一种深水钻井隔水管系统的悬挂装置及悬挂方法与流程

本发明涉及一种悬挂装置及悬挂方法，特别是涉及一种深水钻井隔水管系统的悬挂装置及悬挂方法。

背景技术：

深水钻完井作业过程隔水管的安装和紧急悬挂都是通过隔水管悬挂卡盘实现的，常规的悬挂卡盘通过机械楔块和隔水管法兰接头的台阶面进行临时悬挂，卡盘整体结构座放在钻井转盘面上，因此隔水管串和卡盘、钻井平台之间是一种刚性连接的关系，当海况比较恶劣时，尤其在台风来临时，钻井船在波浪作用下会发生剧烈的升沉运动，由于刚性连接的关系，卡盘和隔水管串会随着钻井船的升沉运动而发生升沉运动，当悬挂的隔水管串较长时，隔水管顶部与钻台面上卡盘连接的位置会随平台一起实时升沉，但是在深水钻井中，隔水管长度较长，隔水管底部由于距离平台较远，平台的运动没有及时传递到位，造成隔水管顶部和底部运动方向产生差异，因此会造成隔水管的轴向压缩(即隔水管某处受到负拉力)，按照隔水管的作业规范(API RP16Q)，这种工况是不允许的，会严重影响悬挂隔水管的安全。为了应对这种情况，在恶劣海况下，是不允许进行钻井隔水管的安装作业的，如果作业期间预测到台风将经过平台位置，平台需要回收所有的隔水管串，待台风消散后，再重新下入隔水管。这种情况下会增加反复起下隔水管串的工作量，对整个钻井作业的进度造成很大的影响，增加了钻井的作业费用。如果台风突然来袭，平台为了缓解隔水管串可能的轴向压缩，会考虑采用软悬挂隔水管串的方式，即采用液压张紧器进行悬挂，这种方式需要在危险的月池区域分别进行相关操作，包括连接张紧器，安装隔水管伸缩节等，作业程序复杂耗时，且操作风险较高，紧急情况下可操作性较差。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种操作简单、紧急情况下可操作性强且能够提高隔水管系统悬挂安全性的深水钻井隔水管系统的悬挂装置及悬挂方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种深水钻井隔水管系统的悬挂装置，其特征在于：它包括固定托盘、液压缸、滑轮和活动托盘；所述固定托盘固定连接在钻井台面上，在所述固定托盘的中部开设有供隔水管串穿过的通孔；所述液压缸为两个以上且沿所述通孔边缘均匀安装在所述固定托盘上，所述液压缸的活塞杆顶端转动连接有滑轮；所述活动托盘的中部开设有供隔水管串穿过的通孔，所述活动托盘的外侧与钢丝绳的一端连接，所述钢丝绳的另一端绕过所述滑轮后连接到所述固定托盘上。

所述固定托盘上设置两个以上导引滑轨，所述导引滑轨穿过活动托盘。

所述导引滑轨的顶端设有限位块。

本发明还提供了一种用于深水钻井隔水管系统的悬挂装置的悬挂方法，包括以下步骤：

1)在活动托盘上固定悬挂卡盘，悬挂卡盘内设有悬挂楔块，隔水管串穿过钻井台面下放，隔水管串顶端的接头法兰连接悬挂卡盘内设的悬挂楔块完成隔水管串的悬挂；

2)液压缸上腔室泵入氮气，下腔室泵入高压油，形成压差推动活塞杆上移，带动活动托盘、悬挂卡盘和隔水管串上移脱离钻井台面；

3)监测钻井平台升降运动的加速度和液压缸上腔室内氮气的压强变化，建立液压缸内高压油的计算模型，通过液压泵调整的液压缸下腔室高压油的压强，使活塞杆运动加速度与钻井平台运动加速度相反，隔水管串随钻井平台的运动与活塞杆带动隔水管的运动相抵消，减少隔水管串出现轴向压缩。

