对海定向钻系统及解卡方法与流程

1.本技术涉及海洋石油工程技术领域，具体涉及一种对海定向钻系统及解卡方法。


背景技术：

2.海上油气主要通过海底管道进行输送，海底管道的传统登陆方式为：对登陆段的海底管道进行预开挖、拖拉和回填保护。但是，这样会对管道登陆地点所在的海岸线的地貌造成较大的破坏，对环境产生较大的影响。
3.对海定向钻穿越技术是一种更为经济和可靠的海底管道登陆施工工艺，海底管道可以在钻杆的回拖下从地底某一位置钻出，具有保护海岸线地貌的作用。
4.但是在回拖海底管道过程中，由于海床表面地层多为沙层，很容易发生坍塌，因此定向钻的钻具很容易被坍塌的沙层地质掩埋，进而造成钻杆被沙土抱死，使得钻机的扭矩和拖拉力大幅增加。在水下环境中，常规的泥浆循环体系无法有效开展海床解卡工作，从而导致工程风险增大，甚至可能会造成海底管道回拖失败。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本技术提供了一种对海定向钻系统及解卡方法，能够及时检测到水下卡钻并及时解卡，保证了海底管道的顺利回拖。
6.本技术具体采用如下技术方案：
7.本技术的一方面是提供了一种对海定向钻系统，所述系统包括钻机装置和解卡装置；
8.所述钻机装置包括钻机本体、钻具组件和检测仪表，所述钻机本体与所述钻具组件连接，所述钻具组件与目标管道连接，所述检测仪表被配置为检测所述钻机本体的扭矩；
9.所述解卡装置被配置为在出现卡钻现象时与所述钻机本体连接，并向所述钻具组件内输送解卡介质，以使所述钻具组件内的压力大于外界压力，其中，当出现所述卡钻现象时所述钻机本体的扭矩大于设定阈值。
10.优选地，所述解卡装置包括空压机，所述解卡介质为压缩空气。
11.优选地，所述解卡装置还包括软管，所述软管的一端与所述空压机连接，另一端与所述钻机本体连接。
12.优选地，所述钻机装置还包括泥浆泵，所述泥浆泵被配置为在出现所述卡钻现象之前与所述钻机本体连接，从而拖拉所述目标管道。
13.优选地，所述钻具组件包括依次连接的多根钻杆、扩孔器和拖拉头，其中所述钻杆与所述钻机本体连接，所述拖拉头与所述目标管道连接。
14.本技术的另一方面是提供了一种解卡方法，所述方法包括：
15.在出现卡钻现象时，将钻机本体与解卡装置连接；
16.启动所述解卡装置，向钻具组件内输送解卡介质；
17.当检测到所述钻具组件被抱死的位置处出现所述解卡介质时，启动所述钻机本
体。
18.优选地，所述解卡装置为空压机，所述解卡介质为压缩空气，所述钻具组件包括依次连接的多根钻杆、扩孔器和拖拉头，所述钻杆与所述钻机本体连接，所述拖拉头与目标管道连接；
19.其中当所述扩孔器被沙土抱死时，出现所述卡钻现象。
20.优选地，所述在出现卡钻现象时，将钻机本体与解卡装置连接之前，所述方法还包括：
21.所述钻机本体在泥浆泵的驱动下拖拉所述目标管道，所述泥浆泵与所述钻机本体连接；
22.获取所述钻机本体的扭矩，当所述扭矩大于设定阈值时，确定出现所述卡钻现象；
23.停止运行所述泥浆泵和所述钻机本体，并断开所述泥浆泵与所述钻机本体的连接。
24.优选地，所述检测到所述钻具组件被抱死的位置处出现所述解卡介质，包括：
25.观察所述扩孔器所在的沙层；
26.当观察到有气泡从所述扩孔器所在的沙层中溢出时，确定所述钻具组件被抱死的位置处出现所述解卡介质。
27.优选地，所述方法还包括：
28.在当前钻杆的行程结束后，关闭所述解卡装置，打开泄压阀，所述当前钻杆为所述多根钻杆中与所述钻机本体直接相连的钻杆；
29.当检测到所述当前钻杆内的压力与大气压力一致后，关闭所述泄压阀，拆卸所述当前钻杆；
