CN111608592A - 一种新型海底连续管钻机及钻井方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了钻井装备领域中一种新型海底连续管钻机及钻井方法。包含控制基站、管缆系统、集中阀座、固控系统、集成平台、连续管系统、动力钻具和井口装置。控制基站位于驳船，通过管缆系统为海底模块提供动力和信号；集中阀座向各执行和控制机构分线；固控系统位于海底，钻井液不需驳船储存和脐带缆输送；钻井液在海底净化，不需返至驳船；集成平台有气控浮沉、定向潜航和海底紧固功能，平台移动不受海床软泥层限制；连续管系统由注入头驱动连续管一趟钻直达目标地层，不需下套管、换钻头，钻深不受套管容量限制；动力钻具含钻头、永磁电机和锁定装置，永磁电机直驱钻头；锁定装置解锁后，动力钻具由绳索打捞回收，连续管则存留地层用作套管。

Description

一种新型海底连续管钻机及钻井方法

技术领域

本发明涉及钻井装备技术领域，具体涉及一种新型海底连续管钻机及钻井方法。

背景技术

钻井装备领域中，海底钻机目前主要用于海底地质调查与资源勘探，采用钻柱钻井实现岩心取样功能，往往因钻柱容量限制，使海底钻机钻深受限；常规海底连续管钻机可有效解决海底钻机钻深受限问题，但仍受限于套管容量，且在实际海底钻井应用中工艺复杂，可靠性不高，存在下套管；换钻头；钻井液净化；水下移动；钻具回收等问题。为解决常规海底钻机存在的以上技术问题，提出了一种新型海底连续管钻机及钻井方法。

发明内容

本发明公开了钻井装备技术领域一种新型海底连续管钻机及钻井方法。本发明包括控制基站、管缆系统、集中阀座、固控系统、集成平台、连续管系统、动力钻具和井口装置。

控制基站安装于驳船，通过脐带缆为海底连续管钻机海底模块提供气、电动力和控制信号。

管缆系统脐带缆连接集中阀座，经阀座分路后连接各执行和控制机构，其中固控缆为固控系统提供动力及信号；供浆管线为滚筒供给钻井液，钻井液经连续管进入动力钻具；钻井液返至井口后，经回浆管线返回固控系统；管缆系统随固控系统下放海底定位，由水下机器人进行快速连接；

集中阀座为密封结构，用于管缆系统为各执行机构和控制机构分线；

固控系统存储有钻井液和水泥，为整体密封系统，内含泥浆罐、泥浆泵、振动筛、除砂器、输送机等钻井液净化装备，用于储存净化钻井液并处理岩屑；钻井液不需驳船储存和脐带缆输送，仅在海底即可完成储存与净化，使驳船和脐带缆结构以及钻井工艺流程大为简化；

集成平台包括浮箱、行走装置和固定装置，承载并固定集中阀座、连续管系统；集成平台通过浮箱充放气控制浮沉，通过行走装置多向螺旋桨定向潜航，通过固定装置螺旋锥与海底紧固，集成平台移动不受海底软泥层限制；浮箱全密封，由脐带缆提供浮沉控制气源，并实时监测密封性能。

连续管系统包括滚筒、井架、注入头和连续管，均安装于集成平台，滚筒存储和释放连续管，设钻井液接口；井架安装于井口上方，固定并驱动注入头上下移动，以便回收动力钻具；

动力钻具包括钻头、永磁电机和锁定装置，永磁电机一端通过锁定装置与连续管连接，另一端直驱钻头钻进作业。作业完成，锁定装置解锁，永磁电机和钻头可采用绳索投捞回收，实现循环使用。

