专利名称：用于处理在水下钻井或挖掘中的固体的装置和系统的制作方法
技术领域：
本发明的技术领域涉及用于处理在水体下挖掘或钻井产生的固体或岩屑的装置、系统及方法。
背景技术：
在石油和天然气勘探及采矿工业中，对从水体下的地质沉积物中挖掘或钻井得到的固体或岩屑进行处理有时是有用的。例如，在水下钻井中，可能要利用水下泵去除从洋底钻井得到的岩屑，所述泵将夹带于钻井泥浆中的地质固体送回地面。与这种处理相关的一个难点在于固体易于不期望地塞住或堵住处理装置，包括泵和流动导管。在一些场合中，堵塞是由于固体颗粒尺寸过大造成的。在其它情况中，固体的性质会使它们粘附于处理仪器、流动导管或切割刮刀上，这可能导致堵塞或操作停止。当发生堵塞时，清除这种堵塞费钱且费时。US2010/0147593A1美国专利公开申请涉及一种水下固体处理单元，其具有带刀具的壳体以便减小夹带于钻井泥浆中的固体的尺寸。Society of Petroleum Engineers, SPE71357 (2001: Annual TechnicalConference and Exhibition, New Orleans, Louisiana),题为“SubSea MudLift DrillingJoint Industry Project!Delivering Dual Gradient Drilling Technology toIndustry”的出版物中描述了水平偏置的泥浆提升泵和固体处理机构的使用。图5说明了与钻井管柱和立管组件偏离一定距离的水平偏置的泥浆提升泵的使用。钻井泥浆中夹带的固体首先通过流动导管被运离钻井管柱和立管以便处理。然而，借助回流管将这些固体泵送到水面。
Society of Petroleum Engineers,SPE71359(2001:Annual TechnicalConference and Exhibition, New Orleans, Louisiana),题为 “SubSea MudLiftDrilling:Design and Implementation of a Dual Gradient Drilling System，，的另一篇出版物中描述了与185，000磅的极大型泥浆提升泵(MLP)组相联部署的水下泥浆举升钻井(SMD)集成的固体处理单元(SPU)的使用。水上钻井中的一个重要挑战是减少将仪器部署到水中以准备和实施钻井操作这一过程中的时间及努力。期望部署可容易和便利地从活动式海上钻井单元或MODU放入水中的仪器。此外，在处理和运输由在水中实施的操作产生的钻屑时，期望降低在泥浆/固体流动导管和固体处理单元内形成不期望的堵塞的可能性。通常而言，导管的总长度及流动导管中拐角或拐弯的数量会提高在导管内发生堵塞的可能性。另外，已知各种类型的碎片均可能被运送给固体处理单元，期望降低在固体处理设备中发生堵塞的可能性。某些类型的土壤已知容易附着在处理仪器上，其在某些情况下会导致流动堵塞。希望发明一种可靠且有效的、用于清理水下固体处理装置内部、同时无需将该单元移离水中和使该单元停止工作的方法。
发明内容
在一个具体实施例中，本发明为固体处理装置，其包括具有中心空腔且与钻井立管装载路径对齐的内部套筒、以及外壳，所述外壳沿圆周设置在内部套筒外侧以在外壳与内部套筒之间形成外围环形区域。中心空腔通常不存在机械障碍物以允许钻井工具、套管柱、流体和固体自由通过中心空腔。可以在外围环形区域内设置第一刀具组件。第一刀具组件可以包括具有一个或多个刮刀的第一轴。可以设置与中心空腔流体连通的入口孔。该入口孔可以能够将钻井泥浆和固体送至中心空腔。可以构造冗余的排放端口结构以将钻井泥浆和经处理的固体排出外围环形区域。在本发明的一些实施例中，该装置提供第二刀具组件，其由具有附加刮刀的第二轴构成。第一和第二轴大体平行排列，且第一和第二轴被构造成反向旋转。