一種深水鉆井隔水管系統的懸掛裝置及懸掛方法與流程

本發明涉及一種懸掛裝置及懸掛方法，特別是涉及一種深水鉆井隔水管系統的懸掛裝置及懸掛方法。

背景技術：

深水鉆完井作業過程隔水管的安裝和緊急懸掛都是通過隔水管懸掛卡盤實現的，常規的懸掛卡盤通過機械楔塊和隔水管法蘭接頭的臺階面進行臨時懸掛，卡盤整體結構座放在鉆井轉盤面上，因此隔水管串和卡盤、鉆井平臺之間是一種剛性連接的關系，當海況比較惡劣時，尤其在臺風來臨時，鉆井船在波浪作用下會發生劇烈的升沉運動，由于剛性連接的關系，卡盤和隔水管串會隨著鉆井船的升沉運動而發生升沉運動，當懸掛的隔水管串較長時，隔水管頂部與鉆臺面上卡盤連接的位置會隨平臺一起實時升沉，但是在深水鉆井中，隔水管長度較長，隔水管底部由于距離平臺較遠，平臺的運動沒有及時傳遞到位，造成隔水管頂部和底部運動方向產生差異，因此會造成隔水管的軸向壓縮(即隔水管某處受到負拉力)，按照隔水管的作業規范(API RP16Q)，這種工況是不允許的，會嚴重影響懸掛隔水管的安全。為了應對這種情況，在惡劣海況下，是不允許進行鉆井隔水管的安裝作業的，如果作業期間預測到臺風將經過平臺位置，平臺需要回收所有的隔水管串，待臺風消散后，再重新下入隔水管。這種情況下會增加反復起下隔水管串的工作量，對整個鉆井作業的進度造成很大的影響，增加了鉆井的作業費用。如果臺風突然來襲，平臺為了緩解隔水管串可能的軸向壓縮，會考慮采用軟懸掛隔水管串的方式，即采用液壓張緊器進行懸掛，這種方式需要在危險的月池區域分別進行相關操作，包括連接張緊器，安裝隔水管伸縮節等，作業程序復雜耗時，且操作風險較高，緊急情況下可操作性較差。

技術實現要素：

針對上述問題，本發明的目的是提供一種操作簡單、緊急情況下可操作性強且能夠提高隔水管系統懸掛安全性的深水鉆井隔水管系統的懸掛裝置及懸掛方法。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：一種深水鉆井隔水管系統的懸掛裝置，其特征在于：它包括固定托盤、液壓缸、滑輪和活動托盤；所述固定托盤固定連接在鉆井臺面上，在所述固定托盤的中部開設有供隔水管串穿過的通孔；所述液壓缸為兩個以上且沿所述通孔邊緣均勻安裝在所述固定托盤上，所述液壓缸的活塞桿頂端轉動連接有滑輪；所述活動托盤的中部開設有供隔水管串穿過的通孔，所述活動托盤的外側與鋼絲繩的一端連接，所述鋼絲繩的另一端繞過所述滑輪后連接到所述固定托盤上。

所述固定托盤上設置兩個以上導引滑軌，所述導引滑軌穿過活動托盤。

所述導引滑軌的頂端設有限位塊。

本發明還提供了一種用于深水鉆井隔水管系統的懸掛裝置的懸掛方法，包括以下步驟：

1)在活動托盤上固定懸掛卡盤，懸掛卡盤內設有懸掛楔塊，隔水管串穿過鉆井臺面下放，隔水管串頂端的接頭法蘭連接懸掛卡盤內設的懸掛楔塊完成隔水管串的懸掛；

2)液壓缸上腔室泵入氮氣，下腔室泵入高壓油，形成壓差推動活塞桿上移，帶動活動托盤、懸掛卡盤和隔水管串上移脫離鉆井臺面；

3)監測鉆井平臺升降運動的加速度和液壓缸上腔室內氮氣的壓強變化，建立液壓缸內高壓油的計算模型，通過液壓泵調整的液壓缸下腔室高壓油的壓強，使活塞桿運動加速度與鉆井平臺運動加速度相反，隔水管串隨鉆井平臺的運動與活塞桿帶動隔水管的運動相抵消，減少隔水管串出現軸向壓縮。

