专利名称：一种深水多功能水中泵钻井系统及其安装方法
技术领域：
本发明涉及一种海上钻井系统及其安装方法，特别是关于一种深水多功能水中泵钻井系统及其安装方法。
背景技术：
当前，海上钻井使用的主要是常规单梯度钻井技术。常规单梯度钻井技术在井眼中只有一个液柱梯度，即井底压力是由海面到井底的钻井液柱压力来产生，钻井液柱压力梯度均以海面为参考点。在深水钻井中，由于海底疏松的沉积物和海水柱影响，地层压力和破裂压力之间的间隙很小，使得钻井非常困难。国外上世纪90年代发展的双梯度钻井 (Dual-Gradient Drilling，DGD)、可控泥浆帽钻井(Controlled Mud Cap Drilling，CMCD)、 隔水管稀释双密度钻井(Dual-Density Drilling,DDD)等多种控制压力钻井技术很好地解决了这个问题。采用双梯度钻井技术时，海底以上隔水管内流体密度与海水密度相近，钻井液柱的压力计算以海底为参考点，地层孔隙压力和破裂压力之间区域就相对变宽。井涌、井喷和井漏事故大大减少，不再需多层套管体系，节省下套管时间和固井时间，缩短建井周期，减少钻井时间和降低处理钻井事故的时间和成本，大大降低对钻井平台和钻机等钻井装备的要求。同时，更为重要的是该技术能在任何水深开展地质目标钻探，如可用Φ311πιπι的钻头直接钻至目标层，这样的井眼尺寸能采用更有效的完井方法，如水平井和多支井技术；还可用Φ 178mm的油管来开采，最终获得高产量的油气藏。国外目前已开展多个双梯度钻井系统的研究和应用=Conoco领导的工业联合项目组研究的海底泥浆举升钻井，美国Baker Hughes和Transocean公司研究的De印Vision双梯度钻井系统，Shell的海底泵系统， Maurer公司的空心微球双梯度钻井系统，AGR Subsea公司的无隔水管钻井液回收系统，路易斯安那州立大学研究的隔水管气举、稀释双梯度钻井系统等。其中海底泥浆举升钻井系统于2001年底在墨西哥湾进行现场试验，并获得成功，目前已开始投入工业应用，具有良好的工业应用前景。可控泥浆帽钻井通过一个泥浆泵调节泥浆帽的液面高度来更好的控制井底压力， CMCD系统隔水管单根通过高压阀与泥浆举升泵相连，泵系统通过回流管线和灌浆液输送管线与泥浆池相连，泵可以增加或减少隔水管中泥浆的体积，调节隔水管中泥浆的液面高度， 实现井底压力控制。隔水管稀释双密度钻井是在隔水管中注入低密度流体，降低隔水管环空内返回流体的密度，使之与海水相当，在整个钻井液返回回路中保持双密度钻井液体系，有效控制井眼环空压力、井底压力，克服深水钻井中遇到的问题，实现安全、经济地钻井。但是上述控制压力钻井方法，当海底泵下入水下1500米以下后，泵系统会遇到很多难以克服的问题，比如泵系统的可靠性问题难以得到保证；各控制管线的响应时间过长；发生故障时下放、回收海底泵的时间过长。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种适用水深范围广，可靠性高，各控制管线响应时间短，方便回收海底泵的深水多功能水中泵钻井系统及其安装方法。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种深水多功能水中泵钻井系统，其特征在于它包括设置在钻井平台上的提升机构和控制中心；所述提升机构通过缆绳连接一浮筒，所述浮筒内设置有由海底泥浆泵组成的水中泵组，所述水中泵组分别连接控制管线、注入/回流管线和若干挠性管线，所述控制管线的另一端连接所述控制中心，所述注入 /回流管线的另一端连接设置在所述钻井平台上的泥浆池，各所述挠性管线的另一端连接一旋转分流注入装置，所述旋转分流注入装置的顶部连接上隔水管，所述上隔水管的另一端设置在钻井平台上，所述旋转分流注入装置的底端连接海底防喷器，所述海底防喷器设置在海底井口处；所述钻井平台上设置的钻杆依次穿过所述上隔水管、旋转分流注入装置和海底防喷器下入井底，位于井底的所述钻杆外设置有套管，所述套管外设置有导管。