还可以在该装置的外围环形区域内使用第三和第四刀具组件。刀具组件中的一个或多个可以被保持成自含式盒组件形式的单元。还可以使刀具组件中的一个或多个能够从位于外壳外部的驱动机构处接收动力。在海洋应用中，该装置可以被构造成与钻井立管直接连接。一个附加特征可以包括中心空腔，其能够接收从钻井管柱上的钻架延伸穿过钻井立管的环带的冲洗工具。在共线构造中，该装置可以包括承载内部套筒，其构造成在钻深水井中的部署、收回及操作性连接操作模式期间接收和传递机械负载力。在本发明的又一实施例中，提供了一种用于处理钻井得到的固体的系统。该系统可以被部署在具有上部水面和下部泥线面的水体内。该系统可以包括延伸至水面之下的立管，该立管装填有第一密度的第一流体。延伸至泥线面下方的井眼可以装填有第二密度的第二流体。第二密度大于第一密度。可以与立管和井眼连通地使用流体分离机构。该流体分离机构，有时称做水下旋转设备(SRD)，可以能够保持第一和第二流体之间的分离和密度差(differential density)。在本发明的双梯度钻井应用中还可以使用水下泥衆提升泵。固体处理装置连接泥浆提升泵。固体处理装置具有中心空腔，该中心空腔被设置成与立管共线，且能够将钻井得到的固体接收在中心空腔中。固体处理装置被构造用于减小钻井得到的固体的颗粒尺寸以形成经处理的固体。在本发明的一个实施例中，固体处理装置包括至少与钻井立管的压力等级一样大的压力等级。典型地，冗余的排放端口结构将固体处理装置与泥浆提升泵连接。经处理的固体通过排放端口从固体处理装置运送至泥浆提升泵。在有用的实施例中，固体处理装置包括包围中心空腔的内部套筒及沿圆周设置在内部套筒外部的外壳。固体处理装置中的外围环形区域可以设在内部套筒和外壳之间。在外围环形区域之中或附近设有至少一个刀具组件。固体处理装置还包括与中心空腔连通的入口孔。该入口孔能够将钻井得到的固体传递给固体处理装置。本发明的一个有利实施例采用为负载轴承的内部套筒，即在与钻井立管系统一同部署时能够接收和传递相当大的负载。刀具组件可以包括大体平行构造的旋转轴。在实施本发明时，成对的轴可以被构造成反向旋转，其有助于使钻井泥浆和固体碎片运动通过固体处理装置。刀具组件中的一个或多个可以被装配在第一盒中。在固体处理装置的外围环形区域中可以设置多个盒，且每个盒可以包括一个或多个带有刮刀的切割组件。切割组件可以由与泥浆提升泵连接的液压机构提供动力。在一个实施例中，固体处理装置能够经受至少350万磅的轴向负载，并且可以被设计成适应随着在工业使用中水深影响持续增大而额外产生的负载。本发明的一个方面可以是以利用延伸至水面下方的立管在水体内处理固体的方法为特征的。该立管可以装填有第一密度的第一流体。井眼延伸至泥线面下方，且装填有第二密度的第二流体。第二密度大于第一密度。为适应具有密度差的流体，流体分离机构(诸如SRD)可以与立管相连，并且与井眼流体连通。该流体分离机构可以能够保持第一和第二流体之间的密度差。在实施本方法时，具有中心空腔的固体处理装置被设置成与流体分离机构共线。该固体处理装置能够将固体从井眼运送至固体处理装置的内部空间，并且减小固体的尺寸。然而，将经处理的固体从装置中排出。在大多数情况下，所排出的经处理的固体被提供给泥浆提升泵。然后，将固体泵送至水面。在本发明的一个方法中，能够穿过立管将冲洗工具伸入固体处理装置的中心空腔，以将固体从装置内部去除。
附图示出了本发明的各个方面，其包括以下附图:图1示出了用于处理在水体内的钻井得到的固体的系统；图2示出了从立管延伸至泥线的几个部件；图3揭示了沿图2的线3-3截取的立管的横截面；图4A示出了固体处理装置的共线位置；图4B示出了当去除外壳时固体处理装置的一些内部部件；图4C是固体处理装置的第一实施例的透视图；图5A为示意图，其示出了由刀具组件沿彼此相反的方向旋转所产生的逆向流动；图5B示出了使固体在从固体处理装置的中心空腔移至外围环形区域的同时尺寸变小的方式；图6示出了容纳在盒中的刀具组件的可移动性；图7是图4A的固体处理装置的横截面图，其示出了利用从立管伸入固体处理装置的中心空腔的冲洗工具冲洗固体处理装置内部的方法；以及图8示出了具有替换性盒结构的固体处理装置的替换实施例。
