自由落体安装一个水下井口的装置和方法.pdf

本发明涉及一种装置和一种方法，用于将石油井口预安装在海底上。本发明的该装置包括两个主要部件：一个井口(1)和一个镇重管(9)。井口包括一个固定有导向翼(3)和结构翼(8)的管件。镇重管(9)包括一个管件，带有一个保持件(12)，用于在井口(1)已经固定在海底以后将其收回。镇重管(9)放置在井口(1)的内侧，组件向着海底发射，由组件的固有重量埋入到海底。在井口(1)已经被固定以后，镇重管(9)提升到水面。

1.  自由落体地安装一个水下井口(1)的装置，所述装置包括一个井口(1)，其被构造并设置成以在自由下落之后埋入到海底。

2.  根据权利要求1的装置，还包括：一个镇重件(9)，其能直接或者间接地可释放地安装到所述井口。

3.  根据权利要求2的装置，其特征在于井口(1)包括一个运载管(2)，并且所述镇重件(9)包括一个镇重管(10)，镇重管能安装在所述井口(1)的运载管(2)的内侧。

4.  根据权利要求2或3的装置，包括一个装置(15，16，17，18，25；14，16)，用于保持和收回镇重件(9)。

5.  根据权利要求4的装置，其特征在于用于保持和收回镇重件(9)的所述装置(15，16，17，18，25；14，16)可另外地操作以收回井口(1)。

6.  根据权利要求4或5的装置，其特征在于所述保持和收回装置(15，16，17，18，25；14，16)包括一个安装在镇重件(9)上的发射和收回线(16，18；16)。

7.  根据权利要求6的装置，其特征在于所述保持和收回装置还包括一个牺牲缆(15)，其两端与井口(1)相连，并且穿过一个与所述发射和收回线(16，18)相关的部件(25A)，使得在切断所述发射和牺牲缆(15)之前，所述井口(1)和所述镇重件(9)被支承并且是可收回的，并且在切断所述的牺牲缆(15)之后，只有所述的镇重件(9)可以被收回。

8.  根据权利要求6的装置，其特征在于所述保持和收回装置还包括一个固定装置(14)，用于可释放地将镇重件(9)固定到井口(1)上，使得在释放固定装置(14)之前，井口(1)和镇重件(9)被支承并且是可收回的，在释放固定装置(14)之后，只有所述的镇重件(9)是可收回的。

9.  根据权利要求8的装置，其特征在于所述固定装置包括一个固定销(14)，穿过所述井口(1)的运载管(2)和镇重件(9)的镇重管(10)。

10.  根据前面任一项的权利要求的装置，包括导向翼(3)，当其穿过大海进入海底时引导井口(1)。

11.  根据权利要求10的装置，当从属于权利要求3时，所述导向翼固定在所述运载管(2)的上部。

12.  根据权利要求11的装置，其特征在于一个上垂直板(6)设置在各导向翼的边缘的上部，一个下垂直板(5)设置在各导向翼的边缘的下部。

13.  根据前面任一项的权利要求的装置，包括结构翼(8)，用于增加井口(1)的轴向和横向承载能力。

14.  根据权利要求13的装置，当从属于权利要求3时，所述结构翼固定到所述运载管(2)的下部。

15.  根据权利要求2至14中任一项的装置，当从属于权利要求2时，其中所述镇重件(9)包括一定体积的高密度材料(19)，使得组装成的装置具有低重心。

16.  根据权利要求2至15中任一项的装置，当从属于权利要求2时，还包括一个大致是锥形的尖端(11)，安装到或者形成在镇重件(9)的下端。

17.  安装一个水下井口(1)的方法，其特征在于所述方法包括：使一个包括所述井口的组件向着海底发射，使得所述组件以其自身重下落，并且将其自身埋入到海底。

18.  根据权利要求17的方法，其特征在于所述组件在其发射之前下降到大海的一预定深度。

19.  根据权利要求17或18的方法，还包括：在发射以后，在组件下落时采用安装在所述组件上的导向翼为组件导向。

20.  根据权利要求17、18或19的方法，还包括：检查组件是否已经正确地埋入到海底，并且若未正确埋入到海底，则收回组件并且重复权利要求17、18或者19的步骤，直到得到所需的埋入程度。

