用于钻井隔水管的软悬挂装置及其操作方法
阅读说明：本技术 用于钻井隔水管的软悬挂装置及其操作方法 (Flexible suspension device for drilling riser and operation method thereof ) 是由 李中 王金龙 许亮斌 盛磊祥 刘健 李朝玮 李梦博 于 2021-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于钻井隔水管的软悬挂装置及其操作方法,该装置包括如下部件：液压减震系统,包括液压缸和装配于所述液压缸中的中空活塞杆,所述中空活塞杆将所述液压缸划分为有杆腔和无杆腔,所述中空活塞杆内设置有空腔；悬挂短节系统,包括悬挂短节、顶部悬挂机构和铰接接头,所述铰接接头装配于所述悬挂短节的下端,用于与隔水管连接,所述悬挂短节穿过所述中空活塞杆的空腔后,其上端通过所述顶部悬挂机构与所述中空活塞杆连接。该装置在悬挂短节的下端装配铰接接头,铰接接头由互为90度的两个销轴的万向节组成,可实现水平面360度的自由旋转,隔水管可绕其旋转,以达到释放隔水管所承受的弯矩载荷的目的。(The invention relates to a soft suspension device for a drilling riser and an operation method thereof, wherein the device comprises the following components: the hydraulic damping system comprises a hydraulic cylinder and a hollow piston rod assembled in the hydraulic cylinder, wherein the hydraulic cylinder is divided into a rod cavity and a rodless cavity by the hollow piston rod, and a cavity is arranged in the hollow piston rod; hang nipple joint system, including hanging nipple joint, top suspension mechanism and articulated joint, articulated joint assemble in hang the lower extreme of nipple joint for be connected with the marine riser, hang the nipple joint and pass behind the cavity of cavity piston rod, its upper end passes through top suspension mechanism with the cavity piston rod is connected. The device is at the lower extreme assembly articulated joint of hanging the nipple joint, and articulated joint comprises the universal joint of two round pin axles that are 90 degrees each other, can realize 360 degrees free rotations in horizontal plane, and the riser can be around its rotation to reach the purpose of the moment of flexure load that the release riser bore.)
技术领域
本发明涉及一种用于钻井隔水管的软悬挂装置及其操作方法，属于海洋石油工程和钻采技术领域。
背景技术
深水钻井作业中，钻井隔水管是连接海底井口与海面作业平台的重要通道，是深水油气勘探开发的重要设备。隔水管在遇到恶劣天气或工况(如台风、强内波流)时，钻井平台需要紧急撤离，保证人员及设备的安全。目前常用的常规避台方案是平台解脱并回收全部隔水管后航行至安全区域，待环境条件允许后，隔水管需要重新下放重新开始钻井作业。这种情况效率极低，会导致非作业时间增长从而增加钻井的成本。另外一种避台方案是悬挂避台。当遇到紧急台风天气时，平台回收部分隔水管，未回收的隔水管悬挂于平台卡盘上，与原位抗台或者隔水管随平台一起航行撤离至安全区域。这种方案可以延长钻井作业时间，比常规的回收全部隔水管具备一定的优势。该方案作为紧急状态下的备用方案(尤其在台风工况下)，存在一定的安全风险，悬挂隔水管可能与转喷器外壳发生碰撞，而且常规隔水管在恶劣环境下由于载荷过大自身易发生破坏。由于没有专门的加强措施，制约了悬挂隔水管对恶劣环境的适应能力。