具体实施例方式在本发明的构造中，期望使用适合且配置成与立管共线使用的固体处理装置。本发明的系统还可以包括与立管共线操作的泥浆提升泵(MLP)。然而，要认识到本发明也可利用不与立管共线的泥浆提升泵来构造。本发明可以从离岸式钻井平台或钻井船或能够支撑钻井管柱的任何其它结构进行构造。此外，本发明可以用在水下采矿操作中。在本说明书中，“双梯度钻井技术”或“ DGD ”是指在立管的一部分中使用海水装填的回流管线的钻井技术。DGD是设计用于解决井眼中井下压力过大问题的钻井技术。即，立管中的钻井泥浆的流体静压头压力与在泥线附近的位置处的岩层压力之间的巨大差异提出了挑战。这种压力差会引起阻碍利用普通的立管回流钻井法钻井至目标深度的操作性困难。DGD钻井法采用了装填海水的立管，其使得压力失衡受到限制。为了使用DGD技术，需要在井眼(或井口)中的钻井泥浆与立管中的海水之间形成接口。这种接口可以是大概位于立管中的井口上方的流体一流体接口，或者可以通过机械设备的设置将两种流体完全隔离来实现。可用在本发明系统中的水下旋转设备(SRD)在某些方面与钻井旋转头相似。它是DGD钻井系统中最上面的装备件。它通常被布置成高出泥浆提升泵(MLP)约60英尺，但其精确位置还要取决于井的构造。SRD起到将立管中约8.6磅/加仑的流体与井中重量密度更大的泥浆分开的作用。SRD有助于防止气体进入立管，以及在井上提供需要供给MLP的小压力(小于5Opsi )。应注意到，此处公开的本发明可与双梯度钻井法一同使用，但是本发明不必局限于在双梯度钻井法中使用。也就是说，本发明的装置、系统或方法可以有效地与普通的单梯度钻井法或将会有效地因钻屑颗粒尺寸减小而受益的任何其它方法联系使用。此外，要认识到本发明可以与水下采矿中的挖掘过程及类似的处理固体以获得含矿固体的矿物质的过程相关联使用。参见图1，在一个实施例中，用于钻井应用的本发明可以与其上搁置有钻架22的钻井船20相关联使用。立管24在钻井管柱29内朝向泥线34从钻架伸入水体23。立管24以可操作的方式连接水下旋转设备26。固体处理装置或单元(SPU) 28可设在SRD下方并且与SRD或立管共线。泥浆提升泵30也可设成与钻井管柱共线。防喷器(BOP) 32在图1中被不出设在泥线34上(或者在海洋钻井中设在海床上)。本说明书中的术语“共线”一般是指部件位于钻井管柱29内成为钻井管柱29的部件的定位，其相对于与钻井管柱29分离(或者只是远程连接)的位置。钻井管柱29是立管内一列大体竖直的钻井管柱，其将钻井液(借助泥浆泵)和力矩(通过顶部的驱动器和方钻井管柱；未示出)传递给井底的钻头(未示出)。图2中示出了钻井管柱29的一部分35，其包括立管24、水下旋转设备26、固体处理装置28、泥浆提升泵30和防喷器32。图3中示出了沿图2的线3_3截取的立管横截面。在图3中，海水动力管线40从钻井船20处运送海水，其充当泥浆提升泵30的动力源。海水被用于为泥浆提升泵30提供动力，且这种海水通常将被过滤成约100微米。可以在实施本发明时与双梯度钻井法一同使用的泥衆提升泵30由Texas, Houston的Hydril公司制造。泥浆下降管线48 (其为钻井管柱占据的空间，未示出)构成立管24的中心区域。泥浆回流管线36将泥浆和经处理的固体(即钻屑)送回到钻井船20的表面。同时还示出了压井管线38，其用于提供通向表面的干净流体管线以原始计量关井时的溢流压力作用。在循环期间，压井管线可以被用于将流体“注入”或泵送回井中，作为将压井加重泥浆送至井眼上部的方法。