一种天然气水合物海底原位开采钻井装备

本发明涉及天然气水合物开采设备，具体涉及一种天然气水合物海底原位开采钻井装备。

背景技术：

1、迄今为止，国际上还没有成熟的海底天然气水合物原位开采技术及装备。德国宝峨、英国bgs、美国williamson&associates等少数公司开展了海底钻探取样装置的研发，我国仅湖南科技大学开展过海底钻探取样装置的研发。国际上将海底钻探取样装置分类我第一代海底钻机、第二代海底钻机、第三代海底钻机和第四代海底钻机，其中，

2、(1)20世纪50年代以后，以浅海(水深500m以内)、浅钻(钻深10m以内)、功能单一、智能化低为主要特点的海底钻机，归属为第一代海底钻机；

3、(2)20世纪90年代之后，随着钻探、机电、测控、通讯、传感器等技术的发展和融合，使得海底钻机在适水深度、钻探深度、智能化等方面均发生了质的飞跃，适水深度达到6000m；钻探深度扩展至50m；供能方面电池型、电驱型和电液组合型成为世界大多数海底钻机的优选方案；通讯方面采用了通讯总线(连接计算机信息系统之间，或者计算机与其他系统之间的信息传输线)、光纤及声学等通讯方式；增加了可视化、姿态仪、推进器、调平支腿等监视和控制装置等等，由此产生了以深海、浅钻、智能化为主要特点的第二代海底钻机；

4、(3)2007年前后至今，为了提高海底钻探取芯的深度、效率和质量，发达国家纷纷对海底钻机进行了绳索取芯技术的升级改造。由于不需提钻的绳索取芯仅用绳索打捞器循环式的打捞底部的岩芯样品即可，因此作业时不需要套管护壁，样品的取芯质量提高，工作时间明显减少，工作效率显著提高；绳索取芯技术的应用，使得井下的有缆式原位测试成为可能，利用绳索打捞器下放自容式原位测试仪至孔底开展测试是一种常用的做法，而更加先进的则是直接使用独立的小型水下绞车与承载电缆下放和回收原位测试仪，前者为存储转发的方式，而后者则能做到实时的显示和记录；除此以外，为了获得更多的钻探地层信息，简单的随钻式测井仪器、井口的测试分析仪器以及样品的保压处理也获得应用。这一时期的技术升级改造形成了以中深钻、绳索取芯、多功能测试和智能化操控为主要特点的第三代海底钻机。第三代海底钻机工作水深虽与第二代海底钻机相当，但钻深已经达到了125m，并将在近年内突破200m。澳大利亚的prod，德国的mebo，美国的a-bms，acs和rovdrill，加拿大的crd100都是第三代海底钻机的突出代表；

5、(4)第四代海底钻机以高投入、大尺寸和重量、深层钻探为主要特点，钻探深度达600m，由于钻机的体型庞大，设计中充分采用了模块化设计思路，各个模块在陆地上均可由标准集装箱装载和运输，下放到海底后则完全由rov进行组装、更换和维护；为了能使钻进在海底完全自动运行，该钻机还定制了一套专门的自动运行软件和处理水下故障的专家系统，确保钻机在海底的工作效率和可靠运行。第四代海底钻机还处于设计阶段。

6、可见，目前这些海底钻探取样装置以海底取样为第一目标，并不能直接应用于海底天然气水合物开发中的建井过程，无法形成稳定井眼，且无法进行后续开发技术环节。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种天然气水合物海底原位开采钻井装备，以实现将钻井装备从海面平台转移到海底，大大加快钻井速度，降低开采成本。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案是：

3、一种天然气水合物海底原位开采钻井装备，包括钻井模块，所述钻井模块包括框架，在所述框架中安装有门型导轨和机械手，在所述框架的底部安装有下液压钳，在所述下液压钳的同轴上方设置有上液压钳，上液压钳和下液压钳之间的同轴区段为钻柱放置位；所述上液压钳安装在顶驱中，所述顶驱装配在所述门型导轨中，以在所述门型导轨的高度方向上下移动；在所述机械手的转动范围内设置有排管架，所述排管架用于储存放置钻柱，机械手用于抓取钻柱至上液压钳和下液压钳之间。。

4、进一步地，所述排管架为圆盘式排管架；所述机械手以旋转的方式在钻柱放置位和圆盘式排管架来回往复运动完成钻柱的传递和排放。

5、进一步地，当带钻头的钻柱被机械手传递至钻柱放置位时，上液压钳夹紧，下液压钳打开，顶驱下行，下液压钳夹紧，上液压钳打开，顶驱下行旋扣，下液压钳打开，完成首根钻柱的钻进。