井口装置包含防喷器与井口基座，用于控压和钻井液导流。

优选地，所述固控系统存储有钻井液和水泥，钻井和固井时不再需要驳船储存和脐带缆输送，使驳船和脐带缆结构大为简化；

优选地，所述固控系统内含钻井液净化与岩屑处理装备，钻井液不需返至海面驳船，即可实现海底净化自循环，固控流程大为简化；

优选地，所述固控系统和集中阀座采用密封结构，实时监测密封性能；

优选地，所述集成平台设有浮箱，行走装置和固定装置，使集成平台移动不受海底软泥层限制，可实现气控浮沉，定向潜航，海底紧固；

优选地，所述连续管系统采用一趟钻技术，不需下套管、换钻头，使钻深不再受钻柱和套管容量限制，钻机结构简单紧凑，实用性强。

优选地，所述连续管在钻井作业完成后留置在海底地层做套管使用；

优选地，所述集成平台和连续管系统采用电驱动，充放气实现浮沉；

优选地，所述永磁电机和钻头可使用绳索打捞回收，实现循环使用。

本发明实施例的海底连续管钻机钻井方法，包括以下步骤：

1、驳船装载控制基站并运输集成平台和固控系统至指定海域。其中集中阀座、连续管系统等装备固定于集成平台；管缆系统固定于固控系统；

2、驳船将集成平台和固控系统下放至海底，控制基站控制浮箱充气，行走装置移动至井口并下放井口装置，水下机器人连接管缆系统；

3、控制基站启动固控系统进行钻井液循环处理准备工作；钻井液通过海底固控系统完成净化并储存钻井岩屑，不需要返至海面驳船。

4、控制基站控制启动钻井永磁电机直驱钻头旋转；同时控制滚筒和注入头滚轮旋转，使连续管带动动力钻具注入井口，进行钻进作业。

5、控制基站控制固控系统传输固井水泥完成固井作业。锁定装置解锁，永磁电机和钻头使用绳索打捞回收，连续管则存留海底地层用作套管。

本发明实施例的技术方案，具有如下优点：

1.本发明提出了一种新型海底连续管钻机。本发明集成平台通过脐带缆供气实现浮箱的浮沉，通过行走装置实现定向潜航，通过固定装置实现海底紧固，使集成平台移动不再受海底软泥层限制；本发明连续管系统采用一趟钻技术，不需下套管、换钻头，使钻深不再受钻柱和套管容量限制，使钻机结构紧凑；本发明固控系统存储有钻井液和水泥，钻井和固井时不再需要驳船储存和脐带缆输送，使两者结构大为简化；永磁电机和钻头可通过解锁锁定装置来使用绳索打捞回收，实现循环使用，成本大为降低。

2.本发明提出了一种海底连续管钻机钻井的新方法。本发明采用一趟钻技术实现不起钻一次性钻入目标地层，不需下套管、换钻头，钻进作业完成后，留置连续管在海底地层做套管使用，使钻井工艺流程大为简化；本发明固控系统为海底密封系统，内含钻井液净化与岩屑处理装备，钻井液不需返至海面驳船，即可实现海底净化自循环，固控流程大为简化，使系统安全性和可靠性大为提高，成本大为降低。

本发明解决了常规海底钻机实际应用中面临的诸多问题，使海底钻机结构紧凑，实用性强，钻探成本降低，钻采工艺简化，可靠性提高。本发明适用于海底天然气水合物和海底油气开采以及海底深层岩心取样。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。

图1为本发明实施例1中海底连续管钻机的一个具体示例结构示意图；

图2为本发明实施例2中海底连续管钻井方法的一个具体示例流程图。

附图标记：1-控制基站，2-管缆系统，21-脐带缆，22-回浆管线，23-固控缆，24-供浆管线，3-集中阀座，4-固控系统，5-集成平台，51-浮箱，52- 行走装置，53-固定装置，6-连续管系统，61-滚筒，62-井架，63-注入头，64- 连续管，7-动力钻具，71-钻头，72-永磁电机，73-锁定装置，8-井口装置。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