在图3左侧示出的节流管线42通常装填有干净泥浆或立管流体，且起到提供用于将压井操作期间流入的地层流体循环出去的管道的作用。第一液压管线44和第二液压管线46用于为BOP组控制提供基于干净水的动力流体。图4A不出了与钻井管柱部分35分尚的固体处理装置28。外壳56由上端58和下端60构成。在外壳56下方可看到第一排放端口 86和第二排放端口 88,它们与泥衆回流管线36相连。在与整个立管柱形成一体时，上法兰52和下法兰54经美国石油协会评定等于或大于立管法兰设计。另外，在图4A的右侧还示出了泥浆回流管线36。在一个实施例中，海水动力管线40可以由无缝的“super duplex”型管道构成。同时还示出了刚性管道84和节流管线42。图4B示出了与图4A所示相似的部件，但是在图4B中，已将外壳56去除以便更近地检查固体处理装置28的内部部件。例如，图4B示出了第一刀具组件50a、第二刀具组件50b、第三刀具组件50c及第四刀具组件50d，其构成在文中进一步示出的刀具组件的一个单元。
图4C示出了固体处理装置28的透视图，其中外壳56被去除且内部套筒的一部分被切掉以便检查内部部件。中心空腔39是敞开的，且在装置28的中央不存在机械障碍。在图4C的左侧上示出了第一刀具组件50a、第二刀具组件50b、第三刀具组件50c及第四刀具组件50d (第一刀具组件50a和50b在图中部分隐藏)。另外，各刀具组件50a_d分别包括竖直延伸且彼此大体平行的第一轴68a、第二轴68b、第三轴68c及第四轴68d。刀具组件50a-d —同保持在第一盒94中。同样，图4C的右侧的另外四个刀具组件(未编号)被保持在第二盒96中。内部套筒64容纳泥浆回流管线36、压井管线38和刚性管道84 (均可在图4C的顶部附近看到)。下部元件70构成固体处理装置28的底座。在钻井泥浆和固体通过固体处理装置28两侧上的刀具组件之后，第一排放端口 86和第二排放端口 88接收钻井泥浆和经处理的固体。参见图5B，示出且更详细地描述了第一排放端口 86和第二排放端口 88。入口孔62与中心空腔39流体连通。来自井眼的钻井泥浆和固体通过入口孔62并且由流体流运送至刀具组件以便对固体进行处理(即使尺寸减小)，正如文中进一步描述的那样。另外，刚性管道80和刚性管道84可以包含电缆或其它缆线。节流管线82被示出穿过下部元件70。图5A中给出了本发明的一个实施例中的第一刀具组件50a和第二刀具组件50b的示意性顶视图，其中出于说明性目的，两个组件是分开的。箭头表示第一刮刀76 (由轴68a驱动)的旋转方向与第二刮刀78 (由轴68b驱动)相反。逆向流动模式被示出。第三刀具组件50c和第四刀具组件50d同样是成对的，以在本发明的一个实施例中形成逆向流动模式。在盒96内的这两个成对的刀具组件当中，图4C右侧的其它成对的刀具组件(未编号)呈现类似的逆向流动模式。这种逆向流动模式被认为有助于含有固体的钻井泥浆有效且高效地从中心空腔39通过刀具组件(诸如50a-d)，进入固体处理装置28的外围环形区域74 (参见图6)。图5B示出固体(诸如大块固体颗粒90)通过入口孔62，并且从中心空腔39通过第三和第四刀具组件50c-d以形成较小的固体颗粒92 (经处理的固体)，这些颗粒92移动到外围环形区域74中。如图5B的箭头所示，分别通过第三轴68c和第四轴68d使第三刮刀77和第四刮刀79沿相反的流动方向旋转。这种运动与图5A中示出的第一刀具组件50a和第二刀具组件50b的运动类似。钻井泥浆和固体被抽离中心空腔39穿过固体处理装置28，并且离开第二排放端口 88。尽管已发现逆向流动模式有助于移动泥浆和固体，但是在实施本发明时也可以采用流动方向不相反的其它流型。本发明不限于任何特定的流型。