所述旋转分流注入装置与所述海底防喷器之间设置有下隔水管，所述钻杆依次穿过所述上隔水管、旋转分流注入装置、下隔水管和海底防喷器下入井底。所述旋转分流注入装置包括一与所述上隔水管连接的上部短节，所述上部短节上设置有侧向流道，所述侧向流道通过其中一所述挠性管线连接所述水中泵组；所述上部短节底端连接一外壳体，所述外壳体内设置有一旋转总成，所述外壳体上设置有用于锁紧所述旋转总成的液压锁紧机构，所述液压锁紧机构连接液压系统，位于所述液压锁紧机构下方的所述外壳体上设置有侧向流道，该所述侧向流道通过其中一所述挠性管线连接所述水中泵组，所述外壳体底部连接所述海底防喷器和所述下隔水管中的其中之一。所述旋转总成为对称结构，其包括一内筒体，所述内筒体的顶部和底部分别通过一胶芯连接结构连接一密封胶芯；所述内筒体通过旋转轴承系统设置在一外筒体内，所述外筒体外壁对称设置有与两所述液压锁紧机构对应的锁紧槽，所述外筒体与所述外壳体之间设置有静密封结构。所述旋转轴承系统包括轴承、轴承腔室和轴承密封系统，所述轴承腔室连接润滑液注入装置。所述旋转分流注入装置的所述上部短节与所述上隔水管通过法兰连接，所述上部短节底部与所述外壳体通过法兰连接，所述外壳体底端与所述海底防喷器和所述下隔水管其中之一通过法兰连接。所述上部短节上设置的侧向流道，所述外壳体上设置的液压锁紧机构和侧向流道均为两个。一种上述深水多功能水中泵钻井系统的安装方法，其包括以下步骤1)将旋转分流注入装置的上部短节顶端通过法兰连接上隔水管，上部短节的底端通过法兰连接外壳体，将液压锁紧机构设置在外壳体上，外壳体底端通过法兰连接海底防喷器，海底防喷器设置在海底井口上；幻将水中泵组通过提升机构下入海底，海底水下机器人将上部短节的侧向流道通过挠性管线连接水中泵组，将水中泵组连接注入\回流管线，将外壳体的侧向流道通过挠性管线连接水中泵组的入口 ；幻将旋转总成通过钻杆放入外壳体中，并利用液压锁紧机构将其锁紧固定。一种上述深水多功能水中泵钻井系统的安装方法，其包括以下步骤1)将旋转分流注入装置的上部短节顶端通过法兰连接上隔水管，上部短节的底端通过法兰连接外壳体，将液压锁紧机构设置在外壳体上，外壳体底端通过法兰连接下隔水管，下隔水管的底端连接海底防喷器，海底防喷器设置在海底井口上；幻将水中泵组通过提升机构下入水下， 与旋转分流注入装置相同的预定高度，并调节浮筒浮力使水中泵组潜浮；幻海底水下机器人将上部短节的侧向流道通过挠性管线连接水中泵组，将水中泵组连接注入\回流管线， 将外壳体的侧向流道通过挠性管线连接水中泵组的入口 ；4)将旋转总成通过钻杆放入外壳体中，并利用液压锁紧机构将其锁紧固定。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明由于将由泥浆举升泵组成的水中泵组安装在浮筒中，在控制系统作用下，水中泵组通过浮筒可以设置在海底，也可以潜浮在海水中，因此，具有适用水深范围广，各控制管线响应时间短，海底泥浆举升泵回收方便等优点，解决了常规海底泵钻井水深能力不足的问题，而且浮筒能够有效地保护泥浆举升泵，减少钻井系统在海底的意外故障。