深水表层导管的安装装置及安装方法

技术领域

本发明涉及海洋油气开发领域，尤其涉及一种深水表层导管的安装装置及安装方法。

背景技术

海洋油气资源的勘探中，表层导管是深水油气井施工过程中下入的第一层结构管，它为水下井口、水下防喷器组及采油树等提供结构支撑，表层导管必须能够承受钻井设备、套管悬挂以及将来生产作业时加载在其上的多种载荷。

表层导管的安装是深水钻井作业的重要内容。目前，表层导管的下入方式主要有锤入法、钻入法和喷射法。对于深水浅部地层，由于成岩性较差、地层强度较低，多采用喷射法进行表层导管的水下安装。深水喷射法安装过程中，由于水力喷射对海底土扰动较大，使得深水表层导管承载力损失较多，导致海底水下井口下沉或失稳的风险较大。为了提高承载力，通常需要增加深水表层导管下入深度或静置时间，以降低作业风险，但是，这会延长作业时间，提高作业成本，增加作业费用。

发明内容

本发明的目的是提供一种深水表层导管的安装装置及安装方法，以缓解深水浅部地层安装表层导管，作业时间较长、作业成本较高的技术问题。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

本发明提供一种深水表层导管的安装装置，包括：表层导管、推进器、下入机构和导管基盘；推进器安装于所述表层导管，用于对所述表层导管施加向下的推力；下入机构用于将表层导管从海面下入至海底；导管基盘能够固设于海底，所述导管基盘用于扶正所述表层导管。

在优选的实施方式中，所述安装装置包括至少三个所述推进器，所述推进器安装于所述表层导管的上端的外侧，至少3个所述推进器绕所述表层导管的轴线圆周分布。

在优选的实施方式中，所述推进器包括燃烧动力机构、填料腔室和冗余仓，所述填料腔室和所述冗余仓均与所述燃烧动力机构连接，所述填料腔室用于为所述燃烧动力机构提供燃料，所述冗余仓用于在所述填料腔室内的燃料用尽后为所述燃烧动力机构提供燃料。

在优选的实施方式中，所述冗余仓通过所述填料腔室与所述燃烧动力机构连接，所述冗余仓与所述填料腔室之间设有阀门。

在优选的实施方式中，所述表层导管的下端设置为封闭。

在优选的实施方式中，所述表层导管的下端设有圆锥部。

在优选的实施方式中，所述表层导管上设有多个圆周分布的倾角传感器，和/或，所述表层导管的上端面设有水平仪。

在优选的实施方式中，所述下入机构包括吊缆和连接于所述吊缆的解脱扣，所述吊缆的上端连接于水面上作业船或钻井平台，所述吊缆的下端连接所述表层导管。

在优选的实施方式中，所述导管基盘设置有至少一个中心孔，所述表层导管能够穿设于所述中心孔。

本发明提供一种深水表层导管的安装方法，采用上述的深水表层导管的安装装置，所述安装方法包括：

步骤S10，将所述导管基盘固设至海底；

步骤S20，将所述表层导管下入至海底；

步骤S30，启动推进器，推进器产生推力驱使表层导管向下下入海底土体。

本发明的特点及优点是：

将导管基盘下入至海底并进行固定；下入机构将表层导管下入至海底，并且表层导管在导管基盘的扶正作用下保持竖直状态；推进器启动，对表层导管施加向下的推力，表层导管受力向海底土体运动，完成表层导管的安装。该安装装置利用推进器的助推作用，使表层导管垂直下入至泥线以下一定深度，实现以推进式完成表层导管的安装，具有以下优点：(1)操作便捷，缩短工作时间，降低了作业费用；(2)有利于保证表层导管安装的质量，降低深水作业的风险。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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。

