深水钻井导管随钻支撑装置及下入参数设计方法与流程

本发明涉及海洋深水钻井领域，具体涉及一种深水钻井导管随钻支撑装置及其下入参数设计方法。

背景技术：

海洋深水钻井过程中，导管下入到位并与水下井口、防喷器和隔水管连接后，起到结构支撑作用。导管一般采用直接喷射下入和先钻孔后下入并固井两种方式安装到海底泥线以下设计位置，下入过程中不发生偏斜才能保证良好的下入和支撑效果。随着水深不断增加和海洋环境保护要求的提高，水下防喷器体积和重量有不断增加的趋势。重达几百吨的水下防喷器及悬挂套管串的重力作用使导管承受巨大的竖向载荷作用；同时，由于隔水管上端与钻井船或钻井平台相连，在风、浪、流等海洋环境载荷的动力作用下，隔水管产生复杂的动力作用将不断的传递到导管上，导致导管承受巨大的横向弯矩作用。在这些载荷的作用下，导管有下沉和倾斜的趋势。在海洋环境特别恶劣、导管设计不够合理的情况下，特别容易造成导管发生沉降和倾斜，严重时将造成隔水管折断、井口破坏，不仅造成经济损失，而且会形成巨大的灾难。这些情况在美国墨西哥湾、巴西盆地等主要深水钻井作业区已有发生。

为了防止导管下沉和倾斜，目前主要是采用增加导管的外径和壁厚、附加泥线垫板、采用特定防沉降工具来控制导管的下沉和倾斜，但是都存在一定的技术缺陷：过大增加导管的外径和壁厚，将直接导致导管与表层套管环空尺寸增大，不利于固井和钻井作业；增加泥线垫板后，容易导致泥线垫板一侧发生冲刷，造成导管倾斜更加严重。采用某些水下井口防失稳装置可以防止导管下沉，但是局限在导管安装到位后的防止下沉，并且局限于喷射下入方式，不适合在硬地层进行的钻进、下入并固井的方式；而且这类防失稳装置设在导管的上部，与导管采用螺纹或焊接方式的固定连接，不能起到随钻支撑的作用。因此，设计一种不但在导管下入过程中起到支撑作用，而且在导管下入到位后起到更大的支撑作用的导管随钻支撑装置可以极大的提高深水钻井导管的稳定性和安全性，有效避免事故发生。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种操作简便的解决导管随钻支撑技术问题的装置和方法。

本发明提出的深水钻井导管随钻支撑装置包括随钻支撑组件、悬挂组件和支撑盘。

所述随钻支撑组件包括内筒、外筒和连接顶板；所述内筒套在导管上，可以沿导管自由滑动，外筒位于内筒外，直径由上部向下部逐渐增大，外筒和内筒通过上部的连接顶板连接在一起，随钻支撑组件起到支撑导管以及附着在导管上的重量的作用。

所述悬挂组件上端固定在导管上，下端钩挂随钻支撑组件的连接顶板，实现悬挂组件对随钻支撑组件的悬吊。

所述支撑盘固定在导管头附近，当导管下入到位时，该支撑盘坐于随钻支撑组件顶部的悬挂组件上，起到悬挂导管的作用。

进一步，随钻支撑组件的外筒上有均布的排水孔，用于排出斜壁外筒和直壁内筒之间的海水和淤泥。

进一步，随钻支撑组件的内、外筒的底端均为具有一定斜率的尖角，减轻内外筒端部阻力，便于装置下入海底浅部软土中。

进一步，随钻支撑组件的内筒设计长度大于斜壁外筒，在起到支撑导管防止其沉降的同时，可以更好的提高导管在横向载荷作用下的弯矩抵抗能力。

本发明的随钻支撑结构外筒为斜壁筒形，其下端开口直径略大于顶部连接处直径，筒壁具有一定的斜率，这种结构可以更有效的发挥支撑作用。

进一步，所述悬挂组件一种较好的实现结构是包括悬吊支撑铰链、悬吊盘、悬吊链和悬挂钩，悬吊支撑铰链将悬吊盘锁紧固定在导管上，悬吊盘沿周向连接多根悬吊链，多个悬挂钩在随钻支撑组件的连接顶板上和悬吊盘上沿周向设置，悬吊链与悬挂钩一一对应钩挂。该结构可以根据本发明装置的下入深度自由设置其在导管上的安装位置；同时，在地层因素情况下，如果本发明装置不能下到设计位置，则铰链和悬吊盘可以被水下机器人操作解除，为导管下入到位预留位置。