图6示出了具有完整外壳56的固体处理装置28的透视图，外壳56具有上端58和下端60。外壳56包围内部套筒64，其在内表面上形成中空的空心中心空腔39，如图6中的箭头所示。中心空腔39不存在机械障碍，且在侧面由第一盒94和第二盒96界定。其它结构基本上与图4C所述的相同。第二盒96被示出可作为单个单元从固体处理装置28中取出，使得能够方便且有效地维护和置换刀具组件。同样，在将装置28从水中取出以通过在钻台上快速插入新的盒94、96而进行维护时，由于无需如非模块式设计中所需要的对刀具组件全部重建或重构，可以节省大量时间。图6示出了先前在图4C中示出的其它部件。图7是图4A的固体处理装置的横截面图，其示出了利用从立管24伸入固体处理装置的中心空腔39中的冲洗工具102冲洗固体处理装置28内部的方法。具有喷嘴104的冲洗工具102可以沿着钻井管柱35向下进入立管24，并且直接进入中心空腔39以直接冲洗刀具组件(诸如刀具组件50b)表面上的粘泥、粘土或其它碎片。这种维护对于固体处理装置28的操作而言非常重要，且它的实现源于固体处理装置28的共线构造(即与钻井管柱29和立管24共线)。当刀具组件发生堵塞或阻塞时，这可能是最有效的碎片清理方法。图7中还示出了第一驱动机构98和第二驱动机构100。这些驱动器向固体处理装置28两侧上的刀具组件的相应轴提供动力。为驱动器机构98、100提供动力的一种有用方式是利用来自泥浆提升泵30的液压动力，然而本领域还知晓其它动力生成手段，且这些手段可以用于实施本发明。图8示出了本发明的第二实施例110，其中示出了不同的刀具组件和盒结构。在该实施例中，刀具组件132a-b (具有相应的轴112a-b)成对地位于第一盒116中，同时刀具组件132c-d (具有相应的轴112c-d)也成对地位于第二盒118中，但是与刀具组件132a_b间隔一定距离。同样地，刀具组件134a-b (具有轴114a-b)构成第三盒120，构成第四盒122的刀具组件134c-d (具有轴114c-d)也以成对的构造示出。本发明的一些实施例可以从图8所示的结构中获益，该结构使用全部四个盒来替代图4C和6的两个盒的结构(第一实施例)。中心空腔124不存在障碍物，并且通过入口孔126接收泥浆和固体。下部元件128支撑固体处理装置110的底侧。第二实施例110的流动特性(与图4C的固体处理装置28的第一实施例相比)可更能够某些特定操作条件或者钻井所得固体的某些具体地质性质，这些将从测试或实际使用中变得显而易见。固体处理装置被设计成避免尺寸大于约1.5英寸X0.5英寸X0.5英寸的固体(或“岩屑”)到达泥浆提升泵30，因此这个尺寸是最合适的这类泵设计所能接受的最大的固体颗粒尺寸。固体处理装置28中的刀具组件通常将能够剪切比这些尺寸大的物体。小于要求的最小值的钻屑通过固体处理装置28。经处理的固体92的尺寸可减小成约为在实施本发明时岩屑要通过的管道或阀门的直径的1/3或更小。在通过固体处理装置28之后，钻井泥浆和经处理的固体92可被送至泥浆提升泵30，然后通过立管上的泥浆回流管线36被泵送至地面。阀门(未示出)可以被用于控制从固体处理装置28到泥浆提升泵30的流动。在一些实施例中，泥浆提升泵30可以是隔膜型泵。被认为理想的是采用由从地面泵送的海水提供动力的6腔(80加仑)的隔膜泵。期望所采用的泥浆提升泵30为具有独立控制的吸入和排放阀的容积泵。由于各个腔室可独立工作，因此泥浆提升泵30可以充当两个三缸泵、一个五缸、一个四缸、一个三缸、一个双缸泵或者充当单缸泵。当泵在小于最大容量的情况下工作时，这种能力形成期望的冗余。在某些情况下，泥浆提升泵30在所有腔室均工作的情况下提供1800加仑/分钟的最大额定流速。这种泵通常将具有两种主要的工作模式:(a)恒定入口压力模式，其用于大多数操作；以及(2)恒定速率模式，其用于某些控制良好的操作。