海洋钻井可控式浮力块的制作方法
【专利摘要】本发明是一种带导向环的海洋钻井可控式浮力块，属于海洋深水钻井工程的专用浮力块，适用于海上油气开发的复杂环境。本发明可减小水流对隔水管的能量输入，减小水流激动和涡流振动，使隔水管受到的海流和海浪冲击载荷最小，还可为隔水管提供可变浮力。本发明浮力块由偏转弹簧、进气阀、排气阀、导向环、伸缩支撑环和外腔组成，其核心部件为由伸缩链和伸缩臂组成的伸缩支撑环。顶部导向环可根据水流方向来调整浮力块的状态，使自身的过水面和迎水面最小。另外，在遇到恶劣海况时，配套使用的控制软件计算出隔水管和浮力块受到的实时载荷，并在处理数据后向压缩机发出命令，压缩机向浮力块中充入或排出适量的气体，实现为隔水管提供可变浮力的功能。
【专利说明】海洋钻井可控式浮力块
【技术领域】
[0001]本发明为海洋钻井可控式浮力块，属于海洋深水钻井工程的专用浮力块，适用于海上油气勘探开发的复杂环境。
【背景技术】
[0002]目前全球未发现的海上油气储量有超过90%埋藏在水深超过IOOOm以下的地层之中。因此，海洋深水油井是推动石油工业向前发展的关键所在，但是水深却严重制约了海洋深水钻井的发展。现阶段，我国的海上石油钻井已经逐步走向深海，如我国拥有自主知识产权的981钻井平台，钻井水深已达3000米，为我国的深水海洋油气资源的开采提供了有力的保障。但是，随着水深的增加，海洋钻井平台面临的海洋环境变得越来越复杂。因此，需要在钻井之前下入隔水管来隔离钻杆和海水，减轻海洋环境对隔水管的不利影响。但在钻井的过程中任然存在很多的问题，如隔水管变形毁坏，平台位移过大导致隔水管脱落，隔水管顶底部球铰的转角过大等，这一系列问题都会导致钻井无法正常实施，甚至造成巨大的经济损失。因此，需要在隔水管上添加浮力块，浮力块可以为隔水管提供浮力，减轻顶部张力器的载荷，减小隔水管的变形。目前，工程中主要使用的浮力块为为求泡沫塑料和空气罐浮力块，这两种浮力块存在着很大的不足，首先，浮力块处于较深的水深之中，受到较高的静水压力，很容易被水渗入而失去浮力效果，当浮力块失效后，隔水管就会不稳定，隔水管变形、轴向载荷、球铰转角都会增大，一旦超过钻井极限窗口，钻进将被迫停止。其次，由于海洋中海流和波浪的长期作用，会使浮力块产生涡激振动，最终引起浮力块的疲劳破坏。
[0003]文献SPE96290、IADC/SPE112648、SPE74534、IADC/SPE39295 等多篇文章和现场数据证实:过大的拖曳力、过大的偏移和过大的隔水管球接头转角度数将造成钻井操作停工；隔水管后方涡流诱导的振动疲劳损伤累积将导致隔水管过早失效，如隔水管磨损、脱落、断裂和挤毁等。因此，传统的浮力块是很难实现为隔水管提供可变浮力、减小波流载荷和减小涡流诱导振动的功能。
【发明内容】
[0004]本发明克服了原有技术中存在的一些缺点，提供了一种海洋钻井可控式浮力块。首先，浮力块可根据海洋深水环境，受中心处理软件的控制，为隔水管提供可变浮力，从而减小深水钻井时海洋环境中的海流载荷、海浪载荷和涡流载荷对隔水管造成的破坏作用，减弱涡激效应的振动。其次，还可以改变浮力块本身的迎水面和过水面大小。从而改善隔水管顶部张力器的受力状况，减轻隔水管顶部张力器的工作载荷，减小隔水管的弯曲变形，减缓隔水管的疲劳损伤，增强深水钻井作业系统的安全性，提高作业效率，以适应海洋深水钻井复杂环境。