30.将所述钻机本体与目标钻杆连接，所述目标钻杆为所述多根钻杆中与所述当前钻杆直接相连的钻杆。
31.本技术实施例的有益效果至少在于：
32.本技术实施例公开的对海定向钻系统，除了能够拖拉位于海底的目标管道外，还具有解卡功能，当检测仪表检测到钻机本体的扭矩大于设定阈值时，可以确定钻具组件被沙土抱死，出现卡钻现象，此时可以将解卡装置与钻机本体连接，启动解卡装置向钻机本体内输送解卡介质，使得钻具组件内的压力大于外界压力，这样钻具组件内的压力就可以将抱死钻具组件的沙土冲开，使得钻具组件解卡，保证了海底管道的顺利回拖。
附图说明
33.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1是本技术实施例提供的一种对海定向钻系统的结构示意图；
35.图2是本技术实施例提供的一种解卡方法；
36.图3是本技术实施例提供的另一种解卡方法。
37.附图标记分别表示：
38.100、钻机装置；110、钻机本体、120、钻具组件；121、钻杆；122、扩孔器；123、万向节；124、拖拉头；
39.200、解卡装置；210、空压机；220、软管；
40.300、目标管道；
41.400、驳船；410、锚缆。
42.通过上述附图，已示出本技术明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本技术构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本技术的概念。
具体实施方式
43.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
44.如图1所示，本技术实施例提供了一种对海定向钻系统，该对海定向钻系统包括钻机装置100和解卡装置200。
45.其中，钻机装置100包括钻机本体110、钻具组件120和检测仪表，钻机本体110与钻具组件120连接，钻具组件120与目标管道300连接，检测仪表被配置为检测钻机本体110的扭矩。
46.解卡装置200被配置为在出现卡钻现象时与钻机本体110连接，并向钻具组件120内输送解卡介质，以使钻具组件120内的压力大于外界压力，其中，当出现卡钻现象时钻机本体110的扭矩大于设定阈值。
47.本技术实施例公开的对海定向钻系统，除了能够拖拉位于海底的目标管道300外，还具有解卡功能，当检测仪表检测到钻机本体110的扭矩大于设定阈值时，可以确定钻具组件120被沙土抱死，出现卡钻现象，此时可以将解卡装置200与钻机本体110连接，启动解卡装置200向钻机本体110内输送解卡介质，使得钻具组件120内的压力大于外界压力，这样钻具组件120内的压力就可以将抱死钻具组件120的沙土冲开，使得钻具组件120解卡，保证了海底管道的顺利回拖。
48.为便于描述，下面结合附图1，对本技术实施例提供的一种对海定向钻系统进行进一步的介绍和说明。
49.如图1所示，本技术实施例提供的对海定向钻系统应用于海底管道，可以将海底管道从当前位置移动至目标位置。在本技术实施例中，由于海面上难以直接布置对海定向钻系统，因此可以将驳船400作为对海定向钻系统的布置平台，示例性地，该对海定向钻系统可以装配在驳船400上，其中，为了保证驳船400的稳定性，如图1所示，还可以使用锚缆410对驳船400进行固定。
50.如图1所示，本技术实施例对海定向钻系统包括钻机装置100和解卡装置200，其中，钻机装置100包括钻机本体110和钻具组件120，钻机本体110和解卡装置200均位于驳船400上。
51.钻机本体110可以与钻具组件120连接，钻具组件120可以与位于海底的目标管道