固体处理装置28被用于减少井眼固体和岩屑的尺寸，以确保通向泥浆提升泵30的吸入管线(吸入管线未示出)或者从泥浆提升泵30进入泥浆回流管线36的排出流不会发生堵塞或不期望的阻塞事件。在实施本发明时，固体处理装置28、110从物理上讲通常位于水下旋转设备(SRD)和底部海洋立管总成之间。然而，固体处理装置28、110也可以设在其它位置上，诸如泥浆提升泵30内部或其内。固体处理装置28、110通常借助由脐带缆(未示出)运送的信号接收控制和液压功率。在一个实施例中，固体处理装置28将具有两个冗余的流体路径，以便在一个整体盒或切割组件被碎片堵塞或卡住时，整个流动能够通过任一路径(即通过第一实施例中的任一盒)继续进行。另外，刀具组件优选将具有使驱动方向反向以清理堵塞物的能力。在DGD操作期间，沿环形空间向上流动的钻井泥浆回流将在水下旋转设备26处停止沿海洋钻井立管向上流动。水下旋转设备26密封海洋钻井立管24内的环形空间，同时允许钻井管柱(未示出)通过及旋转。这将致使钻井泥浆回流寻求另一条离开立管24的路径。在一个实施例中，固体处理装置28被设置成与立管24共线。固体处理装置28、110通常将直接位于SRD下方，且可以在立管壁上具有窗口(未示出)，其将允许钻井回流离开。切割组件将被设在固体处理单元28、110上位于立管下方的竖直方位设置的内部套筒中。在实施文中所述的双梯度钻井法时，钻井管柱阀(未示出)可以被用于防止在循环停止时钻井管柱离开井中的U管。钻井管柱阀可以在数种钻井管柱尺寸下使用，且一般正好在井底组件上方使用。借助18.5磅/加仑的泥浆，它可以用在水深10，000英尺且总竖直深度TVD高达35，000的井中。对于构造固体处理装置28、110中的刮刀而言，恰当且有利的材料是非磁性、高强度的抗腐蚀合金。可供使用的这样一种合金是由West Virginia, Huntington的SpecialMetals公司制造的|\'101^丨@镍合金。这种合金阻止美国墨西哥湾岸区地址环境下的粘土和粘泥土壤“粘附”在刮刀的金属表面上，这有助于防止固体处理装置28、110发生堵塞或卡堵。实际上，刮刀可以处理粘泥、浙青(柏油)、水泥、页岩、岩石、弹性体、金属(诸如浮鞋)及钻井操作过程中遇到的其它井眼材料。刮刀通过适应碎片及钻井泥浆的材料及表面处理形成。固体处理装置28、110可以在每条流动路径(每个盒)上获得多达1800加仑/分钟的流速。通过这种方式，即使一个刀具组件出现堵塞或其它不能工作的情形，借助固体处理装置28、110的其它侧面或其它盒仍然具有足够的流动能力来管理整个流动体积。这个特征在避免需要将整个装置28、110拉出水面以进行补救操作(这是费时且费钱的)方面特别有价值。在实施本发明时，固体处理装置28、110通常将能够通过约60.5英寸的钻架旋转台，其中所述旋转台具有内径为59英寸的分流器壳体。在本发明的一个有用实施例中，固体处理装置28、110的最大外径不超过58英寸。刀具组件可以具有密封的轴承和齿轮箱设计，其位于压力补偿油槽中以防止在水体深度下发生不期望的流体入侵。这种压力补偿系统通常将具有略高于环境的压力，以确保任何油漏都将发生在从密封空腔到钻井泥浆回流的方向上。下列规范是可用在钻井系统中的部件及管线的可用尺寸及参数的实例，这可由钻井领域的技术人员所认识到。然而，本发明不限于所列参数:节流&压井管线管道尺寸为6.5’’的0DX4.5’’的ID15, OOOpsi的 工作压力H2S 供给最小允许腐蚀度=0.05英寸