在所述步骤2)中，泵入氮气的压力为3000psi。

在所述步骤3)中，所述钻井平台升降运动的加速度通过实时监测平台测得或监测平台升沉运动时间历程数据求时间导数获得。

在所述步骤3)中，所述液压缸内高压油的计算模型建立方法如下：

①当钻井平台向上运动加速度，则活塞杆向下运动，将活动托盘、悬挂卡盘和隔水管串作为整体，根据牛顿第二定律得出：

Mg-nTcosα＝Ma_t (1)

式中M为活动托盘、悬挂卡盘和隔水管串的总质量，T为钢丝绳的拉力，n为液压缸的个数，α为钢丝绳与竖直方向的夹角，g为重力加速度，a_t为钻井平台实时运动加速度值；

针对活塞杆进行受力分析，其受力平衡方程为：

P_油S₁＝P_气(S₁-S₂)+2nTcosα (2)

式中P_油为液压缸下腔室高压油的压强，P_气为液压缸上腔室氮气的压强，S₁为液压缸内活塞的横截面积，S₂为液压缸内活塞杆的横截面积；

结合(1)(2)式得出高压油的计算模型为：

②当钻井平台向下运动加速度，则活塞杆向上运动，将活动托盘、悬挂卡盘和隔水管串作为整体，根据牛顿第二定律可得：

nTcosα-Mg＝Ma_t (4)

式中M为活动托盘、悬挂卡盘和隔水管串的总质量，T为钢丝绳的拉力，n为液压缸的个数，α为钢丝绳与竖直方向的夹角，g为重力加速度，a_t为钻井平台实时运动加速度值；

针对活塞杆进行受力分析，其受力平衡方程为：

P_油S₁＝P_气(S₁-S₂)+2nTcosα (5)

式中P_油为液压缸下腔室高压油的压强，P_气为液压缸上腔室氮气的压强，S₁为液压缸内活塞的横截面积，S₂为液压缸内活塞杆的横截面积；

结合(4)(5)式得出高压油的计算模型为：

③考虑钻井平台加速度的方向，取向下为正，向上为负，高压油的计算模型为：

式中M为活动托盘、悬挂卡盘和隔水管串的总质量，T为钢丝绳的拉力，n为液压缸的个数，α为钢丝绳与竖直方向的夹角，g为重力加速度，a_t为钻井平台实时运动加速度，P_油为液压缸下腔室高压油的压强，P_气为液压缸上腔室氮气的压强，S₁为液压缸内活塞的横截面积，S₂为液压缸内活塞杆的横截面积。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明通过活动托盘连接钢丝绳，钢丝绳绕过液压缸的活塞杆上的滑轮连接固定托盘，再通过液压泵调整液压缸内高压油的压强，使活塞杆的运动与钻井平台的运动相反，能够减少因钻井平台的上下运动引起隔水管串的轴向压缩，提高隔水管串的悬挂安全性。2、本发明通过建立高压油的计算模型，能够准确计算调整高压油的压强，适时改变活塞杆的运动来减少隔水管串的轴向压缩，操作简单，紧急情况下的可操作性强。3、本发明根据悬挂装置的悬挂载荷变化，沿固定托盘的通孔边缘均匀安装两个以上液压缸，能够提高整个悬挂装置的载荷能力。4、本发明的固定托盘上设置两个以上导引滑轨，导引滑轨顶部设有限位块，活动托盘穿过导引滑轨运动，能够减少活动托盘的水平晃动，减少隔水管串顶部和底部的运动方向差异。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

具体实施方式

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，本发明提出一种深水钻井隔水管系统的悬挂装置，它包括固定托盘1、液压缸2、滑轮3和活动托盘4。固定托盘1固定连接在钻井台面12上，在固定托盘1的中部开设有供隔水管串10穿过的通孔。液压缸2为两个以上且沿通孔边缘均匀安装在固定托盘1上，液压缸2的活塞杆顶端转动连接有滑轮3。活动托盘4的中部开设有供隔水管串10穿过的通孔，其外侧与钢丝绳5的一端连接，钢丝绳5的另一端绕过滑轮3后连接到固定托盘1上。