在所述步驟2)中，泵入氮氣的壓力為3000psi。

在所述步驟3)中，所述鉆井平臺升降運動的加速度通過實時監測平臺測得或監測平臺升沉運動時間歷程數據求時間導數獲得。

在所述步驟3)中，所述液壓缸內高壓油的計算模型建立方法如下：

①當鉆井平臺向上運動加速度，則活塞桿向下運動，將活動托盤、懸掛卡盤和隔水管串作為整體，根據牛頓第二定律得出：

Mg-nTcosα＝Ma_t (1)

式中M為活動托盤、懸掛卡盤和隔水管串的總質量，T為鋼絲繩的拉力，n為液壓缸的個數，α為鋼絲繩與豎直方向的夾角，g為重力加速度，a_t為鉆井平臺實時運動加速度值；

針對活塞桿進行受力分析，其受力平衡方程為：

P_油S₁＝P_氣(S₁-S₂)+2nTcosα (2)

式中P_油為液壓缸下腔室高壓油的壓強，P_氣為液壓缸上腔室氮氣的壓強，S₁為液壓缸內活塞的橫截面積，S₂為液壓缸內活塞桿的橫截面積；

結合(1)(2)式得出高壓油的計算模型為：

②當鉆井平臺向下運動加速度，則活塞桿向上運動，將活動托盤、懸掛卡盤和隔水管串作為整體，根據牛頓第二定律可得：

nTcosα-Mg＝Ma_t (4)

式中M為活動托盤、懸掛卡盤和隔水管串的總質量，T為鋼絲繩的拉力，n為液壓缸的個數，α為鋼絲繩與豎直方向的夾角，g為重力加速度，a_t為鉆井平臺實時運動加速度值；

針對活塞桿進行受力分析，其受力平衡方程為：

P_油S₁＝P_氣(S₁-S₂)+2nTcosα (5)

式中P_油為液壓缸下腔室高壓油的壓強，P_氣為液壓缸上腔室氮氣的壓強，S₁為液壓缸內活塞的橫截面積，S₂為液壓缸內活塞桿的橫截面積；

結合(4)(5)式得出高壓油的計算模型為：

③考慮鉆井平臺加速度的方向，取向下為正，向上為負，高壓油的計算模型為：

式中M為活動托盤、懸掛卡盤和隔水管串的總質量，T為鋼絲繩的拉力，n為液壓缸的個數，α為鋼絲繩與豎直方向的夾角，g為重力加速度，a_t為鉆井平臺實時運動加速度，P_油為液壓缸下腔室高壓油的壓強，P_氣為液壓缸上腔室氮氣的壓強，S₁為液壓缸內活塞的橫截面積，S₂為液壓缸內活塞桿的橫截面積。

本發明由于采取以上技術方案，其具有以下優點：1、本發明通過活動托盤連接鋼絲繩，鋼絲繩繞過液壓缸的活塞桿上的滑輪連接固定托盤，再通過液壓泵調整液壓缸內高壓油的壓強，使活塞桿的運動與鉆井平臺的運動相反，能夠減少因鉆井平臺的上下運動引起隔水管串的軸向壓縮，提高隔水管串的懸掛安全性。2、本發明通過建立高壓油的計算模型，能夠準確計算調整高壓油的壓強，適時改變活塞桿的運動來減少隔水管串的軸向壓縮，操作簡單，緊急情況下的可操作性強。3、本發明根據懸掛裝置的懸掛載荷變化，沿固定托盤的通孔邊緣均勻安裝兩個以上液壓缸，能夠提高整個懸掛裝置的載荷能力。4、本發明的固定托盤上設置兩個以上導引滑軌，導引滑軌頂部設有限位塊，活動托盤穿過導引滑軌運動，能夠減少活動托盤的水平晃動，減少隔水管串頂部和底部的運動方向差異。

附圖說明

圖1是本發明的整體結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。

如圖1所示，本發明提出一種深水鉆井隔水管系統的懸掛裝置，它包括固定托盤1、液壓缸2、滑輪3和活動托盤4。固定托盤1固定連接在鉆井臺面12上，在固定托盤1的中部開設有供隔水管串10穿過的通孔。液壓缸2為兩個以上且沿通孔邊緣均勻安裝在固定托盤1上，液壓缸2的活塞桿頂端轉動連接有滑輪3。活動托盤4的中部開設有供隔水管串10穿過的通孔，其外側與鋼絲繩5的一端連接，鋼絲繩5的另一端繞過滑輪3后連接到固定托盤1上。