图1为本发明提供的深水表层导管的安装装置的结构示意图；

图2为图1所示的安装装置中的表层导管的俯视图；

图3为图1所示的安装装置中的表层导管、下入机构及导管基盘的连接示意图；

图4为图1所示的安装装置中的推进器的结构示意图；

图5为本发明提供的深水表层导管的安装方法的结构示意图。

附图标号说明：

10、表层导管；101、短节；11、圆锥部；

20、下入机构；21、吊缆；22、解脱扣；23、作业船；

30、导管基盘；31、中心孔；

40、推进器；

41、燃烧动力机构；411、喷嘴；412、发动机；413、氧化剂室；414、燃烧室；

42、冗余仓；43、填料腔室；

44、控制箱；441、控制按钮；45、流量阀；46、推进器外壳；

51、倾角传感器；52、水平仪；

60、遥控无人潜水器；70、土体。

具体实施方式

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。

实施例一

本发明提供了一种深水表层导管的安装装置，如图1-图3所示，该安装装置包括：表层导管10、推进器40、下入机构20和导管基盘30；推进器40安装于表层导管10，用于对表层导管10施加向下的推力；下入机构20用于将表层导管10从海面下入至海底；导管基盘30能够固设于海底，导管基盘30用于扶正表层导管10。

将导管基盘30下入至海底并进行固定；下入机构20将表层导管10下入至海底，并且表层导管10在导管基盘30的扶正作用下保持竖直状态；推进器40启动，对表层导管10施加向下的推力，表层导管10受力向海底土体70运动，完成表层导管10的安装。该安装装置利用推进器40的助推作用，使表层导管10垂直下入至泥线以下一定深度，实现以推进式完成表层导管10的安装，具有以下优点：(1)操作便捷，缩短工作时间，降低了作业费用；(2)有利于保证表层导管10安装的质量，降低深水作业的风险。

推进器40提供表层导管10下入的动力，推进器40可以设置于表层导管10上部的外侧，当表层导管10依靠自重下入至泥面以下一段距离后受阻而不再下沉时，启动推进器40，腔室内产生的巨大能量推动表层导管10继续下入。

在一实施方式中，该安装装置包括至少三个推进器40，推进器40安装于表层导管10的上端的外侧，至少3个推进器40绕表层导管10的轴线圆周分布，当导管下入过程中发生倾斜时，可适当调节相应位置的推进器40的能量大小，调整表层导管10的下入方向，使表层导管10保持垂直下入。优选地，推进器40在圆周方向上均匀分布，如图2所示，三个推进器40在不同位置对表层导管10施加推力，有利于推力分布均衡，方便对表层导管10下入的方向进行调节，能有效控制下入过程中出现的偏移问题，避免表层导管10下入不到位的情况。三个推进器40均匀安装于表层导管10顶部外壁上，具体地，推进器40设置在表层导管10的最上层短节101外部顶端，可以通过焊接的方式进行固定。生产加工时，推进器40焊接在表层导管10顶部的短节101处；短节101在工厂加工时与推进器40完成焊接，短节101之间可以通过焊接或螺纹的方式进行连接。

推进器40内含燃料和氧化剂，燃烧时产生巨大能量，为表层导管10下入提供推动力。根据入泥深度的计算，在推进器40中装入适量的燃料和氧化剂，确保提供的推力能将表层导管10送至指定位置。首先对表层导管10和海底土摩擦力剖面进行计算，再给推进器40装填相应量的燃料和氧化剂。在表层导管10下放至导管基盘30后，启动推进器40，推进器40内的燃料产生的巨大推力，为后续表层导管10下入提供充足动力。

如图4所示，推进器40包括燃烧动力机构41和填料腔室43。如图4所示，燃烧动力机构41包括喷嘴411、发动机412、燃烧室414和氧化剂室413。推进器40还包括推进器外壳46，推进器40外部设置有控制箱44，内含多个控制按钮441，可使用ROV(Remote OperatedVehicle，遥控无人潜水器60)对推进器40的启动、以及各腔室的流量进行控制调节。开启填料腔室43和氧化剂室413阀门，使燃料和氧化剂在燃烧室414内燃烧，带动发动机412，发动机412提供表层导管10下入的动力。当下入过程中表层导管10发生倾斜时，可通过各推进器40外的控制按钮441调节流量，此时各个推进器40的燃烧室414内产生的能量不同，每个位置上的推力也相应发生变化，进而使表层导管10下入过程重新达到平衡。

