[發明專利]深水隔水管浮力塊閉環控制系統

無效

• 申請號: 200910058635.6
• 申請日: 2009-03-17
• 公開（公告）號: CN101509379A
• 公開（公告）日: 2009-08-19
• 發明（設計）人: 石曉兵;黃兵;劉運榮;章浩炯;王虎
• 申請（專利權）人: 西南石油大學
• 主分類號: E21C50/00
• 分類號: E21C50/00;E21B44/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明是關于深水隔水管工作狀態控制的閉環系統，具體地說，是關于深水隔水管浮力塊閉環控制系統，屬于海洋深水鉆井工程的專用控制系統。

背景技術

隨著我國海洋石油事業的發展，勘探開發領域的不斷擴大，鉆井作業勢必向深海(水)進軍。由于鉆井環境條件的改變，深水對鉆井作業的影響首當其沖的是明顯加長的隔水管的穩定問題，隨著水深的增加，隔水管柱的受力狀態更加惡劣和復雜，有不少浮動鉆井船或平臺由于隔水管系統不能適應和承受巨大的綜合性外力而使鉆井工作中斷，甚至無法恢復繼續鉆進，造成鉆井失敗，給海洋鉆井工作造成巨大的損失。北海僅一年之內，直接因隔水管系統而造成的損失就多達110臺天；而我國海域的石油勘探鉆井工作，由于隔水管系統的事故而造成停工也多次發生，隔水管隨水深增加而增長，隔水管系統受力狀況更復雜，其強度、穩定性能否適應深水鉆井要求就成了深水鉆井最主要考慮的問題。

分析深水與普通水深鉆井作業時隔水管的差別，認為主要表現在深水鉆井時：隔水管增長，海流、涌浪對其影響加大；隔水管自身重量增加，普通隔水管強度難以滿足實際施工的要求，尤其是深水鉆井作業時提升隔水管的頂部張力器能力問題，與鉆井工程密切的關鍵技術問題之一是隔水管的安全問題，解決隔水管的穩定、安全問題，顯得尤為重要，也即是目前深水鉆井急需解決的關鍵技術之一。

目前，國際上采用了多種材料制造隔水管(SPE/IADC?92559)，但主要是鋼制隔水管(X80)(SPE?120077、SPE?109641)。對于深水用鋼制隔水管則需添加浮力塊，提供浮力，減小張力器拉力。文獻API?RP?16Q、IADC/SPE?103338公開了現行使用的兩種浮力塊：空心微球泡沫塑料(syntactic?foam)和空氣罐(aircan/chamber)，其形狀均為圓形，不足之處在于兩種浮力塊長期處于高靜水壓力作用下會因水滲入而失去浮力效率；過大的波浪載荷導致隔水管變形大、頂部張力器受載不均、底部球接頭角度超過正常工作限度；過大的渦流誘導振動增加隔水管的疲勞破壞累積。文獻SPE?96290、IADC/SPE?112648、SPE?74534、IADC/SPE?39295等多篇文章和現場數據證實：快速的渦流誘導振動疲勞損傷累積導致隔水管過早失效；高的拖曳力，大的偏移和過大的隔水管球接頭角度造成鉆井操作停工。深水環境下，除了隔水管重量引起的頂部伸長增加外，還必須考慮鉆井液密度造成的內外壓差。作為減輕隔水管上部伸長的浮力塊常采用的合成泡沫，其強度、浮力效率隨水深的增加而下降；另一方面傳統浮力塊很難同時做到減小波浪載荷、減小渦流誘導振動以及提供可變浮力。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術存在的缺點，提供一套深水隔水管浮力塊閉環控制系統，減少深水鉆井作業條件下的海洋環境載荷對隔水管的破壞作用、減少渦流誘導振動效應，本發明可根據實際的海洋深水環境載荷情況，通過浮力塊閉環控制系統提供可變浮力，改善隔水管頂部張力器的受力狀況，以適應海洋深水鉆井復雜環境載荷，提高隔水管抵抗彎曲變形的力學性能，并提高深水隔水管的抗疲勞破壞能力，減少極限工況條件下的應急解脫次數，增強深水鉆井作業系統的安全性，提高作業效率，該閉環控制系統采用專業的自動化軟件控制系統，具有操作方便，注重時效和安全等特點，但可控式導向浮力塊的結構較為復雜。

本發明的技術方案是，本發明深水隔水管浮力塊閉環控制系統包括：一個流速計，置于海面以下隔水管伸縮接頭下部，測定海面流速；至少三個張力計量器，置于張力器上，測定頂部張力；一組可控式導向浮力塊，置于隔水管底部球接頭上部，隔水管從其中部穿過；兩個球接頭角度測量儀，置于底部球接頭和頂部球接頭處；數據接收器與上述四套設備相連；數據庫與中央處理電腦一、水力學模型計算軟件、中央處理電腦二、控制系統軟件相交互；控制系統軟件與可控式導向浮力塊和空氣壓縮機相連。本發明的關鍵部件是一種可控式導向浮力塊，該浮力塊由一個安裝在浮力塊頂部的導向環，其內安裝偏轉彈簧；一個與空氣壓縮機連接的進氣閥；一個排氣閥和4-6個伸縮支撐環組成；其伸縮支撐環由伸縮鏈和伸縮臂組成，伸縮臂內安裝伸縮彈簧，其外形呈類橢圓，雙側面流線型構造，浮力塊膨脹后，長短軸之比恒定，伸縮支撐環曲率恒定，最大膨脹體積為原始體積的1.5倍。