进一步，所述悬挂组件具有两级，两级结构相同，两级相隔一定距离固定在导管上，二级结构的功能和一级结构一样，属于安全附加结构。

在本发明设计的导管随钻支撑装置的基础上，进一步提出该装置的下入参数设计方法。该方法是指根据土力学的基本原理，结合现场实际提出的一种用于导管随钻支撑装置形状、尺寸以及下入海底浅部地层深度设计的方法，以便于工程应用。

根据土力学理论，由于该装置内外筒的底端均为具有一定斜率的尖角，因此可以忽略它们的端部阻力作用，这样设计结构偏于安全且能大幅降低计算公式的复杂程度，可以更好满足工程应用。由于内外筒的内、外侧阻力对支撑作用起到决定性作用，且由于海底浅部软土以淤泥和饱和粘性土为主，结合桩基设计理论，可以得到本发明随钻支撑装置所提供的竖向承载力，如公式(1)所示。由于深水钻井导管下入方法不同，本发明随钻支撑装置承载力计算分为导管喷射下入和导管固井下入两种情况。

式中，Q_J为装置在导管喷射下入方式下的承载力，kN；Q_C为装置在导管固井下入方式下的承载力，kN；d_vi和D_vi分别为第i段装置内筒的内、外径，m；d_di和D_di分别为第i段装置外筒的内、外径，m；L_V和L_D分别为装置内筒、外筒的设计长度，m；l_vi为装置内筒第i段周围的土层厚度，m；l_di为装置外筒第i段周围的土层厚度，m；C_ui为第i段粘土的不排水抗剪强度，kPa；α为粘着系数，取决于土c层不排水抗剪强度和装置进入土层的深度比；ξ为斜壁外筒承载力增强系数，与斜壁斜率有关；t_c为时间效应系数，根据现场土样数据获得。

本发明随钻支撑装置下入过程中是随钻进行的，没有外力辅助其下沉，因此需要同时计算出随钻支撑装置在海水中的重量，如公式(2)所示。

式中，W_Z为装置在海水中的浮重，kN；W_V和W_D分别为装置内外筒在海水中的浮重，kN；W_f为装置除内外筒外的附件重量，kN；ρ_s为钢的密度，kg/m³；k_s为海水浮力系数。

同时，由于本发明随钻支撑装置下入过程遇到的阻力和浮重都与装置内外筒的长度有关，因此该装置内筒、外筒的设计长度L_V和L_D应根据公式(3)迭代计算。

ε_d≤Q-W≤ε_u (3)

式中，ε_d和ε_u分别是最小、最大安全余量，kN。

最后，根据水下井口高度设计要求，将以上得到的随钻支撑装置内外筒设计长度减去一个安全余量Δs，就得到了装置内外筒的作业下入深度。

导管喷射下入方式的迭代过程如下：

首先，任意假设一个装置外筒设计长度L_D的数值，把该数值代入公式(1)的Q_J(令L_V＝0)和公式(2)的W_D，如果计算满足公式(3)，那么假设的L_D就是合理的；如果不满足公式(3)，则逐步改变L_D的数值并重复上述步骤，迭代得到满足要求的设计长度L_D。

然后，任意假设一个装置内筒设计长度L_V的数值，把该数值代入公式(1)的Q_J(令L_D＝0)和公式(2)的W_V，如果计算满足公式(3)，那么假设的L_V就是合理的；如果不满足公式(3)，则逐步改变L_V的数值并重复上述步骤，迭代得到满足要求的设计长度L_V的初步结果。

最后，按照最小计算步长增加装置内筒的长度ΔL_V的数值，代入公式(1)的Q_J和公式(2)的W_Z，迭代计算使之满足公式(3)，则获得最终的内筒设计长度L_V。

改变随钻支撑装置内外筒的直径和外筒倾斜度，重复以上步骤，可以得到随钻支撑装置不同形状、尺寸以及下入深度等参数。

导管固井下入方式的迭代过程如下：

首先，任意假设一个装置外筒设计长度L_D的数值，把该数值代入公式(1)的Q_C和公式(2)的W_D，同时令内筒设计长度L_V＝2L_D，代入公式(2)W_Z，如果计算满足公式(3)，那么假设的L_D就是合理的；如果不满足公式(3)，则逐步改变L_D的数值并重复上述步骤，迭代得到满足要求的设计长度L_D。由于内筒还起到横向弯矩承载作用，所以此时得到的L_V也就是内筒设计长度。