水下动力流体管线(经过滤和可能地处理的海水)管道尺寸为7.5”的0DX0.75’’的壁7, 5OOpsi的工作压力泥浆回流管线(泥浆及岩屑)管道尺寸为7.5’’的0DX0.75’’的壁7, 500psi的工作压力最小允许腐蚀度=0.05英寸液压导管管线两条管线，其尺寸为2.875’’的ODX 0.276”的壁5，OOOpsi的工作压力固体处理装置28、110的共线构造的一个优点在于能够利用下放穿过立管24、SRD且直接进入装置28、110的中心空腔的冲洗工具102有效且快速地清理装置内部的泥浆和碎片。当高压水在外围环形区域中被喷射到刮刀表面上时，冲洗工具102的高压喷嘴104可以被用于清洗和冲刷这些刮刀。这是一种高效的清洗固体处理装置28、110的刮刀的方法，且可以通过与立管24对齐地直接共线放置装置28、110来实现。由于在实施本发明时优选避免尖锐的90度弯曲和180度转向，因此在可能的情况下利用弯曲弯头进行排出管线的布线。管道布局应使流体方向改变次数最少，因为过多的弯曲将导致固体停留在管道中以及在管道中形成高的压降。刀具组件可以由双向可变速驱动器驱动。如果驱动功率不再能够提供给定转速下需要的力矩或者刀具组件上的压降超过预设值，则控制器会降低每分钟的转数(rpm)或者切换刀具的方向以清理阻塞。一旦已将阻塞清理或者在相反方向上受到过大的液压驱动压力时，刮刀则将再次在处理方向上以降低的速度和更高的力矩进行旋转，以便处理任何可能导致阻塞的附加材料。对于本发明的装置而言，可以通过适当的材料选择、涂层系统及阴极保护来提供腐蚀控制，参见SSM-SU-54.11:水下仪器的整体要求。在实施本发明时，文中列出的钻井流体优选在工作温度和压力下与仪器的弹性体相兼容。系统的压力设计考虑约18.3ppg的最大静态泥浆重量。在恰当的情况下，所有设计还额外考虑在期望的主要流速下的摩擦压力。在实施本发明时可采用的特定泥浆组分如下:(a)具有30%土乙二醇的10%NaCl，用于将水合物抑制至35 °F(2°C)。这种泥浆系统特别用于其中压裂梯度低的钻井表面孔洞间隔。它提供含盐量低的水合物抑制。这种配方下的泥衆密度约为9.5ppg。(b)具有聚合物和乙二醇的26%氯化钠。这种泥浆的重量范围在12.0ppg-16.0ppg之间。这个配方用于其中由于压裂梯度低而不能在盐下方使用合成泥浆的钻井碱式盐井。(c) 20-25%的氯化钙。泥浆密度在12.0ppg-16.0ppg之间。(d) 20-25%的氯化钾。泥浆密度在12.0ppg-16.0ppg之间。(e) C16-C18IO (内烯烃)泥浆系统。泥浆密度在14.0ppg-18.3ppg之间。(f)低盐度的褐煤/木质素磺酸盐系统。称重高达18.3ppg。(g)硅酸钠泥浆系统。称重为12-18.3ppg。(h)额外材料可以包括重晶石、碳酸钙和赤铁矿。
本说明书可以设想本发明的附加实施例，且文中示出或描述但未具体引述的其它实施例落在所要求的发明的范围内。
权利要求
1.一种固体处理装置，包括: 具有中心空腔的内部套筒， 外壳，该外壳沿圆周设置在内部套筒外侧以在外壳与内部套筒之间形成外围环形区域， 位于外围环形区域内的第一刀具组件，该第一刀具组件包括其上装配有第一刮刀的第一轴， 与中心空腔流体连通的入口孔，该入口孔能够将钻井泥浆和固体送至中心空腔，以及 排放端口，该排放端口能够将钻井泥浆和经处理的固体排出外围环形区域。
2.如权利要求1所述的固体处理装置，其中该固体处理装置包括第二刀具组件，该第二刀具组件包括其上装配有第二刮刀的第二轴，其中第一和第二轴大体平行排列，并且第一和第二轴被构造成能够反向旋转。
3.如权利要求2所述的固体处理装置，其中第三刀具组件和第四刀具组件设置在外围环形区域内。
4.如权利要求2所述的固体处理装置，其中所述第一和第二刀具组件被保持在第一盒中。
5.如权利要求4所述的固体处理装置，其中具有多个刀具组件的第二盒布置在外围环形区域内。
6.如权利要求1所述的固体处理装置，其中第一刀具组件能够接收来自位于外壳外部的驱动机构的动力。
7.如权利要求1所述的固体处理装置，其中该固体处理装置被构造成用于直接连接至立管。
8.如权利要求7所述的固体处理装置，其中中心空腔能够接收从立管伸出的冲洗工具。