发明内容
本发明提供一种用于钻井隔水管的软悬挂装置及其操作方法，该装置在悬挂短节的下端装配铰接接头，铰接接头由互为90度的两个销轴的万向节组成，可实现水平面360度的自由旋转，隔水管可绕其旋转，以达到释放隔水管所承受的弯矩载荷的目的。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种用于钻井隔水管的软悬挂装置，包括如下部件：
液压减震系统，包括液压缸和装配于所述液压缸中的中空活塞杆，所述中空活塞杆将所述液压缸划分为有杆腔和无杆腔，所述中空活塞杆内设置有空腔；
悬挂短节系统，包括悬挂短节、顶部悬挂机构和铰接接头，所述铰接接头装配于所述悬挂短节的下端，用于与隔水管连接，所述悬挂短节穿过所述中空活塞杆的空腔后，其上端通过所述顶部悬挂机构与所述中空活塞杆连接。
所述的软悬挂装置，优选地，所述悬挂短节的顶部和中部为等径管，所述悬挂短节的底部为锥形管状的应力短节结构，所述悬挂短节的底部设置有沿其周向延伸的卡槽。
所述的软悬挂装置，优选地，所述悬挂短节系统还包括对中机构，所述对中机构套设在所述卡槽中。
所述的软悬挂装置，优选地，所述对中机构为两瓣对称设置的半圆筒形结构，两瓣所述半圆筒形结构套设在所述卡槽中，并通过螺钉紧固连接。
所述的软悬挂装置，优选地，所述顶部悬挂机构由两半圆形卡环组成，两所述半圆形卡环套设在所述悬挂短节的上端，并通过螺钉紧固在所述中空活塞杆的顶端。
所述的软悬挂装置，优选地，所述铰接接头是由互为90度的两个销轴万向节组成，其可实现水平面360度的自由旋转。
所述的软悬挂装置，优选地，所述悬挂短节系统还包括防磨衬套，所述防磨衬套装配于所述液压缸的下端并套设在所述悬挂短节的下端，所述防磨衬套为筒形结构，其外壁面与钻台和转喷器外壳的内壁面相接触，其内壁面与所述对中机构的外壁面相接触。
所述的软悬挂装置，优选地，所述液压缸的外壁上设置有凸台，所述凸台卡接在钻台的卡盘上。
所述的软悬挂装置，优选地，所述液压减震系统还包括液压控制系统，所述液压控制系统与所述液压缸连接，用于控制所述液压缸的流量和压力。
基于上述软悬挂装置的操作方法，本发明还提供该装置的操作方法，包括如下步骤：
连接状态的所述隔水管与海底设备解脱，利用钻井平台的大钩起甩部分所述隔水管至预定悬挂长度，所述隔水管的上端坐落在钻台的卡盘上；
将离线组装好的所述软悬挂装置吊装至钻台面处，将所述铰接接头与所述隔水管的上端进行连接，下放所述软悬挂装置以及相连的所述隔水管，直到所述液压缸外壁上的所述凸台卡接在卡盘上，完成所述隔水管的悬挂。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明装置中悬挂短节的底部采用锥形管的应力短节结构形式，可以承担波浪海流产生的较大横向载荷。
2、本发明装置中悬挂短节的下端锥形管上设置卡槽，对照机构套设在卡槽中，对中机构用于对悬挂短节进行扶正，对中机构将悬挂短节所受的横向载荷通过防磨衬套传递到转喷器外壳，使得悬挂短节在中空液压缸的中空活塞杆内可以上下往复运动，而不将弯曲载荷传递给液压缸。
3、本发明装置中的防磨衬套用于保护转喷器外壳的密封面，防止其磨损，并与对中机构配合，将悬挂短节底端传递而来的横向载荷传递到转喷器外壳上，而且可以抑制悬挂短节在中空活塞杆内部的横向变形。
4、本发明装置在悬挂短节的下端装配铰接接头，铰接接头由互为90度的两个销轴的万向节组成，可实现水平面360度的自由旋转，隔水管可绕其旋转，以达到释放隔水管所承受的弯矩载荷的目的。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的中空活塞杆在完全伸出状态时的软悬挂装置的示意图；
图2为图1中的中空活塞杆在完全缩回状态时的软悬挂装置的示意图；
图3为图1中的顶部悬挂机构的示意图，其中a为主视图，b为俯视图；
图4为图1中的对中机构的俯视图；
图中各标记如下：
1-悬挂短节系统，1-1-悬挂短节，1-2-顶部悬挂机构，1-3对中机构，1-4防磨衬套，1-5-铰接接头；2-1-中空活塞杆，2-2-液压缸，2-3-液压控制系统；3-卡盘；4-钻台；5-转喷器外壳；6-隔水管。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都属于本发明保护的范围。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