在本发明的描述中，需要说明的是，本文所用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并非旨在限制本发明。除非上下文明确指出，否则如本文中所使用的单数形式“一”、“一个”和“该”等意图也包括复数形式。使用“包括”和/或“包含”等术语时，是意图说明存在该特征、整数、步骤、操作、元素和 /或组件，而不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元素、组件、和 /或其他组合的存在或增加。术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通；可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供一种海底连续管钻机，如图1所示，包括：控制基站1、管缆系统2、集中阀座3、固控系统4、集成平台5、连续管系统6、动力钻具7和井口装置8。

控制基站1安装于驳船，通过脐带缆21为海底连续管钻机海底模块提供气电动力和控制信号。

管缆系统2脐带缆21连接集中阀座3，经阀座分路后连接各执行和控制机构，其中固控缆23为固控系统4提供动力及信号；供浆管线24为滚筒61供给钻井液，钻井液经连续管64进入动力钻具7；钻井液返至井口后，经回浆管线 22返回固控系统4；管缆系统2随固控系统4下放海底定位，由水下机器人进行快速连接；

集中阀座3为密封结构，为管缆系统2向各执行机构和控制机构分线；

固控系统4存储有钻井液和水泥，为整体密封系统，内含钻井液净化装备，用于储存净化钻井液并处理岩屑；钻井液可在海底完成储存与净化；

集成平台5包括浮箱51、行走装置52和固定装置53，承载并固定集中阀座3、连续管系统6；集成平台5通过浮箱51充放气控制浮沉，通过行走装置 52多向螺旋桨定向潜航，通过固定装置53螺旋锥与海底紧固，集成平台5移动不受海床软泥层限制；浮箱51全密封，由脐带缆21提供浮沉气源，并实时监测密封性能。

连续管系统6包括滚筒61、井架62、注入头63和连续管64，均安装于集成平台，滚筒61存储和释放连续管64，设钻井液接口；井架62安装于井口上方，固定并驱动注入头63上下移动，以便回收动力钻具；

动力钻具7包括钻头71、永磁电机72和锁定装置73，永磁电机72一端通过锁定装置73与连续管连接，另一端直驱钻头71钻进。锁定装置73解锁，永磁电机72和钻头71可采用绳索投捞回收，实现循环使用。

井口装置8包含防喷器81与井口基座82，用于控压和钻井液导流。

优选地，所述固控系统4存储有钻井液和水泥，钻井和固井时不再需要驳船储存和脐带缆21输送，使驳船和脐带缆21结构大为简化；

优选地，所述固控系统4内含钻井液净化与岩屑处理装备，钻井液不需返至海面驳船，即可实现海底净化自循环，固控流程大为简化；

优选地，所述固控系统4和集中阀3座采用密封结构，并实时监测其密封性能；

优选地，所述集成平台5设有浮箱51，行走装置52和固定装置53，使集成平台移动不受海床软泥层限制，可实现气控浮沉，定向潜航，海底紧固；

优选地，所述连续管系统6采用一趟钻技术，不需下套管、换钻头71，使钻深不再受钻柱和套管容量限制，钻机结构简单紧凑，实用性强。

优选地，所述连续管74在钻井作业完成后留置在海底地层做套管使用；

优选地，所述集成平台5和连续管系统6采用电驱动，充放气浮沉；

优选地，所述永磁电机72和钻头71使用绳索打捞回收，可循环使用。

本发明新型海底连续管钻机的集成平台5通过脐带缆21供气实现浮箱51 的浮沉，通过行走装置52实现定向潜航，通过固定装置53实现海底紧固，使集成平台5移动不再受海底软泥层限制；本发明连续管系统6采用一趟钻技术，不需下套管、换钻头71，使钻深不再受钻柱和套管容量限制，使钻机结构紧凑；本发明固控系统4存储有钻井液和水泥，钻井和固井时不再需要驳船储存和脐带缆21输送，使两者结构大为简化；本发明永磁电机72和钻头71可通过解锁锁定装置73来使用绳索打捞回收，实现循环使用，成本大幅降低，系统安全性和可靠性大为提高。