21.  根据权利要求17到20中任一项的方法，其特征在于所述组件包括一个井口(1)和一个镇重件(9)。

22.  根据权利要求17到21中任一项的方法，还包括一旦所述组件被埋入到海底，则释放一个固定装置(15；14)，并且收回所述组件的镇重件(9)。

23.  根据权利要求20或22的方法，其特征在于执行所述收回步骤，是通过提升一个安装在镇重件(9)上的收回线(16)，并且在权利要求20的情况下，收回线还直接或者间接地固定到所述井口(1)。

24.  根据权利要求23的方法，当从属于权利要求22时，其特征在于释放固定装置包括：将把所述井口固连到所述收回线(16)上的一个牺牲缆(15)切断。

25.  根据权利要求23的方法，当从属于权利要求22时，其特征在于释放固定装置包括：取下一个将镇重件(9)连接到井口(1)上的固定销(14)，以便将收回线(16)拉起会升高镇重件(9)，但不升高井口(1)。

自由落体安装一个水下井口的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于将水下石油井口安装在海底中的装置和方法。
背景技术
随着在越来越深的水下发现产油田，用来安装生产装置的技术的使用已经越来越昂贵。因此，在石油和衍生物的勘探的所有的阶段，特别是在上面提到的情况下，执行特定任务所需的增加的时间造成整个产品成本的明显提高。
在钻一口油井的初始阶段，包括将井口结构安装到海底。此结构基本上包括一个埋在海底的管件，以便在钻井时有利于钻井以及安装设备和部件。
现有技术中公知的将井口固定在海底主要有两种方法。第一种采用打桩机，其被安装在要固定在海底的管件中。然后管件被埋到海底，随后安装其余的设备和部件。
第二种方法，主要在巴西用于井的勘探，包括采用实际的钻井设备安装井口。有两种用于此方法的工艺可以选择。其一，海底用水冲击(blasted)，并且同时将管件推入到所需的深度。其二，将海底钻成一规定的深度，然后将管件粘接到此被钻的部分内。
两种工艺都有缺点。冲击的方法除了非常艰苦，还时常破坏海底，降低管件的保持，并且甚至会引起下沉，随后带来设备的损失。钻与接合的方法有操作风险，并且成本高。
在安装井口的两种方法中，过多地浪费时间，使钻井工艺或者其他的专用工艺复杂化，例如现行的钻井。而且，需要将沉重的专用设备运送到海底，执行井口安装操作，以及将安装设备运回海面。这需要能量，并且需要时间。
还发现，在将井口固定在海底之前，井口的结构加强很困难。在一些情况下，在安装之前加强井口是根本不可行的。
因此设计一种安装井口的方法将是非常有利的，这种方法不花费时间和能量来将沉重的专用设备运送到海底，执行井口安装操作，以及将安装设备运回海面。而且，有利的是提供一种方法，其中井口能够在固定在海底之前进行结构加强，因为这样的加强是在海面进行，比在井口安装时进行更容易。因为在海底或者接近海底工作固有的困难，因此作为一般的需要，能够说任何允许在海底的活动保持最小的方法会节省时间和能量。
发明概述
本发明提出上面的问题，并且提供一种将井口安装在海底的装置，其能够自由落体地发射，使得井口在海面或者接近海面的势能由自由落体转换为动能，该动能用于将井口埋入到海底。因此能够不需要将沉重的专用设备运送到海底，并且运送回来，以及不需要为了安装井口而在海底进行困难的或者复杂的钻井和/或冲击操作。不用任何工作将井口运送到海底并且安装到海底，只是利用该装置在海面拥有的势能。
这样地进行井口安装，更快，并且不需要专用工艺，因为只需要使设备向着海底发射。
另外，本发明允许对井口进行结构加强，使得其埋入到海底时具有较大的承载能力。
本发明提供一种自由落体地安装水下井口的装置，所述装置包括一个井口，随着其自由落体而被埋入到海底。