改变随钻支撑装置内外筒的直径和外筒倾斜度，重复以上步骤，可以得到随钻支撑装置不同形状、尺寸以及下入深度等参数。

本发明的有益效果在于：

1.本发明的随钻支撑结构内筒可以沿导管自由滑动，方便的实现了随钻提供导管支撑。

2.本发明的随钻支撑结构内筒设计长度大于斜壁外筒，在起到支撑导管防止其沉降的同时，可以更好的提高导管在横向载荷作用下的弯矩抵抗能力。

3.本发明的随钻支撑结构外筒为斜壁筒形随钻支撑装置，其下端开口直径略大于顶部连接处直径，筒壁具有一定的斜率，这种结构可以更有效的发挥支撑作用。

4.本发明的随钻支撑结构外筒为斜壁筒形随钻支撑装置的上部一定位置开有一定数量的、均布的圆孔，用于排出斜壁外筒和直壁内筒之间的海水和淤泥。

5.本发明的内外筒底部筒壁具有一定斜率的斜角，减轻内外筒端部阻力，便于装置下入海底浅部软土中。

6.本发明的悬挂结构的一二级铰链及悬吊盘，可以根据本发明装置的下入深度自由设置其在导管上的安装位置；同时，在地层因素情况下，如果本发明装置不能下到设计位置，则铰链和悬吊盘可以被水下机器人操作解除，为导管下入到位预留位置。

7.本发明的随钻支撑结构、悬挂结构可以在平台上按照常规流程依次安装，简单快捷，不会造成钻井时间的消耗。

8.本发明关于导管随钻支撑装置下入参数设计方法是基于土力学的基本原理设计，同时充分考虑了现场施工需要，设计方法简便、求解过程快捷、计算结果便于工程应用。

附图说明

图1是本发明装置和导管的安装结构示意图；

图2是本发明装置随钻支撑组件结构示意图；

图3是本发明装置随钻支撑悬挂组件结构示意图；

图4是本发明装置下入参数设计流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细阐述：

参见图1、图2和图3，深水钻井导管随钻支撑装置包括随钻支撑组件、悬挂组件和支撑盘4。

随钻支撑组件又分为三部分，一部分是和导管接触的直壁内筒16，一部分是上部带有排水孔13的斜壁外筒14，还有一部分是连接内筒和外筒的上部连接顶板11。内筒和外筒绝大部分深入海底泥线以下的软土中，起到支撑导管以及附着在导管上的重量。连接顶板11为加厚结构，一个功能是连接内、外筒，另一个功能是为其上焊接的数量不等的悬挂钩提供结构面，以便在支撑装置下入过程中通过悬吊链与悬挂组件配合，起到悬吊支撑结构的作用。

悬挂组件的结构由三部分组成，一部分是一级悬吊支撑铰链24、一级悬吊盘23、一级悬吊链25和上、下悬挂钩27和12，通过悬吊支撑铰链24固定在导管下部一定位置，一级悬吊盘23沿周向连接多根一级悬吊链25，多个上、下悬挂钩27和12在一、二级悬吊盘23、21上和随钻支撑组件的连接顶板11上沿周向设置，一、二级悬吊链与悬挂钩一一对应钩挂，由一级悬吊盘23通过钢的一级悬吊链25悬吊本发明的随钻支撑组件。另一部分是二级悬吊支撑铰链22、二级悬吊盘21、二级悬吊链26和上、下悬挂钩27和12，其功能和一级悬吊支撑铰链和悬吊盘一样，属于安全附加结构。第三部分是位于导管头附近的支撑盘4，该支撑盘4通过焊接或其他连接方式与导管连在一起，当导管下入到位时，该支撑盘坐于随钻支撑结构顶部的悬挂结构上，起到悬挂导管的作用。

随钻支撑组件的直壁内筒16套在导管3上，可以沿导管自由滑动，斜壁外筒14位于直壁内筒16外，直径由上部向下部逐渐增大，筒壁具有一定的斜率，可以更有效的发挥支撑作用。内、外筒的底端均为具有一定斜率的尖角17和15，减轻内外筒端部阻力，便于装置下入海底浅部软土中。直壁内筒16设计长度大于斜壁外筒14，在起到支撑导管防止其沉降的同时，可以更好的提高导管在横向载荷作用下的弯矩抵抗能力。