进一步地，固定托盘1上设置两个以上导引滑轨6，导引滑轨6顶端设有限位块7，导引滑轨6穿过活动托盘4，对活动托盘4的上下运动起到导向限位作用，减少活动托盘4的水平晃动，减少隔水管串10顶部和底部的运动方向差异。

基于上述悬挂装置，本发明还提供了一种深水钻井隔水管系统悬挂装置的悬挂方法，包括以下步骤：

1)在活动托盘4上固定悬挂卡盘8，悬挂卡盘8内设有悬挂楔块，隔水管串10穿过钻井台面12下放，隔水管串10顶端的接头法兰连接悬挂卡盘8内设的悬挂楔块完成隔水管串10的悬挂。

2)液压缸2上腔室泵入氮气，下腔室泵入高压油，形成压差推动活塞杆上移，带动活动托盘4、悬挂卡盘8和隔水管串10上移脱离钻井台面。

3)监测钻井平台升降运动的加速度和液压缸2上腔室内氮气的压强变化，建立液压缸2内高压油的计算模型，通过液压泵(图中未示出)调整的液压缸2下腔室高压油的压强，使活塞杆运动加速度与钻井平台运动加速度相反，隔水管串10随钻井平台的运动与活塞杆带动隔水管的运动相抵消，减少隔水管串10出现轴向压缩，提高隔水管串10的悬挂安全性。

上述实施例中，步骤2)泵入的氮气的的压力为3000psi。

上述实施例中，步骤3)中钻井平台升降运动的加速度可通过实时监测平台测得或监测平台升沉运动时间历程数据求时间导数获得。

上述实施例中，步骤3)中液压缸2内高压油的计算模型的建立方法如下：

①当钻井平台向上运动加速度，则活塞杆向下运动，将活动托盘4、悬挂卡盘8和隔水管串10作为整体，根据牛顿第二定律可得：

Mg-nTcosα＝Ma_t (1)

式中M为活动托盘4、悬挂卡盘8和隔水管串10的总质量，T为钢丝绳5的拉力，n为液压缸的个数，α为钢丝绳5与竖直方向的夹角，g为重力加速度，a_t为钻井平台实时运动加速度值。

针对活塞杆进行受力分析，其受力平衡方程为：

P_油S₁＝P_气(S₁-S₂)+2nTcosα (2)

式中P_油为液压缸2下腔室高压油的压强，P_气为液压缸2上腔室氮气的压强，S₁为液压缸2内活塞的横截面积，S₂为液压缸2内活塞杆的横截面积。

结合(1)(2)式可得高压油的计算模型为：

②当钻井平台向下运动加速度，则活塞杆向上运动，将活动托盘4、悬挂卡盘8和隔水管串10作为整体，根据牛顿第二定律可得：

nTcosα-Mg＝Ma_t (4)

式中M为活动托盘4、悬挂卡盘8和隔水管串10的总质量，T为钢丝绳5的拉力，n为液压缸的个数，α为钢丝绳5与竖直方向的夹角，g为重力加速度，a_t为钻井平台实时运动加速度值。

针对活塞杆进行受力分析，其受力平衡方程为：

P_油S₁＝P_气(S₁-S₂)+2nTcosα (5)

式中P_油为液压缸2下腔室高压油的压强，P_气为液压缸2上腔室氮气的压强，S₁为液压缸2内活塞的横截面积，S₂为液压缸2内活塞杆的横截面积。

结合(4)(5)式可得高压油的计算模型为：

③如果考虑平台加速度的方向，向下为正，向上为负，高压油的计算模型为：

式中M为活动托盘4、悬挂卡盘8和隔水管串10的总质量，T为钢丝绳5的拉力，n为液压缸的个数，α为钢丝绳5与竖直方向的夹角，g为重力加速度，a_t为钻井平台实时运动加速度，取向下为正，向上为负，P_油为液压缸2下腔室高压油的压强，P_气为液压缸2上腔室氮气的压强，S₁为液压缸2内活塞的横截面积，S₂为液压缸2内活塞杆的横截面积。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的。在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进或等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。