利用吸力锚连续下套管的海底浅层快速成直井装置的制作方法

本实用新型涉及海底天然气水合物开采技术领域，尤其涉及一种利用吸力锚连续下套管的海底浅层快速成直井装置。

背景技术：

天然气水合物是分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。其资源密度高，全球分布广泛，具有极高的资源价值。据估计，世界上天然气水合物的总能量约煤、油、气总和的2-3倍。因此，开发天然气水合物对于缓解油气资源紧张的现状具有重大意义。自上世纪60年代起，以美国、日本、德国、中国、韩国、印度为代表的一些国家都制订了天然气水合物勘探开发研究计划。迄今，人们已在近海海域与冻土区发现水合物矿点超过230处，涌现出一大批天然气水合物热点研究区。开采水合物也成为各国研究的重点和热点，未来对天然气水合物的开发和利用成为必然的趋势。

目前天然气水合物开采成直井所使用的方法大多类似于石油钻井工程，井身结构复杂，往往需要多次缩小钻孔尺寸，从而需要多种配套尺寸的钻杆、钻头、套管等工具，投入较大，对于埋深较浅的浅层水合物开采稍显浪费，常规的海洋钻井中，通常需要经历钻井、固井、完井过程，且井身结构复杂，吸力锚技术在1958年首先应用于英国，适用于邮轮系泊的全方位锚固能力的要求。我国对负压原理的研究始于20世纪70年代，其实践应用经历了复杂的过程。实际工程中采用最多的吸力锚采用一种上端封闭、下端开口的钢质桶形结构。锚桶侧壁材料为钢材，顶部一般为钢材或者钢筋混凝土材料，留有抽水孔以连接抽水管路。吸力锚首先在自重下沉入海底一定深度，在桶内形成密闭空间，通过泵吸锚桶内的水与桶外形成负压差，将锚体压入土中。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对洋底浅层水合物开采，利用吸力锚技术，提供一种结构简单、操作简便、可靠性好，在结构相对较为松散的水合物上覆地层中实现快速、高效、经济形成直井的装置与方法。

本实用新型的实施例提供了一种利用吸力锚连续下套管的海底浅层快速成直井装置。

本实用新型的实施例提供一种利用吸力锚连续下套管的海底浅层快速成直井装置，包括导向锚，锚盖和多个套管，

所述导向锚包括筒体、第一钻杆连接架和第一抽吸水管，所述筒体上端设端盖口，下端开口，所述端盖口设有螺纹连接的圆形端盖，所述端盖上部连接所述第一钻杆连接架，所述第一抽吸水管下端贯穿所述端盖，所述第一钻杆连接架用于连接钻杆，所述钻杆下放所述筒体沉入海床，所述第一抽吸水管用于抽吸所述筒体内的泥砂和水；

所述锚盖包括圆形锚盖本体、第二钻杆连接架和第二抽吸水管，所述锚盖本体圆周设有环形收容槽，所述收容槽内沿着所述锚盖本体径向设置多个弹簧，每一所述弹簧内端连接所述锚盖本体，外端连接一卡榫，第二钻杆连接架下部连接所述锚盖本体，所述第二抽吸水管下端贯穿所述锚盖本体，所述第二钻杆连接架用于连接所述锚盖本体使该锚盖本体可在所述套管内移动，所述第二抽吸水管用于抽吸所述套管内的泥砂和水；

所述套管两端均设有螺纹，内壁设有棘齿，所述套管可沿着所述筒体内壁滑动，所述锚盖设置于所述套管内，且所述卡榫与所述棘齿配合使所述锚盖本体可沿着所述套管内壁向上运动，任意两所述套管可螺纹连接。

进一步地，所述锚盖本体包括均为圆形的上盖、中盖和下盖，所述上盖的直径和所述下盖的直径均大于所述中盖直径，所述中盖上部连接所述上盖，下部连接所述下盖，所述上盖和所述下盖之间所述中盖圆周外围形成所述收容槽，所述弹簧的内端连接所述中盖圆周，外端连接所述卡榫，所述卡榫受所述棘齿挤压使所述弹簧收缩，从而使所述锚盖本体可沿着所述套管内壁向上运动。