300连接。在钻机本体110启动后，可以带动钻具组件120拖拉目标管道300，从而将目标管道300从当前位置移动至目标位置。
52.由于钻具组件120是在海床上拖拉目标管道300，所以在拖拉过程中会引起沙层的坍塌，而钻具组件120极易被坍塌的沙层埋住，造成钻杆121被沙土抱死，出现卡钻现象。出现卡钻现象会使得钻机本体110的扭矩大幅增加，进而需要耗费更大的拖拉力，导致施工风险，甚至可能会造成目标管道300回拖失败。
53.因此，为了能够更加及时地检测到卡钻现象，在本技术实施例中，钻机装置100还可以包括检测仪表，检测仪表被配置为检测钻机本体110的扭矩，当检测仪表上显示的扭矩大于设定阈值时，即可认为出现卡钻现象。通常来讲，在正常工作状态下钻机本体110的扭矩大约为20000牛
·
米，当发生卡钻现象时，钻机本体110的扭矩急速增加，可以达到60000～70000牛
·
米。
54.为了防止工作人员没能及时注意到检测仪表所显示的扭矩过大，而导致发生工程事故，在一些实施例中，钻机装置100还包括控制器和报警器，控制器可以与报警器和检测仪表电性连接。示例性地，控制器可以获取并分析检测仪表检测到的钻机本体110的扭矩，并对扭矩进行分析，当控制器分析出钻机本体110的扭矩大于设定阈值时，控制器可以向报警器发送报警信号，报警器在接收到报警信号后可以发出声/光报警信号，提醒工作人员钻机本体110的扭矩过大，可能发生卡钻现象。
55.解卡装置200通常在出现卡钻现象时与钻机本体110连接，并向钻具组件120内输送解卡介质。由于发生卡钻现象后，钻具组件120内通常为密闭环境，因此在向钻具组件120内输送解卡介质后，会使得钻具组件120内的压力大于外界压力，从而在压力的作用下，抱死钻具组件120的沙土会被解卡介质冲开而释放钻具组件120，使得钻具组件120解卡，从而保证了海底管道的顺利回拖。
56.在本技术的一些实现方式中，解卡装置200为液体泵，解卡介质为海水。
57.由于拖拉管道施工是在海洋环境下，因此直接使用液体泵泵送海水是最直接的方式。当钻具组件120内的水压大于外界压力时，海水会将抱死钻具组件120的沙土冲开，使得钻具组件120可以恢复旋转能力，继续拖拉目标管道300。
58.然而在一些情况下，虽然钻具组件120内的压力比较大，但是钻具组件120内的解卡用海水在向钻具组件120外冲击时，受到的外界阻力也比较大，导致解卡用海水的有效运动距离很短。经检测，该有效运动距离大概在10～20cm。这样当钻具组件120被沙土掩埋的很严重时，解卡用海水可能不足以完全冲开所有的沙土，无法有效解除钻具组件120的抱死状态，导致解卡失败。
59.为了克服上述问题，增加解卡介质的有效运动距离，提高解卡成功率，在本技术实施例的另一些实现方式中，解卡装置200可以包括空压机210，相应地，解卡介质为压缩空气。
60.空压机210可以将压缩空气泵送至钻具组件120中，使得钻具组件120内的气压大于外界压力。相比于泵送液体介质，由于压缩空气会在水中逐渐膨胀，并且空气的密度远远小于海水和沙土的密度，因此空气会在海水中自然上浮，从而增加了空气的有效运动距离，更加容易冲开沙土，大大提升了解卡成功率。
61.其中，如图1所示，在上述实施例中，当解卡装置200包括空压机210时，解卡装置
200还包括软管220，软管220的一端与空压机210连接，另一端与钻机本体110连接，压缩空气通过软管220输送至钻具组件120中。
62.在本技术实施例中，钻机装置100还包括泥浆泵，泥浆泵被配置为在出现卡钻现象之前与钻机本体110连接，从而拖拉目标管道300。