[0005]本发明是一种带导向环的海洋钻井可控式浮力块(附图1)，该浮力块由偏转弹簧、进气阀、排气阀、导向环、伸缩支撑环和外腔组成，其中的核心部件为伸缩支撑环，它由附图3中的伸缩链和伸缩臂组成。[0006]本发明的顶部导向环可根据水流方向的变化调整浮力块的状态，此时过水面和迎水面均处于海洋钻井可控式浮力块的流线型侧面位置，它们的面积达到最小，不仅减小了水流能量的输入，还可有效减小水流激动和涡流振动，从而让浮力块受到的海流和海浪冲击载荷最小。另外，在遇到恶劣海况时，与海洋钻井可控式浮力块配套使用的控制软件可计算出隔水管和浮力块受到的实时海流和波浪载荷，并在数据处理后向压缩机发出命令，压缩机向浮力块中充入适量的气体。此时，气压会驱动浮力块的伸缩支撑环伸长，海洋钻井可控式浮力块体积变大，根据f=p gV，可知海洋钻井可控式浮力块将为隔水管提供更大的浮力，避免隔水管顶部张力器出现应力集中，缓解底部球接头转角度数的增大，减小平台偏移距离。当恶劣海况过去后,浮力块中的气体将由排气阀排出。
[0007]本发明与现有浮力块相比，具有以下优势:①浮力块顶部安装导向环，可控制迎水面的面积始终为最小，有效减小海流和海浪的冲击载荷根据流体动力学原理，改进浮力块的外形特征，采用双流线型侧面减少涡激振动；③可以通过空气压缩机向海洋钻井可控式浮力块中充入空气，让浮力块提供可变浮力；④浮力块上安装有伸缩支撑环，由伸缩链和伸缩臂组成，可按一定比例伸缩，浮力块外部选用可膨胀材料。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1海洋钻井可控式浮力块立体图；
[0009]图2海洋钻井可控式浮力块俯视图；
[0010]图3海洋钻井可控式浮力块伸缩支撑环示意图(伸长状态)；
【具体实施方式】
[0011]下面结合附图详细说明本发明提出海洋钻井可控式浮力块的细节及工作流程。
[0012]在恶劣海况下，控制软件控制空气压缩机通过海洋钻井可控式浮力块的进气阀向浮力块中注入空气，浮力块的外部材料可在注气后膨胀，为隔水管提供可变的浮力。海况恢复之后，经相同路径由控制软件向浮力块的排气阀发出指令，排出额定气体量，浮力块收缩，使之回到原始平衡状态。这样浮力块就起到了提供可变浮力的作用。另外，浮力块顶部的导向环配合压缩机注气可根据水流的方向和大小自动调整浮力块迎水面和过水面的大小。
[0013]控制软件(已申请著作权，登记号2013SR149069)与海洋钻井可控式浮力块水配套使用，该软件可接收海水流速的大小及方向、隔水管形变量和偏移量等参数，计算出整段隔水管上所承受的海流、海浪和涡流载荷，并对隔水管的工况进行分析、判定并向空气压缩机发出相应的指令。
[0014]在注气的过程中，图1中进气阀2打开，气压驱动伸缩支撑环5伸长，浮力块体积增大，提供更大的浮力；排气时，进气阀2关闭，排气阀3缓慢打开，排除一定量气体，伸缩支撑环5收缩，然后关闭排气阀3，实现动态改变浮力的功能。当图1中的伸缩支撑环5伸长时，图3中支撑环的伸缩臂I的长短轴按固定比例伸长，伸缩链2按一定弧度展开。
[0015]当海水流动方向改变时，图1中导向环4上的偏转弹簧I受力改变，驱使浮力块转动，由 Morison 方程
【权利要求】
1.本发明是一种带导向环的海洋钻井可控式浮力块，该浮力块由偏转弹簧(I)、进气阀(2)、排气阀(3)、导向环(4)、伸缩支撑环(5)和外腔组成，其中的核心部件为伸缩支撑环(5)，它由伸缩臂(10)和伸缩链(11)组成。
2.根据权利要求1所述的海洋钻井可控式浮力块，其特征在于，可通过空气压缩机向浮力块中充入气体，为隔水管提供可变浮力。
3.根据权利要求1所述的海洋钻井可控式浮力块，其特征在于，所述的浮力块呈类椭圆形，双侧面流线型结构。
4.根据权利要求1所述的海洋钻井可控式浮力块，其特征在于，所述的浮力块顶部的导向环(4)可根据水流方向的变化调整浮力块的状态，可减小水流能量的输入，还可有效减小水流激动和润流振动，从而让浮力块受到的海流和海浪冲击载荷最小。
【文档编号】E21B17/10GK103883269SQ201410153769
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年4月17日 优先权日:2014年4月17日
【发明者】石晓兵, 范鹏飞, 黄兵, 苗娟 申请人:西南石油大学