2、本发明通过设置一套水中泵组，可以将水下泥浆举升到平台，也可以将平台的流体注入到隔水管中，因此，可以实现双梯度钻井、 可控泥浆帽钻井、隔水管稀释双密度钻井等多种控制压力钻井功能，并可针对不同的地质环境和作业要求，实现不同的功能。3、本发明通过设置在钻井平台上的起升机构连接内置有水中泵组的浮筒，利用舷外作业，因此，不占用井口时间，另外可方便的将本发明钻井系统转换为常规钻井系统。本发明结构设置巧妙，操作方便，能够实现双梯度钻井、可控泥浆帽钻井、隔水管稀释双密度钻井等多种控制压力钻井功能，因此，可广泛用于海上钻井过程中。
图1是本发明结构示意2是本发明旋转分流注入装置结构示意图
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。如图1所示，本发明包括设置在海面的钻井平台1，钻井平台1上设置有提升机构 2和控制中心3，提升机构2通过缆绳4连接一浮筒，浮筒内设置有由泥浆举升泵组成的水中泵组5。钻井平台1的钻井月池上设置有上隔水管6，上隔水管6底端连接旋转分流注入装置7，旋转分流注入装置7的底端连接下隔水管8，下隔水管8的底端连接海底防喷器9， 海底防喷器9设置在海底井口 10处，海底防喷器9的底端连接有套管11，套管11外周向设置有导管12。从钻井平台1下放的钻杆13依次通过上隔水管6、旋转分流注入装置7、下隔水管8和海底防喷器9通向井底。钻井平台1上还设置有下放到水下的控制管线14和注入/回流管线15。控制管线14 一端连接控制中心3，另一端连接水中泵组5。注入/回流管线15的一端通过控制阀连接设置在钻井平台1上的泥浆池，另一端连接水中泵组5。水中泵组5通过若干挠性管线 16连接旋转分流注入装置7。如图2所示，旋转分流注入装置7包括一上部短节71，一外壳体72，一旋转总成73 和两液压锁紧机构74。
上部短节71的上法兰711连接上隔水管6，上部短节71的下法兰712连接外壳体72的上法兰721，外壳体72的下法兰722连接下隔水管8。上部短节71周向设置有侧向流道713，侧向流道713通过挠性管线16连接水中泵组5。外壳体72周向可以设置有两个侧向流道723、724，其中一个通过挠性管线16连接水中泵组5，另一个可以备用。旋转总成73设置在外壳体72内，两液压锁紧机构74对称设置在两侧向流道723、 724上方的外壳体72上，并通过机械式联接结构75固定在外壳体72上，液压锁紧机构74 连接液压系统，通过液压系统的控制实现锁紧旋转总成73。旋转总成73为上下左右对称结构，其包括一内筒体731，内筒体731顶部和底部分别通过一胶芯连接结构732连接一密封胶芯733，上、下两密封胶芯733用于抱紧穿设在旋转总成73内的钻杆13。内筒体731通过旋转轴承系统734设置在外筒体735内，且旋转轴承系统734包括轴承、轴承腔室736和轴承密封系统737，轴承腔室736连接润滑液注入装置，通过润滑液注入装置向内筒体731和外筒体735之间的轴承腔室736内注入润滑脂，并通过轴承密封系统737密封，润滑脂用于润滑轴承和旋转动密封件等。外筒体735外壁对称设置有与两液压锁紧机构74对应的锁紧槽738，外筒体735与外壳体72之间设置有静密封结构739。上述实施例中，旋转分流注入装置7的底端也可以直接连接海底防喷器9。上述实施例中，旋转轴承系统734中的轴承可以采用两个圆锥滚子轴承。上述实施例中，上部短节71的侧向流道713的数目可以是两个，或者更多；外壳体 72周向设置的侧向流道也可以是一个，或者多个。上述实施例中，液压锁紧机构74的数目也可以是三个，或者更多。