实施例2

本实施例提供一种海底连续管钻井方法，如图2，其特征如以下步骤：

S1、驳船装载控制基站1并运输集成平台5和固控系统4至指定海域。其中集中阀座3、连续管系统6、动力钻具7、井口装置8固定于集成平台5；管缆系统3固定于固控系统4；

S2、驳船将集成平台5和固控系统4下放至海底，控制基站1控制浮箱51 充气调节浮力，控制行走装置52移动至井口位置并固定；控制下放井口装置8；控制水下机器人连接管缆系统3；

控制信号传输路径为：控制信号经脐带缆21传输至集中阀座3，经分线后为各执行机构提供动力，为各控制机构发送指令；

S3、控制基站1启动固控系统4进行钻井液循环处理准备工作，钻井液循环处理工作在整个钻进作业过程中都有执行；钻井液通过海底固控系统4完成净化并储存钻井岩屑，不需要返至海面驳船1。

S4、控制基站1控制井架62下放注入头63至台面；启动钻井永磁电机72 直驱钻头71旋转；同时控制滚筒61和注入头63滚轮旋转，使连续管64带动动力钻具7注入井口，进行钻进作业。

S5、控制基站1控制固控系统4传输固井水泥完成固井作业。之后，锁定装置73解锁，永磁电机72和钻头71使用绳索打捞回收，连续管64则存留海底地层用作套管。

本发明新型海底连续管钻机钻井方法采用一趟钻技术实现不起钻一次性钻入目标地层，不需下套管、换钻头71，钻进作业完成后，留置连续管64在海底地层做套管使用，使钻井工艺流程大为简化；本发明固控系统4为海底密封系统，内含钻井液净化与岩屑处理装备，钻井液不需返至海面驳船，即可实现海底净化自循环，固控流程大为简化，成本大幅降低。

本发明解决了常规海底钻机实际应用中面临的诸多问题，使海底钻机结构紧凑，实用性强，钻探成本降低，钻采工艺简化，可靠性提高。本发明适用于海底天然气水合物和海底油气开采以及海底深层岩心取样。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种新型海底连续管钻机，其特征在于，包括：控制基站(1)、管缆系统(2)、集中阀座(3)、固控系统(4)、集成平台(5)、连续管系统(6)、动力钻具(7)和井口装置(8)；

所述控制基站(1)位于海面驳船，通过脐带缆(21)向海底装备提供气、电动力及控制信号。

所述管缆系统(2)的脐带缆(21)连接集中阀座(3)，经阀座分路后连接各执行和控制机构，其中固控缆(23)为固控系统(4)提供动力及信号；供浆管线(24)为滚筒(61)供给钻井液，钻井液经连续管(64)进入动力钻具(7)；钻井液返至井口装置(8)后，经回浆管线(22)返回固控系统(4)；

所述集中阀座(3)为密封结构，用于管缆系统(2)为各执行机构和控制机构分线，并实时监测其密封性能。

所述固控系统(4)存储有钻井液和水泥，为整体密封系统，内含泥浆罐、泥浆泵、振动筛、除砂器、输送机等钻井液净化装备，用于储存净化钻井液并处理岩屑；钻井液不需驳船储存和脐带缆输送，仅在海底即可完成储存与净化，使驳船和脐带缆结构以及钻井工艺流程大为简化；

所述集成平台(5)包括浮箱(51)、行走装置(52)和固定装置(53)，承载并固定集中阀座(3)、连续管系统(6)；集成平台(5)通过浮箱(51)充放气控制浮沉，通过行走装置(52)多向螺旋桨定向潜航，通过固定装置(53)螺旋锥与海底紧固，集成平台移动不再受海底软泥层限制；浮箱(51)全密封，由脐带缆提供浮沉控制气源，并实时监测密封性能。