進一步地，固定托盤1上設置兩個以上導引滑軌6，導引滑軌6頂端設有限位塊7，導引滑軌6穿過活動托盤4，對活動托盤4的上下運動起到導向限位作用，減少活動托盤4的水平晃動，減少隔水管串10頂部和底部的運動方向差異。

基于上述懸掛裝置，本發明還提供了一種深水鉆井隔水管系統懸掛裝置的懸掛方法，包括以下步驟：

1)在活動托盤4上固定懸掛卡盤8，懸掛卡盤8內設有懸掛楔塊，隔水管串10穿過鉆井臺面12下放，隔水管串10頂端的接頭法蘭連接懸掛卡盤8內設的懸掛楔塊完成隔水管串10的懸掛。

2)液壓缸2上腔室泵入氮氣，下腔室泵入高壓油，形成壓差推動活塞桿上移，帶動活動托盤4、懸掛卡盤8和隔水管串10上移脫離鉆井臺面。

3)監測鉆井平臺升降運動的加速度和液壓缸2上腔室內氮氣的壓強變化，建立液壓缸2內高壓油的計算模型，通過液壓泵(圖中未示出)調整的液壓缸2下腔室高壓油的壓強，使活塞桿運動加速度與鉆井平臺運動加速度相反，隔水管串10隨鉆井平臺的運動與活塞桿帶動隔水管的運動相抵消，減少隔水管串10出現軸向壓縮，提高隔水管串10的懸掛安全性。

上述實施例中，步驟2)泵入的氮氣的的壓力為3000psi。

上述實施例中，步驟3)中鉆井平臺升降運動的加速度可通過實時監測平臺測得或監測平臺升沉運動時間歷程數據求時間導數獲得。

上述實施例中，步驟3)中液壓缸2內高壓油的計算模型的建立方法如下：

①當鉆井平臺向上運動加速度，則活塞桿向下運動，將活動托盤4、懸掛卡盤8和隔水管串10作為整體，根據牛頓第二定律可得：

Mg-nTcosα＝Ma_t (1)

式中M為活動托盤4、懸掛卡盤8和隔水管串10的總質量，T為鋼絲繩5的拉力，n為液壓缸的個數，α為鋼絲繩5與豎直方向的夾角，g為重力加速度，a_t為鉆井平臺實時運動加速度值。

針對活塞桿進行受力分析，其受力平衡方程為：

P_油S₁＝P_氣(S₁-S₂)+2nTcosα (2)

式中P_油為液壓缸2下腔室高壓油的壓強，P_氣為液壓缸2上腔室氮氣的壓強，S₁為液壓缸2內活塞的橫截面積，S₂為液壓缸2內活塞桿的橫截面積。

結合(1)(2)式可得高壓油的計算模型為：

②當鉆井平臺向下運動加速度，則活塞桿向上運動，將活動托盤4、懸掛卡盤8和隔水管串10作為整體，根據牛頓第二定律可得：

nTcosα-Mg＝Ma_t (4)

式中M為活動托盤4、懸掛卡盤8和隔水管串10的總質量，T為鋼絲繩5的拉力，n為液壓缸的個數，α為鋼絲繩5與豎直方向的夾角，g為重力加速度，a_t為鉆井平臺實時運動加速度值。

針對活塞桿進行受力分析，其受力平衡方程為：

P_油S₁＝P_氣(S₁-S₂)+2nTcosα (5)

式中P_油為液壓缸2下腔室高壓油的壓強，P_氣為液壓缸2上腔室氮氣的壓強，S₁為液壓缸2內活塞的橫截面積，S₂為液壓缸2內活塞桿的橫截面積。

結合(4)(5)式可得高壓油的計算模型為：

③如果考慮平臺加速度的方向，向下為正，向上為負，高壓油的計算模型為：

式中M為活動托盤4、懸掛卡盤8和隔水管串10的總質量，T為鋼絲繩5的拉力，n為液壓缸的個數，α為鋼絲繩5與豎直方向的夾角，g為重力加速度，a_t為鉆井平臺實時運動加速度，取向下為正，向上為負，P_油為液壓缸2下腔室高壓油的壓強，P_氣為液壓缸2上腔室氮氣的壓強，S₁為液壓缸2內活塞的橫截面積，S₂為液壓缸2內活塞桿的橫截面積。

本發明僅以上述實施例進行說明，各部件的結構、設置位置及其連接都是可以有所變化的。在本發明技術方案的基礎上，凡根據本發明原理對個別部件進行的改進或等同變換，均不應排除在本發明的保護范圍之外。