上述实施例中，液压锁紧机构74、机械式联接结构75，以及液压系统均属于现有技术，在此不再详细说明。根据不同的作业需要，本发明可以实现以下主要功能1)本发明装置不使用水中泵组5时，具有向常规钻井方式转化的能力。2)本发明的水中泵组5和旋转分流注入装置7可以设置在海底，其实现双梯度钻井的过程和常规的海底泵举升泥浆实现双梯度钻井基本相同，本发明可以通过小直径的注入/回流管线15举升从隔水管环空分流出的钻井液，实现双梯度钻井(DGD)；本发明还可以通过水下泵组控制隔水管中钻井液的液面高度，实现可控泥浆帽钻井(CMCD)；本发明也可以通过注入低密度流体稀释隔水管中钻井液密度，实现双密度钻井(DDD)。将水中泵组设置在海底方案受水深的影响比较大，一般工作水深500 1500米。3)本发明安装在浮筒中的水中泵组5可以潜浮在水中，其一般距离海面500 1500米，工作水深可以达到3000米，本发明可以通过小直径的注入/回流管线15举升从隔水管环空分流出的钻井液，实现双梯度钻井(DGD)；本发明还可以控制隔水管中钻井液的液面高度，实现可控泥浆帽钻井(CMCD)；本发明也可以通过注入低密度流体稀释隔水管中钻井液密度，实现双密度钻井(DDD)。本发明装置设置在海底的安装方法为当本发明设置在海底时，不同钻井阶段，旋转分流注入装置7可以与不同海底井口设备连接。钻表层井眼时，旋转分流注入装置7与海底基盘或低压井口头连接，而钻表层井眼外的其余井眼段时，旋转分流注入装置7则与海底防喷器9上端连接。由于在不同钻井阶段，旋转分流注入装置7的安装及功能基本相同，在此仅以旋转分流注入装置7与海底防喷器9连接为实施例说明，即钻表层井眼外的其余井眼段。1)将旋转分流注入装置7的上部短节71顶端通过法兰连接上隔水管6，上部短节 71的底端通过法兰连接外壳体72，将液压锁紧机构74设置在外壳体72上，外壳体72底端通过法兰连接海底防喷器9，海底防喷器9设置在海底井口 10上。2)将水中泵组5通过提升机构2下入海底，海底水下机器人(ROV)将上部短节71 的侧向流道713通过挠性管线16连接水中泵组5，将水中泵组5连接注入\回流管线15， 将外壳体72的侧向流道723或7 通过挠性管线16连接水中泵组5的入口。3)开始钻井作业时，将旋转总成73通过钻杆13放入外壳体72中，并利用液压锁紧机构74将其锁紧固定，继续进行后续钻井作业。本发明装置潜浮在水中的安装方法为1)将旋转分流注入装置7安装在隔水管预定高度，水下500 1500米，旋转分流注入装置7的上部短节71顶端通过法兰连接上隔水管6，上部短节71的底端通过法兰连接外壳体72，将液压锁紧机构74设置在外壳体72上，外壳体72底端通过法兰连接下隔水管 8，下隔水管8的底端连接海底防喷器9，海底防喷器9设置在海底井口 10上。2)将水中泵组5通过提升机构2下入水下设计预定高度500 1500米，调节浮筒浮力使水中泵组5潜浮。3)海底水下机器人(ROV)将上部短节71的侧向流道713通过挠性管线16连接水中泵组5，将水中泵组5连接注入\回流管线15，将外壳体72的侧向流道723或7 通过挠性管线16连接水中泵组5的入口。4)在开始钻井作业时，将旋转总成73通过钻杆13放入外壳体72中，并利用液压锁紧机构74将其锁紧固定，继续进行后续钻井作业。上述安装方法中，当进行起下钻、下套管等钻井作业时，液压锁紧机构74在液压系统控制下释放旋转总成73，钻杆13将旋转总成73提升到海面钻井船。当上述起下钻、下套管等钻井作业完毕后，再次使用钻杆13安装旋转总成73，继续钻进。