另一方面，本发明提供安装水下井口的方法，所述方法包括：
使一个包括所述井口的组件向着海底发射(launch)，使得所述组件以其自身重下落，并且将其自身埋入到海底。
作为本发明主题的装置的实施例基本上包括两个主要部件：一个井口和一个镇重管。将被固定到海底的井口包括一个固定有导向翼和结构翼的管。这些导向翼能够与垂直板相连。大比重的镇重管，包括一个管，其顶部具有连接件，使得它在井口安装以后能够被收回。
镇重管放置于井口的内侧，整个组件自由落体地向着海底发射(launch)(下落(drop))，由于组件的固有重量而被埋入到海底。在此固定操作之后，将镇重管拉回海面，井口保持固定到海底。
附图说明
现在参照附图以举例的方式对本发明进行描述。
图1是本发明的自由落体地安装井口的装置的第一实施例的顶视图；
图2是第一实施例的装置沿着图1的A-A线的横剖图，某些部分省去以有助于说明；
图3是第一实施例的装置的两个主要部件之间的接触区域的细节；
图4是本发明地自由落体地安装水下井口的装置的第二实施例的顶视图；
图5是第二实施例的装置沿着图4的B-B线的横剖图，某些部分省去以有助于说明；和
图6是第二实施例的装置的两个主要部件之间的接触区域的细节。
本发明的详细描述
图1、2和3表示自由落体地安装一个水下井口的装置的第一实施例，其基本上包括两个部件-一个井口(1)和一个镇重(ballast)部分(9)-正如图3所示。井口(1)包括一个运载管(2)，这是固定到海底的主要元件，多个垂直延伸的导向翼(3)牢固地固定到运载管(2)的上部(4)，一个保持件(7)牢固地固定到运载管(2)的上部(4)，多个垂直延伸的结构翼(8)牢固地固定到运载管(2)的下部。
导向翼(3)在埋入到海底中时用于引导井口(1)的移动，并且在其固定之后，有利于在钻油井期间安装钻井所需要的设备和部件。
导向翼(3)的上部设置有上部垂直板(6)，导向翼(3)的下部设置有下部垂直板(5)。上垂直板(6)和上垂直板(5)用于加强导向翼(3)形成的结构，并且当由井口(1)和镇重管(9)形成的组件穿透海底平面时帮助制动。
固定在运载管(2)上部的保持件(7)用于将镇重件(9)支承在其上。固定在运载管(2)下部的结构翼(8)用于增加井口(1)的轴向和横向承载能力。结构翼向井口提供所需的强度，使其能够成功地穿透海底，而不被破坏或者弯曲。然而可以采取其他的加强装置。导向翼(3)和结构翼(8)可以沿着运载管(2)相互连接。
镇重件(9)包括一个管(10)，在井口(1)下面延伸，其长度设计成使得由井口(1)和镇重管(9)形成的组件的重心尽可能接近组件的下端，以便保证当组件向着海底发射(下落)时，镇重件(9)的下端是接触海底的第一部分。
一个连接件(12)和一个支承件(13)固定在管(10)的上部。连接件(12)用于在井口(1)已经固定以后抽出镇重件(9)，支承件(13)用于将镇重件(9)支承在井口(1)的保持件(7)上。
支承件(13)和保持件(7)优选是环形的，环(13)在使用时安放于环(7)上。如图3所示，环能够设置有互补的倾斜的端部，以辅助安放。
镇重管(10)可以充填有一定体积的高密度材料(19)，例如赤铁矿，以便得到将井口(1)和镇重件(9)形成的组件埋入到海底所需的重量。任何沉重的材料可用于此目的，赤铁矿已经发现是沉重且便宜的材料。
在此实施例中，一条牺牲缆(15)的两端与上垂直板(6)中的连接环(20)相连。一个板(17)优选是三角形的，其具有一个与第一连接元件(25A)相连的第一顶点(17A)，牺牲缆(15)从第一连接元件(25A)内侧穿过。板(17)的第二顶点(17B)作用于第二连接元件(25B)与发射和收回线(16)的一端相连。