如图1、2所示，本发明提供一种用于钻井隔水管的软悬挂装置，包括如下部件：液压减震系统，包括液压缸2-2以及装配于液压缸2-2中的中空活塞杆2-1，中空活塞杆2-1内设置为中空结构；悬挂短节系统1，包括悬挂短节1-1、顶部悬挂机构1-2和铰接接头1-5，铰接接头1-5装配于悬挂短节1-1的下端，用于与隔水管6连接，悬挂短节1-1穿过中空活塞杆2-1的空腔后，其上端通过顶部悬挂机构1-2与中空活塞杆2-1的上端面连接。本发明装置中的防磨衬套1-4用于保护转喷器外壳5的密封面，防止其磨损，并与对中机构1-3配合，将悬挂短节1-1底端传递而来的横向载荷传递到转喷器外壳5上，而且可以抑制悬挂短节1-1在中空活塞杆2-1内部的横向变形。
如图1、2所示，本发明提供一种用于钻井隔水管的软悬挂装置，包括：悬挂短节系统1和液压减震系统。悬挂短节系统1包括悬挂短节1-1、顶部悬挂机构1-2、对中机构1-3、防磨衬套1-4和铰接接头1-5。液压补偿系统2包括中空活塞杆2-1、液压缸2-2和液压控制系统2-3。悬挂短节1-1的底部采用锥形管的应力短节结构形式，可以承担波浪海流产生的较大横向载荷，锥形管的末端装配有铰接接头1-5；悬挂短节1-1的顶部和中部为等径管的设计形式，其顶部设置有顶部悬挂机构1-2，利用顶部悬挂机构1-2与中空活塞杆2-1的顶部连接，用于承受钻井隔水管6的高轴向载荷，并传递到液压减震系统的中空活塞杆2-1上；悬挂短节1-1底部的锥形管上设置有卡槽，两瓣式对中机构1-3通过螺栓固定在悬挂短节1-1的卡槽中。对中机构1-3用于对悬挂短节1-1进行扶正，对中机构1-3将悬挂短节1-1所受的横向载荷通过防磨衬套1-4传递到转喷器外壳5，使得悬挂短节1-1在中空液压缸2-2的中空活塞杆1-2内可以上下往复运动，而不将弯曲载荷传递给液压缸2-2。防磨衬套1-4套设在悬挂短节1-1的下端并装配于液压缸2-2的底部，且与钻台4和转喷器外壳5相接触，防磨衬套1-4主要用于保护转喷器外壳5的密封面，防止其磨损，并与对中机构1-3配合，将悬挂短节1-1底端传递而来的横向载荷传递到转喷器外壳5上，而且可以抑制悬挂短节1-1在中空活塞杆2-1内部的横向变形。铰接接头1-5是由互为90度的两个销轴的万向节组成，可实现水平面360度的自由旋转。铰接接头1-5的上端与悬挂短节1-1的下端相连，铰接接头1-5的下端与隔水管6相连。当隔水管6在海流或波浪作用下发生倾斜时，弯矩可在铰接接头1-5处释放(隔水管6可绕其旋转，释放隔水管6所承受的弯矩载荷)，确保悬挂系统的安全性。
如图1、2所示，液压减震系统的中空活塞杆2-1和液压缸2-2为中空结构，液压缸2-2为由两个同轴设置的内、外中空管组成，中空活塞杆2-1设置于内、外中空管所形成的环形空腔中且环形空腔的两端为封闭端，悬挂短节1-1位于中空活塞杆2-1的内空腔中，悬挂短节1-1可以穿过中空活塞杆2-1的内空腔后通过顶部悬挂机构1-2装配在中空活塞杆2-1的顶端。液压缸2-2的外侧壁上设置有凸台，凸台坐落在钻台4的卡盘3上，支撑起整套的软悬挂装置，承担软悬挂装置以及与之相连的隔水管串的高轴向载荷。液压控制系统2-3(具体详见申请号为：201911249377.X，发明名称为一种降低浮式钻井平台悬挂隔水管轴向动载荷的液压系统的专利申请文件)与液压缸2-2相连，用于控制有杆腔或无杆腔的流量和压力。该液压减震系统在隔水管6悬挂时，可通过控制器监测加速度并控制液压缸2-2在无杆腔或有杆腔的压力，进而减小隔水管6因升沉运动产生的动态载荷，达到减震的目的，提高了隔水管6在台风工况下的适应能力，保障隔水管6安全。液压控制系统2-3可以控制液压缸2-2的压力进而减小隔水管6因升沉运动产生的动态载荷，达到减震的目的，提高了悬挂隔水管6在台风工况下的适应能力，保障悬挂隔水管6的安全。
在上述实施例中，如图4所示，对中机构3包括两瓣对称设置的半圆筒形结构，两半圆筒形结构环套在悬挂短节1-1底部锥形管的卡槽中，并通过螺钉紧固连接，对中机构3用于对悬挂短节1-1进行扶正，使得悬挂短节1-1在中空液压缸2-2的中空活塞杆2-1内可以上下往复运动，而不将弯曲载荷传递给液压缸2-2。
在上述实施例中，如图3所示，顶部悬挂机构1-2由两个半圆形卡环组成，两个半圆形卡环衔接处通过螺钉紧固连接在一起，顶部悬挂机构1-2通过螺钉紧固在中空活塞杆2-1的顶端。
上述用于钻井隔水管的软悬挂装置在悬挂隔水管6时，按照以下步骤进行：
(1)连接状态的隔水管6与海底设备解脱，利用钻井平台大钩起甩上端隔水管6至预定悬挂长度，隔水管6的顶端坐落在钻台4的卡盘3上；
(2)将离线组装好的软悬挂装置吊装至钻台面处，将铰接接头5与隔水管6顶端进行连接，下放软悬挂装置以及相连的隔水管6，直到液压缸2-2的外侧凸台坐落在卡盘3上，完成隔水管6的悬挂。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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