本发明各种功能具体实施方法如下实施例一双梯度钻井实施例本发明进行双梯度钻井作业时，钻井液沿钻杆13内流入，通过钻头进入井眼，沿井眼环空上返至外壳体72中。旋转总成73利用内筒体731顶部和底部的密封胶芯733抱紧钻杆13，上返的钻井液和外部海水隔离在外壳体72中，被迫从外壳体72周向的侧向流道 723或7 侧向流道进入水中泵组5，在水中泵组5的作用下，通过注入/回流管线15将井眼环空钻井液举升返回海面到钻井船，循环利用。控制中心3调节海底井口处的钻井液压力，使其等于海底井口处的海水静压力，实现双梯度钻井。实施例二 可控泥浆帽钻井实施例进行可控泥浆帽钻井作业时，钻井液沿钻杆13内环空流下，由钻头进入井眼，然后，钻井液沿井眼环空上返。高密度钻井液从海面通过注入\回流管线15进入水中泵组5， 水中泵组5驱动高密度钻井液通过挠性管线16注入旋转分流注入装置7的侧向流道713， 与从井眼环空上返的钻井液在上隔水管6内相遇，形成泥浆帽。控制系统3通过旋转分流注入装置7上的压力传感器测量压力，调节注入泥浆排量和密度，进而控制泥浆帽的高度来控制井眼压力，实现可控泥浆帽钻井。同时，控制系统控制水下泵组5阀门开关，从井眼环空返回的钻井液通过旋转分流注入装置7，在水中泵组5的驱动下沿注入\回流管线15 返回海面。实施例三双密度钻井实施例进行双密度钻井作业时，通过注入\回流管线15向旋转分流注入装置7的侧向流道713中注入低密度钻井液，降低上隔水管6中的钻井液密度，从而实现双密度钻井，此时内筒体731顶部和底部的密封胶芯733抱紧钻杆13。当内筒体731底部的密封胶芯733失效时，内筒体731顶部的密封胶芯733仍可起到密封分流作用，提高设备的可靠性。上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
权利要求
1.一种深水多功能水中泵钻井系统，其特征在于它包括设置在钻井平台上的提升机构和控制中心；所述提升机构通过缆绳连接一浮筒，所述浮筒内设置有由海底泥浆泵组成的水中泵组，所述水中泵组分别连接控制管线、注入/回流管线和若干挠性管线，所述控制管线的另一端连接所述控制中心，所述注入/回流管线的另一端连接设置在所述钻井平台上的泥浆池，各所述挠性管线的另一端连接一旋转分流注入装置，所述旋转分流注入装置的顶部连接上隔水管，所述上隔水管的另一端设置在钻井平台上，所述旋转分流注入装置的底端连接海底防喷器，所述海底防喷器设置在海底井口处；所述钻井平台上设置的钻杆依次穿过所述上隔水管、旋转分流注入装置和海底防喷器下入井底，位于井底的所述钻杆外设置有套管，所述套管外设置有导管。
2.如权利要求1所述的一种深水多功能水中泵钻井系统，其特征在于所述旋转分流注入装置与所述海底防喷器之间设置有下隔水管，所述钻杆依次穿过所述上隔水管、旋转分流注入装置、下隔水管和海底防喷器下入井底。
3.如权利要求1或2所述的一种深水多功能水中泵钻井系统，其特征在于所述旋转分流注入装置包括一与所述上隔水管连接的上部短节，所述上部短节上设置有侧向流道， 所述侧向流道通过其中一所述挠性管线连接所述水中泵组；所述上部短节底端连接一外壳体，所述外壳体内设置有一旋转总成，所述外壳体上设置有用于锁紧所述旋转总成的液压锁紧机构，所述液压锁紧机构连接液压系统，位于所述液压锁紧机构下方的所述外壳体上设置有侧向流道，该所述侧向流道通过其中一所述挠性管线连接所述水中泵组，所述外壳体底部连接所述海底防喷器和所述下隔水管中的其中之一。