以此方式，由井口(1)和镇重管(9)形成的整个组件可以由收回线(16)支承，因为镇重件(9)安放在井口(1)的顶部，井口(1)的自身由牺牲缆(15)、三角形板(17)和发射和收回线(16)支承。
板(17)的第三顶点(17C)由一个第三连接元件(25B)连接到连接线(18)的一端。连接线(18)另一端与连接件(12)相连。连接线(18)只在井口(1)已经固定在海底时使用。
图4、5和6表示自由落体地安装一个水下井口的装置的第二实施例。在此实施例中，基本上与第一实施例中的相同，为此同样的标号用来表示相同的元件，为了使得描述更简单，这些不再描述。
在第二实施例中，发射和收回线(16)直接与镇重件(9)的连接件(12)相连，并且由井口(1)和镇重管(9)形成的组件继而直接由发射和收回线(16)保持。
在此例中，镇重件(9)必须牢固地连接到运载管(2)，以防止当由井口(1)和镇重管(9)形成的组件悬挂在发射和收回线(16)上时运载管滑落。
为此，采用一个可取下的固定销(14)，将镇重管(9)固定到井口(1)的运载管(2)上。应当指出，可以采用一个以上的固定销(14)，或者其他固定装置，以实现此固定，只采用一个固定销(14)只是为了操作方便而选择的。
在此实施例中，一个锥形尖端(11)固定到镇重管(10)的底端，以加强井口(1)穿透海底的穿透力。此锥形尖端(11)还可以与上面描述的第一实施例结合。
现在描述采用自由落体地安装一个水下井口的装置的方法。此方法的优点是简单，因为其基于由井口(1)和镇重管(9)形成的组件自由落体发射的概念，采用组件初始的势能使组件向下加速，使得海底被足够的冲力冲击，造成其穿透。
由井口(1)和镇重管(9)形成的组件起始时借助于发射设备例如一个绞盘的帮助慢慢地发射。由发射和收回线(16)支承的组件因此下落到一预定的深度，此阶段的发射操作至此结束。
然后，组件被释放，使得它能够自由下落到海底。发射和收回线(16)保持与组件的连接，因此在此文中，“释放”表示没有或者有可能使组件在下落时减速的最小的张力出现在发射和收回线(16)中。在自由落体期间，导向翼(3)和镇重件(9)允许组件的重心在其下部，因此保证组件在下落期间保持其移动路线直到埋入到海底。
必须计算组件移动的总的自由落体高度，使得组件达到海底的速度足够快，使得其全部埋入到海底的所需的深度。在此计算中，组件的质量和形状以及海底的材料可以全部考虑。
当组件已经满意地埋入到海底中以后，在第一实施例中将牺牲缆(15)切断，或者在第二实施例中将销(14)取走，这些工作可以由潜水员或者一个遥控操作的运载工具进行。然后，镇重件(9)由发射和收回线(16)升起。
在第一实施例中的牺牲缆(15)切断之前，或者在第二实施例中将销(14)取走之前，必须检查并确定由井口(1)和镇重管(9)形成的组件是否已经正确地发射。如果发射未正确地执行，则整个组件可以提起并且进行新的发射，重新定位，为此采用同样的发射和收回线(16)。
除了可以改变发射的高度，还可以通过增加或者减少镇重材料而改变镇重件(9)的重量，从而调整由井口(1)和镇重管(9)形成的组件到达海底的速度。
在本申请的实施例中，装置的“发射”通过简单地下落而实现，即允许装置以其自身重量下落。但是，根据情况，这样的发射可以是动力的，例如给装置一个初始的“推力”。在浅水中这可能是有用的，在浅水中没有时间使装置达到理想的埋入速度。
这里的两个实施例只是采用本发明基本概念的一些可能性，通过采用固有的重量作为固定操作的能量源使得将水下井口安装在海底成为可能。
因此，这些实施例包括例如导向翼(3)的数目和形状、将井口(1)固定到镇重管(9)上的方法，或者使用或者不使用一个锥形尖端(11)等方面，不能认为是限定本发明，其只由权利要求的范围限定。