63.在正常的钻探过程中，由于钻头在钻探时会与沙层高速摩擦而具有较高的温度，并且钻具组件120会卷携大量泥沙，因此需要一方面需要对钻头降温冷却，另一方面还需要将泥沙排出。而泥浆泵由于可以向钻孔里输送泥浆或水等冲洗液，并且输送效率较高，因此在钻探时之初，出现卡钻现象之前通常是使用泥浆泵与钻机本体110连接，从而拖拉目标管道300。
64.如图1所示，在本技术实施例的一些实现方式中，钻具组件120包括依次连接的多根钻杆121、扩孔器122和拖拉头124。其中钻杆121与钻机本体110连接，拖拉头124与目标管道300连接。
65.当钻机本体110和目标管道300之间的距离较远时，可以通过增加钻杆121的数量来满足距离的需求，其中，多根钻杆121之间可以通过螺纹进行连接。
66.扩孔器122的直径大于钻杆121和目标管道300的直径，起到扩大孔径和修整孔壁的作用，在钻杆121的拖拉下，扩孔器122可以保障钻孔的孔径不会缩小，从而便于目标管道300在钻孔中移动。
67.在本技术的一些实施例中，钻具组件120还可以包括万向节123，万向节123的一端与拖拉头124连接，另一端与扩孔器122连接。钻机本体110在拖拉目标管道300时，为了减小拖拉阻力，钻杆121和扩孔器122通常是处于旋转状态。但是目标管道300无法旋转，因此在拖拉头124和扩孔器122之间设置万向节123，万向节123的两端可以以不同的转速转动，并且满足拖拉头124和扩孔器122的连接需求。
68.综上所述，本技术实施例提供的对还定向钻系统，在正常使用状态下可以通过泥浆泵驱动钻机本体110拖拉目标管道300，当检测仪表检测到钻机本体110的扭矩大于设定阈值时，可以确定钻具组件120被沙土抱死，出现卡钻现象，此时可以断开泥浆泵与钻机本体110的连接，将空压机210安装在钻机本体110上，并向钻机本体110内输送压缩空气，使得钻具组件120内的压力大于外界压力，由于压缩空气具有膨胀和上浮的特性，因此可以将抱死钻具组件120的沙土冲开，使得钻具组件120解卡，保证了海底管道的顺利回拖。
69.本技术实施例还提供了一种解卡方法，该解卡方法可以通过上述对海定向钻系统进行实施。如图2所示，本技术实施例提供的解卡方法包括以下步骤：
70.步骤201、在出现卡钻现象时，将钻机本体与解卡装置连接。
71.步骤202、启动解卡装置，向钻具组件内输送解卡介质。
72.步骤203、当检测到钻具组件被抱死的位置处出现解卡介质时，启动钻机本体。
73.本技术实施例提供的解卡方法，适用于钻具组件出现卡钻现象的情况，通过将解卡装置连接在钻机本体上，然后向钻具组件内输送解卡介质，使得钻具组件内的压力大于外界压力，这样原本掩埋在钻具组件上的沙土可以被高压下的解卡介质冲开，从而释放钻具组件，使得钻具组件可以解卡，恢复正常旋转，保证了海底管道的顺利回拖。
74.本技术实施例还提供了另一种解卡方法，该方法可以通过对海定向钻系统进行实施。在该对海定向钻系统中，钻机本体110安装在驳船400上，驳船400通过锚缆410固定在海
面上。泥浆泵与钻机本体110连接，用于提供驱动力。钻机本体110、多根钻杆121、扩孔器122、万向节123、拖拉头124依次连接，拖拉头124远离万向节123的一端与目标管道300连接。
75.如图3所示，该解卡方法可以包括步骤301～309。
76.步骤301、钻机本体在泥浆泵的驱动下拖拉目标管道。
77.在尚未出现卡钻现象的正常状态下，钻机本体110可以在泥浆泵的驱动下拖拉目标管道300，使得目标管道300朝向目标位置移动。其中，钻机本体110(驳船400)与目标管道300之间具有一定距离，因此二者之间通过多根钻杆121进行连接，随着回拖施工的进行，钻机本体110(驳船400)与目标管道300之间的距离逐渐缩小，连接二者的钻杆121的数量也有所减少。
