装置不同形状、尺寸以及下入深度等参数。导管固井下入方式的迭代过程如下：首先，任意假设一个装置外筒设计长度LD的数值，把该数值代入公式(1)的QC和公式(2)的WD，同时令内筒设计长度LV＝2LD，代入公式(2)WZ，如本文档来自技高网...

【技术保护点】
深水钻井导管随钻支撑装置，包括随钻支撑组件、悬挂组件和支撑盘；其特征在于：所述随钻支撑组件包括内筒、外筒和连接顶板；所述内筒套在导管上，可以沿导管自由滑动，外筒位于内筒外，直径由上部向下部逐渐增大，外筒和内筒通过上部的连接顶板连接在一起，随钻支撑组件起到支撑导管以及附着在导管上的重量的作用；所述悬挂组件上端固定在导管上，下端钩挂随钻支撑组件的连接顶板，实现悬挂组件对随钻支撑组件的悬吊；所述支撑盘固定在导管头附近，当导管下入到位时，该支撑盘坐于随钻支撑组件顶部的悬挂组件上，起到悬挂导管的作用。

【技术特征摘要】
1.深水钻井导管随钻支撑装置，包括随钻支撑组件、悬挂组件和支撑盘；其特征在于：所述随钻支撑组件包括内筒、外筒和连接顶板；所述内筒套在导管上，可以沿导管自由滑动，外筒位于内筒外，直径由上部向下部逐渐增大，外筒和内筒通过上部的连接顶板连接在一起，随钻支撑组件起到支撑导管以及附着在导管上的重量的作用；所述悬挂组件上端固定在导管上，下端钩挂随钻支撑组件的连接顶板，实现悬挂组件对随钻支撑组件的悬吊；所述支撑盘固定在导管头附近，当导管下入到位时，该支撑盘坐于随钻支撑组件顶部的悬挂组件上，起到悬挂导管的作用。2.根据权利要求1所述的深水钻井导管随钻支撑装置，其特征在于：所述随钻支撑组件的外筒上有均布的排水孔。3.根据权利要求1所述的深水钻井导管随钻支撑装置，其特征在于：所述随钻支撑组件的内、外筒的底端均为具有一定斜率的尖角。4.根据权利要求1所述的深水钻井导管随钻支撑装置，其特征在于：所述随钻支撑组件的内筒设计长度大于外筒。5.根据权利要求1、2、3或4所述的深水钻井导管随钻支撑装置，其特征在于：所述悬挂组件包括悬吊支撑铰链、悬吊盘、悬吊链和悬挂钩，悬吊支撑铰链将悬吊盘锁紧固定在导管上，悬吊盘沿周向连接多根悬吊链，多个悬挂钩在随钻支撑组件的连接顶板上和悬吊盘上沿周向设置，悬吊链与悬挂钩一一对应钩挂。6.根据权利要求5所述的深水钻井导管随钻支撑装置，其特征在于：所述悬挂组件有两级，两级结构相同，两级相隔一定距离固定在导管上。7.权利要求1-6任一项所述深水钻井导管随钻支撑装置的下入参数设计方法，包括：导管随钻支撑装置形状、尺寸以及下入海底浅部地层深度的设计；(1)随钻支撑装置所提供的竖向承载力按公式(1)计算，分为导管喷射下入和导管固井下入两种情况：式中，QJ为装置在导管喷射下入方式下的承载力，kN；QC为装置在导管固井下入方式下的承载力，kN；dvi和Dvi分别为第i段装置内筒的内、外径，m；ddi和Ddi分别为第i段装置外筒的内、外径，m；LV和LD分别为装置内筒、外筒的设计长度，m；lvi为装置内筒第i段周围的土层厚度，m；ldi为装置外筒第i段周围的土层厚度，m；Cui为第i段粘土的不排水抗剪强度，kPa；α为粘着系数，取决于土c层不排水抗剪强度和装置进入...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏堪华，刘继林，万立夫，李猛，李清培，石丽，
申请(专利权)人：重庆科技学院，
类型：发明
国别省市：重庆,50