进一步地，推进器40还包括冗余仓42，填料腔室43和冗余仓42均与燃烧动力机构41连接，填料腔室43用于为燃烧动力机构41提供燃料，冗余仓42用于在填料腔室43内的燃料用尽后为燃烧动力机构41提供燃料。若遇到计算失误或预测不准的情况，在预测消耗燃料量用尽时，开启冗余仓42通道，冗余填料投入使用，确保将表层导管10送至指定位置。通过冗余仓42，继续为表层导管10推进提供动力，可以防止海底土质情况复杂、下入困难致使燃料不够的情况，以确保表层导管10入泥至设计位置。

进一步地，冗余仓42通过填料腔室43与燃烧动力机构41连接，冗余仓42与填料腔室43之间设有阀门。该阀门可以为流量阀45。如图4所示，填料腔室43与燃烧室414之间通过流量阀45连接，氧化剂与燃烧室414之间通过流量阀45连接，可使用ROV对各流量阀45进行控制调节。

在本发明的一实施方式中，表层导管10的下端设置为封闭，避免下部土质进入表层导管10内，防止表层导管10内部形成土塞，以减少下入时的侧壁摩擦力，减小下入安装时土体阻力。表层导管10的下端为可钻材料，使得钻头能够钻穿表层导管10的下端，以方便进行二开钻进作业。

在本发明的一实施方式中，表层导管10的下端设有圆锥部11，如图1和图3所示，圆锥部11呈圆锥形，可增大破土应力，增大了破土能力，减少下入时的侧壁摩擦力，减小下入安装时土体阻力，使表层导管10更容易下入。表层导管10可以为直径36寸或30寸，壁厚1寸或1.5寸的管柱。

该安装装置包括位于作业船23或钻井平台的控制室，控制室可以控制表层导管10的下入安装，通过控制系统，实现由作业人员进行操控，可根据表层导管10入泥深度和倾斜角度对推进器40的能量和推进角度进行调整，保证表层导管10顺利安装。在一实施方式中，表层导管10上设有多个倾角传感器51，多个倾角传感器51呈圆周分布，如图2所示，倾角传感器51可以设置于表层导管10的内壁。倾角传感器51能捕捉表层导管10下入过程中发生的角度倾斜，以便在后续作业过程中做出调整。倾角传感器51可以采用高精度数字输出型倾角传感器51，内置高精度A/D转换芯片，通过卡尔曼n阶滤波算法，通过算法的变换，最终输出倾角值，通过倾角传感器51，捕捉表层导管10的状态，将信号传至水面控制室，为后续工作调整提供数据，操作控制室可对传感器的反馈情况做出发出后续指令。优选地，包括3个倾角传感器51，3个倾角传感器51沿圆周方向均匀地设置于表层导管10的内壁。

在一实施方式中，表层导管10的上端面设有水平仪52，用于观测导管下入过程中的倾斜状态。表层导管10下入过程中，水平仪52可作为辅助工具观察表层导管10下入过程，ROV辅助观测表层导管10是否发生偏移。水平仪52可以通过焊接的方式固定。设置在表层导管10内壁的三个倾角传感器51和表层导管10顶端的水平仪52，能够起到双重监测表层导管10下入过程中倾斜状态的作用；顶部的水平仪52、中部的倾角传感器51和底部的导管基盘30构成多级防倾斜装置，保证了表层导管10垂直下入。