78.示例性地，在拖拉目标管道300之前，钻机本体110和目标管道300之间可以通过15根钻杆121进行连接。接通电源，启动泥浆泵和钻机本体110，钻机本体110拖动钻杆121前行扩孔，同时拖动目标管道300前行，当一根钻杆121的行程结束后，关闭泥浆泵，打开泄压阀开始泄压，在钻杆121内压力与大气压力一致后，关闭泄压阀，将该钻杆121拆卸下来，此时钻机本体110和目标管道300之间通过14根钻杆121进行连接，以此类推，泥浆泵驱动钻机本体110将目标管道300拖拉至目标位置。
79.步骤302、获取钻机本体的扭矩，当扭矩大于设定阈值时，确定出现卡钻现象。
80.在钻机本体110带动钻杆121旋转的过程中，由于扩孔器122的直径最大，因此扩孔器122处最容易被沙土抱死。使用检测仪表检测钻机本体110的扭矩，当检测仪表检测到钻机本体110的扭矩大于设定阈值时，如果仍旧无法转动扩孔器122，那么可以确定扩孔器122已被沙土抱死，出现卡钻现象。
81.在本技术的一些实施例中，钻机装置100还可以包括控制器和报警器，控制器可以与报警器和检测仪表电性连接。控制器可以获取并分析检测仪表检测到的钻机本体110的扭矩，并对扭矩进行分析，当控制器分析出钻机本体110的扭矩大于设定阈值时，控制器可以向报警器发送报警信号，报警器在接收到报警信号后可以发出声/光报警信号，提醒工作人员钻机本体110的扭矩过大，可能发生卡钻现象，从而避免了工作人员没能及时注意到检测仪表所显示的扭矩过大，避免发生工程事故。
82.步骤303、停止运行泥浆泵和钻机本体，并断开泥浆泵与钻机本体的连接。
83.在泥浆泵的运行过程中出现卡钻现象，意味着泥浆泵所输送的泥浆等冲洗液不足以冲开扩孔器122上所有的沙土，无法有效解除扩孔器122的抱死状态。此时可以将泥浆泵从钻机本体110上拆卸下来，换用解卡能力更强的设备进行解卡。
84.步骤304、将钻机本体与解卡装置连接。
85.在本技术实施例中，解卡装置200可以为空压机210，相应地，解卡介质为压缩空气。空压机210可以将压缩空气泵送至钻具组件120中，使得钻具组件120内的气压大于外界压力。相比于泵送液体介质，由于压缩空气会在水中逐渐膨胀，并且空气的密度远远小于海水和沙土的密度，因此空气会在海水中自然上浮，从而增加了空气的有效运动距离，更加容易冲开沙土，大大提升了解卡成功率。
86.其中，空压机210和钻机本体110通过软管220进行连接，压缩空气通过软管220输送至钻杆121和扩孔器122中。
87.步骤305、启动解卡装置，向钻具组件内输送解卡介质。
88.启动空压机210，向钻杆121和扩孔器122中输送压缩空气。在发生卡钻现象后，钻具组件120内通常为密闭环境，因此在向钻具组件120内输送压缩空气后，会使得钻具组件120内的压力大于外界压力，从而在压力的作用下，抱死扩孔器122的沙土会被压缩空气冲开而释放扩孔器122，使得扩孔器122解卡，从而保证了海底管道的顺利回拖。
89.步骤306、当检测到钻具组件被抱死的位置处出现解卡介质时，启动钻机本体。
90.在本技术实施例的一些实现方式中，步骤306中的检测到钻具组件被抱死的位置处出现解卡介质，可以包括以下步骤：
91.步骤3061、观察扩孔器所在的沙层；
92.步骤3062、当观察到有气泡从扩孔器所在的沙层中溢出时，确定钻具组件被抱死的位置处出现解卡介质。
93.在扩孔器122解卡后，压缩空气会从扩孔器122的所在的位置溢出，因此可以观测沙层或者沙层上方的海面的情况，其中从沙层中溢出的气泡都会上浮至海面，因此观察海面的方式更为简单。当扩孔器122的位置所对应的海面出现气泡之后，则说明扩孔器122已经解卡，此时可以启动钻机本体110带动钻杆121和扩孔器122旋转，若扩孔器122可以完全旋转，那么钻机本体110就可以继续拖动钻杆121前行扩孔。