9.一种用于处理在水体内的由钻井得到的固体的处理系统，该水体具有上部水面和下部泥线面，该处理系统包括: 在上部水面下方延伸的立管，该立管装填有第一密度的第一流体， 在下部泥线面下方延伸的井眼，该井眼装填有第二密度的第二流体，其中第二密度大于第一密度， 与立管和井眼连通的流体分离机构，该流体分离机构能够保持第一和第二流体之间的分离和密度差， 泥浆提升泵，以及 连接至泥浆提升泵的固体处理装置，该固体处理装置具有中心空腔，该中心空腔被布置成与立管共线，该固体处理装置能够用于将钻井得到的固体接收在中心空腔中以及减小钻井得到的固体的颗粒尺寸，以形成经处理的固体。
10.如权利要求9所述的处理系统，其中该固体处理装置包括至少与立管的压力等级一样大的压力等级。
11.如权利要求9所述的处理系统，其还包括将固体处理装置与泥浆提升泵连接的排放端口，其中经处理的固体通过排放端口从固体处理装置传送至泥浆提升泵。
12.如权利要求9所述的处理系统，其中该固体处理装置还包括包围中心空腔的内部套筒，该固体处理装置还包括沿圆周设置在内部套筒之外的外壳，其中在内部套筒和外壳之间设有外围环形区域，固体处理装置还包括设在外围环形区域中的第一刀具组件，固体处理装置还包括与中心空腔连通的入口孔，该入口孔能够用于将钻井得到的固体传送给固体处理装置。
13.如权利要求12所述的处理系统，其中内部套筒为负载轴承，其能够接收和传递钻井管柱的负载。
14.如权利要求12所述的处理系统，其中第一刀具组件包括第一轴，其中还设置具有第二轴的第二刀具组件，其中第一轴和第二轴大体平行排列。
15.如权利要求14所述的处理系统，其中第一和第二刀具组件的第一和第二轴被构造成能够相反旋转。
16.一种与立管相联的用于处理在水体内的固体的处理装置，该处理装置包括: 具有中心空腔的固体处理装置，该中心空腔被设置成与立管共线，该固体处理装置能够用于将固体接收在中心空腔内并且减小固体的颗粒尺寸，以形成经处理的固体。
17.如权利要求16所述的处理装置，其中该固体处理装置还包括: 外壳，以及 设在外壳内的内部套筒,其中该内部套筒包括位于内部套筒内部的中心空腔以及位于内部套筒之外的外围环形区域，该外围环形区域被设置在内部套筒和外壳之间。
18.如权利要求17所述的处理装置，其中该固体处理装置还包括设在外围环形区域中的切削机构，该切削机构被构造成用于减小固体的尺寸。
19.一种用于处理在水体内的固体的处理方法，该水体具有水面和泥线面，其中立管在水面下方延伸，该立管装填有第一密度的第一流体，井眼在泥线面下方延伸，该井眼装填有第二密度的第二流体，其中第二密度大于第一密度，流体分离机构与立管相连且与井眼流体连通，该流体分离机构能够用于保持第一和第二流体之间的密度差，该处理方法包括以下步骤: 提供具有中心空腔的固体处理装置，该固体处理装置被设置成与流体分离机构共线， 将固体从井眼传送至固体处理装置的内部空间， 减小固体的尺寸以产生经处理的固体，以及 将经处理的固体排出固体处理装置。
20.如权利要求19所述的处理方法，其还包括以下步骤: 提供泥浆提升泵，以及 将经处理的固体传送至泥浆提升泵。
全文摘要
公开了一种用于处理由水体下挖掘或钻井产生的地质固体或钻屑的装置、系统及方法。与立管相联的用于处理固体的装置可以采用具有中心空腔的固体处理装置，所述中心空腔基本不存在机械障碍物。中心空腔可以被设置成与立管共线。该装置可以能够将固体接收在中心空腔内、以及借助位于中心空腔外侧的刀具组件减小固体的颗粒尺寸。经切割和处理的固体可以被泵送至水面。
文档编号E21B21/06GK103154421SQ201180048388
公开日2013年6月12日 申请日期2011年9月28日 优先权日2010年10月5日
发明者L·D·里德 申请人:雪佛龙美国公司