所述连续管系统(6)包括滚筒(61)、井架(62)、注入头(63)和连续管(64)，均安装于集成平台(5)，滚筒(61)存储和释放连续管，设钻井液接口；井架(62)安装于井口上方，固定并驱动注入头(63)上下移动，以便回收动力钻具(7)；

所述动力钻具(7)包括钻头(71)、永磁电机(72)和锁定装置(73)，永磁电机(72)一端通过锁定装置(73)与连续管(64)连接，另一端直驱钻头(71)钻进作业。作业完成，锁定装置(73)解锁，永磁电机(72)和钻头(71)可用绳索打捞回收，可循环使用。

所述井口装置(8)包含防喷器与井口基座，用于控压和钻井液导流。

2.根据权利要求1所述的海底连续管钻机，其特征在于，所述集成平台(5)设有浮箱(51)、行走装置(52)和固定装置(53)。通过浮箱(51)充放气上浮下沉，通过行走装置(52)定向潜航，通过固定装置(53)与海底紧固。浮箱(51)全密封，由脐带缆提供气源，并实时监测密封性能。

3.根据权利要求1或2所述的海底连续管钻机，其特征在于，所述连续管系统(6)包括滚筒(61)、井架(62)、注入头(63)和连续管(64)，滚筒(61)用于存储和释放连续管；井架(62)安装于井口上方，用于固定注入头(63)，并回收动力钻具(7)。

4.根据权利要求1-3任一项所述的海底连续管钻机，其特征在于，所述集成平台(6)和连续管系统(7)均采用电驱动，由压缩空气提供浮力。

5.根据权利要求1-4任一项所述的海底连续管钻机，其特征在于，所述动力钻具(7)包括钻头(71)、永磁电机(72)和锁定装置(73)，永磁电机(72)一端通过锁定装置(73)与连续管(64)连接，另一端直驱钻头(71)进行钻进作业。作业完成后，锁定装置(73)解锁，永磁电机(72)和钻头(71)可采用绳索投捞回收，实现循环使用。

6.根据权利要求5所述的海底连续管钻机，其特征在于，所述永磁电机(72)输出端直驱钻头(71)钻进，在锁定装置(73)解锁后可回收。

7.根据权利要求1-6任一项所述的海底连续管钻机，其特征在于，所述集中阀座(3)和固控系统(4)均置于密闭防水箱中。固控系统(4)存储有钻井液和水泥，钻井液不需驳船储存和脐带缆输送，仅在海底即可完成储存与净化，使驳船和脐带缆结构以及钻井工艺流程大为简化。

8.一种新型海底连续管钻机钻井方法，其特征在于，包括以下步骤：

驳船装载控制基站(1)并运输集成平台(5)和固控系统(4)至指定海域。其中集中阀座(3)、连续管系统(6)、动力钻具(7)和井口装置(8)固定于集成平台(5)；管缆系统(2)固定于固控系统(4)。

驳船将集成平台(5)和固控系统(4)下放至海底，控制基站(1)控制浮箱(51)通过充放气调节浮沉，集成平台(5)移动不再受海底软泥层限制，控制行走装置(52)移动至指定位置，控制固定装置(53)与海底紧固；控制下放井口装置(8)至预钻井口并连接管缆系统(2)。

控制基站(1)控制固控系统(4)启动，进行钻井液循环准备工作；控制永磁电机(72)直驱钻头(71)旋转，控制滚筒(761)和注入头(63)作业，使连续管(64)带动动力钻具(8)注入井口，进行钻进作业；

控制基站(1)控制固控系统(4)完成钻井液净化，钻井液不需从海底返至海面驳船(1)，钻井岩屑经分离后储存在固控系统(4)内；钻井作业完成后，固控系统(4)输送固井水泥完成固井作业。

钻进过程采用一趟钻技术，期间不需下套管、换钻头；锁定装置(83)解锁后，永磁电机(72)和钻头(71)可采用绳索投捞回收，实现循环使用；钻进作业完成后，连续管(64)存留海底地层用作套管使用。

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