94.步骤307、在当前钻杆的行程结束后，关闭解卡装置，打开泄压阀。
95.其中，当前钻杆为多根钻杆121中与钻机本体110直接相连的钻杆121。在钻机本体110拖动钻杆121前行的过程中，每一根钻杆121的行程都是固定的，在当前钻杆的行程结束后，需要断开该根钻杆121与钻机本体110的连接，将其拆卸下来。
96.但是，由于钻杆121内被输入了大量压缩空气，使得钻杆121内的压力远大于外界压力，若直接拆卸当前钻杆，容易发生危险。因此在拆卸当前钻杆之前，需要先关闭空压机210，停止输送压缩空气，然后打开泄压阀进行泄压。
97.步骤308、当检测到当前钻杆内的压力与大气压力一致后，关闭泄压阀，拆卸当前钻杆。
98.在本技术实施例中，可以利用压力表检测钻杆121内的压力，当压力表检测到钻杆121内的压力与大气压力一致后，则泄压完成。此时可以关闭泄压阀，并将当前钻杆拆卸下来。
99.步骤309、将钻机本体与目标钻杆连接。
100.当前钻杆拆卸下来之后，钻机本体110可以与目标钻杆连接，从而继续拖动钻杆121和目标管道300前行。目标钻杆为多根钻杆121中与当前钻杆直接相连的钻杆121。例如从扩孔器122所在的一侧开始数，总共有15根钻杆121依次相连，其中第15根钻杆121与钻机本体110直接相连，那么第15根钻杆121即为当前钻杆。与第15根钻杆121直接相连的第14根钻杆121即为目标钻杆。在第15根钻杆121拆卸下来之后，第14根钻杆121与钻机本体110直接相连，则此时第14根钻杆121为当前钻杆，第13根钻杆121为目标钻杆。每拆卸下来一根钻杆121，意味着扩孔器122前行了一段距离，目标管道300也被钻机本体110拖动了一段距离。以此类推，直到扩孔完成，钻机本体110将目标管道300拖拉到目标位置。
101.综上所述，本技术实施例根据压缩空气自身的膨胀以及上浮特性，结合海洋水文条件而提供了一种解卡方法，通过获取钻机本体110的扭矩，可以及时检测到卡钻现象。然
后将空压机210与钻机本体110连接，并向钻具组件120内输送压缩空气，使得钻具组件120内的压力提升至大于外界压力，当扩孔器122所在的沙层有气泡溢出时，说明压缩空气已经从扩孔器122中溢出，并且有效解除了沙土对扩孔器122的抱死，因此可以启动钻机本体110旋转扩孔器122，并在扩孔器122完全旋转后继续拖动钻杆121向前行扩孔。可见，本技术实施例提供的解卡方法，有效解决了对海定向钻的钻具组件120在海床上作业时容易被沙土抱死而导致的卡钻现象，保证了目标管道300的顺利回拖。
102.本技术实施例提供的解卡方法，充分利用压缩气体和海床特点，操作工艺简单，安全可靠，无需增加额外设备和人员，施工成本低，而且能够快速有效地完成解卡工作。
103.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的本技术后，将容易想到本技术的其它实施方案。本技术旨在涵盖本技术的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本技术的一般性原理并包括本技术未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的。
104.应当理解的是，本技术并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本技术的范围仅由所附的权利要求来限制。