以下进一步以深水钻井喷射下导管方式为例进行说明：

首先根据本发明的设计方法进行装置内外筒下入深度设计，基本参数如下：本装置内筒16的内径为920mm，等壁厚为25.4mm，本装置外筒14的顶部外径为1300mm，等壁厚为25.4mm，其斜壁的倾斜角为20度，本装置顶部11的厚度为50.8mm；导管3外径为914.4mm，等壁厚25.4mm，长度80m。为简化计算，设海底泥线以下0-100m深度全部为粘土层。

结合图4，根据导管喷射下入方式迭代流程进行设计：首先，假设装置外筒14长度L_D的数值3m，把该数值代入公式(1)的Q_J(令L_V＝0)和公式(2)的W_D，不能满足公式(3)，判断出假设的数值偏小，利用计算机程序，将L_D逐次增加0.1m进行迭代计算，计算得到4.8m为满足公式(3)的合理的外筒14的设计长度。然后，假设装置内筒16的长度L_V的数值为4.8m，把该数值代入公式(1)的Q_J(令L_D＝0)和公式(2)的W_V，计算结果不能满足公式(3)，判断出假设的数值偏小，将L_V逐次增加0.1m进行迭代计算，计算得到8.9m为满足公式(3)的外筒14的初步设计长度。综合考虑本装置的附件重量，将L_V逐次增加0.05m，代入公式(1)的Q_J和公式(2)的W_Z，进行迭代计算使之满足公式(3)，可以获得最终的合理的内筒设计长度L_V＝11.6m。根据以上设计流程，最终得到本装置2的外筒14长度为4.8米，内筒16长度为11.6米。

改变算例中随钻支撑装置内外筒的直径和外筒倾斜度等参数，重复以上计算步骤，可以得到随钻支撑装置不同形状、尺寸以及下入深度等参数。

下入参数设计完成后，将满足设计要求的本发明装置运送到深水钻井平台上。深水钻井喷射下入导管3前，在导管3的倒数第2根导管单根上安装一级悬挂组件的一级悬吊支撑铰链24和一级悬吊盘23，然后安装二级悬挂组件的二级悬吊支撑铰链22和二级悬吊盘21。安装完毕并锁紧两级悬吊支撑铰链后，按照常规导管连接流程连接导管3并使它穿过位于平台月池位置的随钻支撑组件的内筒16，当一级悬吊支撑铰链底部距离随钻支撑结构的顶板11大约30-50cm时，使用16组一二级悬悬吊链25和26连接顶板11上的下悬挂钩12和一二级悬吊支撑吊盘23和21上的上悬挂钩27，这样就通过钢链把本发明装置的随钻支撑结构的外筒14和内筒16与一级悬吊盘23和二级悬吊盘21链接起来，在下放导管3和本发明装置时，由锁紧于导管3上的悬吊组件悬吊随钻支撑组件。在导管3的最后一根导管单根距导管头2m的位置通过焊接或其他连接方式安装好支撑盘4，使支撑盘4和导管3结合在一起。然后，按照常规深水钻井下放导管流程将连接有本装置的导管3下放到海底泥线附近。

通过水下机器人解锁一级悬挂组件的悬吊支撑铰链24和二级悬挂组件的悬吊支撑铰链22，同时去除链接的一级和二级悬吊链25和26。这样本装置就可以通过自身重量接触到海底并逐渐下沉，此时的导管3已经与本装置2脱离，可以按照常规喷射下导管的方式启动作业流程。当导管2被喷射下入的过程中，本装置在自重的作用下随导管自动下入，下入过程中为导管随钻提供结构支撑，由于本装置的外筒14上开有8个附图2所示的泄流圆孔13，可以将装置下入过程中存积与内筒16和外筒14之间的海水和淤泥自动排出，降低了本装置的下入阻力。同时，本装置的内筒16和外筒14的底端部均为具有一定斜率的尖角结构17和15，可以更好的降低本装置的下入阻力。

在本装置和导管均在海底下入到位后，由支撑盘4提供导管3座于随钻支撑组件的顶板11上的支撑。这样，随导管3钻进自动下入的本支撑装置不但在下入过程中为导管提供结构支撑和引导，而且在下入到位后为导管以及后续套管提供很好的竖向和横向支撑，满足导管的稳定性要求，保证其不发生下沉或倾斜，从而保证了深水钻井作业的安全。

上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，不能理解为对本发明保护范围的限制。其他根据本发明进行的改变，也属于本发明保护范围。