4.如权利要求3所述的一种深水多功能水中泵钻井系统，其特征在于所述旋转总成为对称结构，其包括一内筒体，所述内筒体的顶部和底部分别通过一胶芯连接结构连接一密封胶芯；所述内筒体通过旋转轴承系统设置在一外筒体内，所述外筒体外壁对称设置有与两所述液压锁紧机构对应的锁紧槽，所述外筒体与所述外壳体之间设置有静密封结构。
5.如权利要求4所述的一种深水多功能水中泵钻井系统，其特征在于所述旋转轴承系统包括轴承、轴承腔室和轴承密封系统，所述轴承腔室连接润滑液注入装置。
6.如权利要求3所述的一种深水多功能水中泵钻井系统，其特征在于所述旋转分流注入装置的所述上部短节与所述上隔水管通过法兰连接，所述上部短节底部与所述外壳体通过法兰连接，所述外壳体底端与所述海底防喷器和所述下隔水管其中之一通过法兰连接。
7.如权利要求4或5所述的一种深水多功能水中泵钻井系统，其特征在于所述旋转分流注入装置的所述上部短节与所述上隔水管通过法兰连接，所述上部短节底部与所述外壳体通过法兰连接，所述外壳体底端与所述海底防喷器和所述下隔水管其中之一通过法兰连接。
8.如权利要求3或4或5或6或7所述的一种深水多功能水中泵钻井系统，其特征在于所述上部短节上设置的侧向流道，所述外壳体上设置的液压锁紧机构和侧向流道均为两个。
9.一种如权利要求1 8任一项所述深水多功能水中泵钻井系统的安装方法，其包括以下步骤1)将旋转分流注入装置的上部短节顶端通过法兰连接上隔水管，上部短节的底端通过法兰连接外壳体，将液压锁紧机构设置在外壳体上，外壳体底端通过法兰连接海底防喷器， 海底防喷器设置在海底井口上；2)将水中泵组通过提升机构下入海底，海底水下机器人将上部短节的侧向流道通过挠性管线连接水中泵组，将水中泵组连接注入\回流管线，将外壳体的侧向流道通过挠性管线连接水中泵组的入口；3)将旋转总成通过钻杆放入外壳体中，并利用液压锁紧机构将其锁紧固定。
10. 一种如权利要求1 8任一项所述深水多功能水中泵钻井系统的安装方法，其包括以下步骤1)将旋转分流注入装置的上部短节顶端通过法兰连接上隔水管，上部短节的底端通过法兰连接外壳体，将液压锁紧机构设置在外壳体上，外壳体底端通过法兰连接下隔水管，下隔水管的底端连接海底防喷器，海底防喷器设置在海底井口上；2)将水中泵组通过提升机构下入水下，与旋转分流注入装置相同的预定高度，并调节浮筒浮力使水中泵组潜浮；3)海底水下机器人将上部短节的侧向流道通过挠性管线连接水中泵组，将水中泵组连接注入\回流管线，将外壳体的侧向流道通过挠性管线连接水中泵组的入口 ；4)将旋转总成通过钻杆放入外壳体中，并利用液压锁紧机构将其锁紧固定。
全文摘要
本发明涉及一种深水多功能水中泵钻井系统及其安装方法，其特征在于它包括设置在钻井平台上的提升机构和控制中心；提升机构通过缆绳连接一水中泵组，水中泵组分别连接控制管线、注入/回流管线和若干挠性管线，控制管线的另一端连接控制中心，注入/回流管线的另一端连接设置在钻井平台上的泥浆池，各挠性管线的另一端连接一旋转分流注入装置，旋转分流注入装置的顶部连接设置在钻井平台上的上隔水管，底端连接下隔水管或海底防喷器，海底防喷器设置在海底井口处。本发明的水中泵组可以潜浮在海水中，也可以设置在海底，能够实现双梯度钻井、可控泥浆帽钻井、隔水管稀释双密度钻井等多种钻井功能。
文档编号E21B7/12GK102155163SQ20111005248
公开日2011年8月17日 申请日期2011年3月4日 优先权日2011年3月4日
发明者周建良, 徐群, 殷志明, 蒋世全, 许亮斌, 陈国明 申请人:中国海洋石油总公司, 中国石油大学(华东), 中海石油研究中心