进一步地，所述上盖和所述下盖的圆周均设有密封圈。

进一步地，所述第二钻杆连接架下端贯穿所述上盖、所述中盖和所述下盖，并将三者固定连接为一体，所述第二抽吸水管包括相互连通的多个分支管。

进一步地，所述中盖圆周外均匀设有四个所述卡榫。

进一步地，所述筒体包括外筒和内筒，所述内筒比所述外筒长，所述外筒上部和所述内筒上部连接，所述内筒上端口为所述端盖口，所述端盖口与所述端盖螺纹连接。

进一步地，所述第一钻杆连接架下部设有四个成正交分布的抓手，所有抓手均固定连接所述端盖，所述钻杆旋转卸下所述端盖。

进一步地，所述内筒的外壁设有肋骨。

本实用新型的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本实用新型的利用吸力锚连续下套管的海底浅层快速成直井装置，导向锚沉入地层形成导向孔，套管利用内外压力差持续下沉，快速成直井，满足浅层水合物开采造直井需求，对于埋深较浅的水合物储层，其上覆地层结构较松散，利用负压原理进行套管贯入成井切实可行，利用吸力锚的负压原理，施工工艺简易方便，可缩短施工周期，避免了常规的海洋钻井中，通常需要经历钻井、固井、完井过程，且井身结构复杂，而针对浅层水合物开采的造直井过程，使用本实用新型可快速完成一井径均一的直井。

附图说明

图1是本实用新型利用吸力锚连续下套管的海底浅层快速成直井装置的导向锚1的示意图；

图2是本实用新型利用吸力锚连续下套管的海底浅层快速成直井装置的锚盖2的示意图；

图3是本实用新型利用吸力锚连续下套管的海底浅层快速成直井装置的套管3的示意图；

图4是导向锚1下放的示意图；

图5是导向锚1沉入海床4的示意图；

图6是导向锚1卸下端盖15的示意图；

图7是套管3和锚盖2连接的示意图；

图8是首节套管下沉的示意图；

图9是首节套管和后一节套管连接的示意图；

图10是锚盖2上提的示意图；

图11是锚盖2射流的示意图；

图12是成井的示意图。

图中：1-导向锚、11-外筒、12-内筒、13-第一钻杆连接架、14-第一抽吸水管、15-端盖、16-肋骨、17-抓手、2-锚盖、21-上盖、22-中盖、23-下盖、24-第二钻杆连接架、25-第二抽吸水管、26-弹簧、27-卡榫、28-密封圈、29-分支管、3-套管、31-棘齿、32-螺纹、4-海床。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地描述。

本实用新型的实施例提供了一种利用吸力锚连续下套管的海底浅层快速成直井装置，包括导向锚1，锚盖2和多个套管3。

请参考图1，所述导向锚1包括筒体、第一钻杆连接架13和第一抽吸水管14，所述筒体是一个底部敞开、顶端封闭的双层桶体，包括外筒11和内筒12，所述内筒12比所述外筒11长，所述外筒11上部和所述内筒12上部连接，所述内筒12上端口为端盖口，所述端盖口处设有与其螺纹连接的圆形端盖15，所述第一钻杆连接架13下部设有四个成正交分布的抓手17，所有抓手17均固定连接所述端盖15，所述第一钻杆连接架13上部可连接钻杆，所述钻杆旋转带动所述端盖15转动使其卸下，以及用于下放所述导向锚1，所述内筒12的外壁设有向外凸起的肋骨16，所述内筒12陷入土体内时所述肋骨16与土体的挤压作用，可以防止所述导向锚1发生转动。所述第一抽吸水14管下端贯穿所述端盖15接入所述内筒12内，所述第一抽吸水管14用于抽吸所述内筒12内的泥砂和水。

请参考图2，所述锚盖2包括圆形锚盖本体、第二钻杆连接架24和第二抽吸水管25，所述锚盖本体包括均为圆形的上盖21、中盖22和下盖23，所述上盖21的直径和所述下盖23的直径均大于所述中盖22直径，所述中盖22上部连接所述上盖21，下部连接所述下盖23，所述上盖21和所述下盖23之间所述中盖22圆周外围环形的收容槽，所述收容槽内沿着所述中盖22径向设置四个弹簧26，每一所述弹簧26的内端连接所述中盖22圆周，外端连接一卡榫27，四所述卡榫27环绕所述中盖22圆周外围均匀分布，所述卡榫27为锲形块，且锲形面朝上设置，所述卡榫27在受力时会朝向所述中盖22圆心运动，挤压所述弹簧26直至完全缩回所述收容槽内，所述上盖21和所述下盖23的圆周均设有密封圈28，所述密封圈28加强所述锚盖2与所述套管3的密封效果。