在一实施方式中，下入机构20包括吊缆21和连接于吊缆21的解脱扣22，吊缆21的上端连接于水面上作业船23或钻井平台，吊缆21的下端连接表层导管10，在表层导管10下入的过程中，解脱扣22受拉超过极限拉力时会自动断开，避免使水面上设备受到影响。例如，解脱扣22承受的极限拉力为100吨，当出现突发情况，解脱扣22受到拉力超过100吨时，解脱扣22会自动解脱，表层导管10将断开与水面上的连接，避免拖动水面的设备，带来更大损失。吊缆21一端连接完成组装的表层导管10，另一端连接水面上作业船23或钻井平台上的吊机、绞车，缓慢下放吊缆21，使表层导管10入水。吊缆21可以采用脐带缆，脐带缆连接于表层导管10顶端，可承重，能完成表层导管10从海面到海底的安装，同时脐带缆中含有信号传输的线路，可进行信号传输。信号传输的线路可以采用光缆，可将深度、倾角等信号传输至控制室，也可将控制信号传输至推进器40等装置上。

表层导管10下入到海底底部时，由ROV辅助完成与水下导管基盘30的对接。表层导管10通过吊缆21下放至泥面处，由导管基盘30进行扶正，导管基盘30可保证表层导管10垂直下入，保证了表层导管10的垂直度。导管基盘30可以通过钢丝绳直接连于船舶的吊机、船尾A架或者绞车等，缓慢吊放至海底，ROV辅助安装，保证安装于设计坐标。

在一实施方式中，导管基盘30设置有至少一个中心孔31，表层导管10能够穿设于中心孔31，中心孔31可以对表层导管10的运动起到引导作用。导管基盘30设置多个中心孔31，以完成表层导管10批量下入，便于批量作业。导管基盘30包括防沉板。

该安装装置在工厂加工阶段，表层导管10的短节101和推进器外壳46完成焊接安装，并在推进器40内装入燃料和氧化剂。吊装船开至指定位置，下放导管基盘30，为下入安装表层导管10做好准备工作。完成组装的表层导管10由吊缆21缓慢下放，与导管基盘30连接，表层导管10依靠自重入泥一定深度，下入的过程中，可以通过ROV进行实时观测。当表层导管10无法依靠自重下入时，启动推进器40，推进器40提供表层导管10继续下入的动力，水面上的控制室对整个下入安装过程进行实时监控和控制。表层导管10到位后，ROV拆除表层导管10上的安装工具，对安装工具进行回收。ROV可以全程观测推进过程；表层导管10侧壁可以设置标尺刻度，方便用ROV观测下入深度。

实施例二

本发明提供了一种深水表层导管的安装方法，采用上述的深水表层导管的安装装置，如图5所示，该安装方法包括：步骤S10，将导管基盘30固设至海底；步骤S20，将表层导管10下入至海底；步骤S30，启动推进器40，推进器40产生推力驱使表层导管10向下下入海底土体70。

该安装方法具有以下优点：(1)操作便捷，缩短工作时间，降低了作业费用；(2)有利于保证表层导管10安装的质量，降低深水作业的风险。

步骤S10中，导管基盘30通过钢丝绳直接连于船舶的吊机、船尾A架或者绞车上，缓慢吊放至海底。可通过ROV辅助安装，使水下导管基盘30安装于指定位置。步骤S20中，表层导管10依靠自重下入一定深度。

步骤S30，在水下启动推进器40，推进器40产生的推力使得表层导管10克服土体70阻力继续下入至海底泥线设计深度。下入过程中，可通过脐带缆对下入深度和倾斜角度进行控制，ROV全程观测。当控制室得到表层导管10倾斜的信号时，根据倾斜方向，调节相应位置的推进器40的能量大小，使其垂直下入。该安装方法还包括步骤S40，表层导管10安装到位后，利用ROV解脱吊缆21，并回收相关工具和设备。

推进器40内的燃料根据预先计算的下入深度进行填充，以保证提供表层导管10到达预定位置所需的能量。通过土力学计算，计算表层导管10所需的下入深度后，在腔室内装入完成下入需要的燃料和氧化剂；同时设有冗余仓42，当出现土质情况复杂、或因计算失误或预测不准时，在预测消耗燃料量用尽后，发出指令，冗余仓42投入使用，继续为表层导管10推进提供动力，确保表层导管10送至指定位置。

以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。