所述第二钻杆连接架24下端贯穿所述上盖21、所述中盖22和所述下盖23，并将三者固定连接为一体，所述第二钻杆连接架24上端可与所述钻杆连接，用于向所述内筒12内下放所述套管3，所述第二抽吸水管25包括相互连通的五个分支管29，其中一所述分支管29为中心分支管，其他四所述分支管29环绕所述中心分支管均匀分布，所述第二抽吸水管25用于抽吸所述套管3内的泥砂和水，以及向所述套管3内注水射流。

请参考图3，所述套管3为一中空的筒体，其两端均设有螺纹32，其中一段为内螺纹，另一端设有外螺纹，内壁设有棘齿31，所述棘齿31的截面为直角三角形，可与所述卡榫27的锲形面配合，所述套管3可沿着所述内筒12内壁滑动，所述套管3外径等于所述内筒12内径，所述卡榫27受所述棘齿31挤压使所述弹簧26收缩，从而使所述锚盖本体可沿着所述套管3内壁由下至上滑动，所述棘齿31阻挡所述锚盖本体向下运动，任意两所述套管3可螺纹连接。

本实用新型的实施例还提供了一种利用吸力锚连续下套管的海底浅层快速成直井方法，使用上述的利用吸力锚连续下套管的海底浅层快速成直井装置，且包括以下步骤：

s1请参考图4，将所述导向锚1与钻杆连接后下放至海底，所述内筒12下端贯入地层，所述内筒12内与海床4之间形成密闭空间；

s2请参考图5和图6将所述第一抽吸水管14连接泥浆泵，启动泥浆泵抽吸密所述内筒12内的泥砂和水，所述内筒12内部压力减小，所述内筒12内外压差使所述导向锚1下层，同时下放所述钻杆，直至所述内筒12完全沉入地层，关闭所述泥浆泵，旋转所述钻杆使所述端盖15和所述内筒12分离，并取下所述钻杆，此时所述导向锚1中部形成一导向孔，可在后续下沉所述套管3过程中稳定套管3的空间位置；

s3请参考图7和图8，选择一所述套管3作为首节套管，将所述锚盖2由所述首节套管3下端放入套管3中，所述锚盖2上端连接所述钻杆，上提所述锚盖2至所述首节套管3上端口，由于所述棘齿31和所述卡榫27的配合作用，下放所述首节套管3至所述导向锚1中，所述套管3外壁与所述内筒12内壁紧贴，所述锚盖2密封所述套管3；

s4将所述第二抽吸水管25连接所述泥浆泵，启动所述泥浆泵，抽吸出所述首节套管3内的泥砂和水，所述首节套管3内外形成压力差，同时由于水的渗流，使所述首节套管3底部接触的土体松动，底部土体有效应力减小，从而使所述首节套管3持续下沉，直至所述首节套管3上端将脱出所述导向锚1时，关闭所述泥浆泵，所述首节套管3停止下沉；

s5请参考图9和图10，选择一所述套管3作为后一节套管，将所述后一节套管3下放至所述导向锚1中，并使所述后一节所述套管3与所述首节套管3螺纹连接，上提所述钻杆，使锚盖2上移至所述后一节套管3上端口，所述锚盖2密封所述后一节套管3和所述首节套管3，重复步骤s4；

s6多次重复步骤s5，使多个所述套管3逐一不断沉入地层，并相互连接，成井。

请参考图11和图12，所述步骤s6还包括，当所述套管3沉入一定深度后，由于所述套管3内外壁与土体的摩擦加剧，使得贯入困难，关闭所述泥浆泵，向所述第二抽吸水管25内注水，所述第二抽吸水管25向所述后一节套管3内射流喷散土体，然后重新启动所述泥浆泵，抽出泥砂和水，减小来自于所述套管3内土体的摩擦力并增大负压差，以便于进一步贯入。当套管3贯至水合物储层时，关闭泥浆泵，通过钻杆提出锚盖，套管3留在地层中即形成井眼。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。