6、进一步地，当完成首根钻柱的钻进后，下液压钳夹紧，顶驱退扣，顶驱上行，后续钻柱被机械手传递至钻柱放置位后，上液压钳夹紧，顶驱下行，顶驱下行，旋井口处连接扣，上液压钳打开，顶驱下行旋扣，下液压钳打开，完成连续钻柱的钻进。

7、进一步地，所述钻柱采用套管钻井，套管钻井井下钻柱组合采用直径小于套管内径钻头及可穿过套管内径且将井眼扩大至套管尺寸的扩眼器组成。

8、进一步地，所述门型导轨高度方向的两侧为齿条；所述顶驱包括升降马达和旋转马达；所述升降马达安装在所述齿条中，以实现上下移动；所述旋转马达和上液压钳相连接安装，以实现带动钻柱旋转。

9、进一步地，在所述框架的底部四边还安装有支腿，四个支腿均由独立的液压马达驱动向外伸展。

10、进一步地，所述机械手采用立柱式结构，包括立柱，所述立柱上设置上、下夹持钳，上、下夹持钳同时具有夹持和伸缩功能，能同步动作满足对钻柱的夹持；所述立柱能绕其自身中心轴线旋转和升降，满足在不同位置间来回传递钻柱；所述上、下夹持钳的夹持和伸缩以及立柱的升降均采用液压缸驱动；所述立柱的回转采用液压马达驱动。

11、进一步地，所述圆盘式排管架采用双层/多层排列，层与层之间钻柱贴合，当外层钻柱取出后内层的钻柱能自动移位至外层；排管架能绕其自身中心轴线旋转，采用液压马达驱动。

12、进一步地，所述的天然气水合物海底原位开采钻井装备还包括海底循环系统，所述海水循环系统用来循环海水，由海底泵、软管及接头组成。所述海底泵安装在海底钻完井装置本体的框架结构上，海底泵采用液压马达驱动，从海底循环至井口的岩屑通过软管输送至离井口若干距离的海床处。

13、本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

14、本发明通过采用顶驱+上液压钳+下液压钳用来完成钻柱接卸，机械手用来完成钻柱单根在井口中心与排管架之间传递，机械手布置在井口中心与排管架之间，井口处布置设备少，占用空间小，从而使得整个海底原位钻完井装置空间紧凑实现将钻井装备从海面平台转移到海底，大大加快钻井速度，降低开采成本。

技术特征：

1.一种天然气水合物海底原位开采钻井装备，其特征在于，包括钻井模块，所述钻井模块包括框架，在所述框架中安装有门型导轨和机械手，在所述框架的底部安装有下液压钳，在所述下液压钳的同轴上方设置有上液压钳，上液压钳和下液压钳之间的同轴区段为钻柱放置位；所述上液压钳安装在顶驱中，所述顶驱装配在所述门型导轨中，以在所述门型导轨的高度方向上下移动；在所述机械手的转动范围内设置有排管架，所述排管架用于储存放置钻柱，机械手用于抓取钻柱至上液压钳和下液压钳之间。

2.如权利要求1所述的天然气水合物海底原位开采钻井装备，其特征在于，所述排管架为圆盘式排管架；所述机械手以旋转的方式在钻柱放置位和圆盘式排管架来回往复运动完成钻柱的传递和排放。

3.如权利要求1或2所述的天然气水合物海底原位开采钻井装备，其特征在于，当带钻头的钻柱被机械手传递至钻柱放置位时，上液压钳夹紧，下液压钳打开，顶驱下行，下液压钳夹紧，上液压钳打开，顶驱下行旋扣，下液压钳打开，完成首根钻柱的钻进。

4.如权利要求3所述的天然气水合物海底原位开采钻井装备，其特征在于，当完成首根钻柱的钻进后，下液压钳夹紧，顶驱退扣，顶驱上行，后续钻柱被机械手传递至钻柱放置位后，上液压钳夹紧，顶驱下行，顶驱下行，旋井口处连接扣，上液压钳打开，顶驱下行旋扣，下液压钳打开，完成连续钻柱的钻进。

5.如权利要求1所述的天然气水合物海底原位开采钻井装备，其特征在于，所述钻柱采用套管钻井，套管钻井井下钻柱组合采用直径小于套管内径钻头及可穿过套管内径且将井眼扩大至套管尺寸的扩眼器组成。

6.如权利要求1所述的天然气水合物海底原位开采钻井装备，其特征在于，所述门型导轨高度方向的两侧为齿条；所述顶驱包括升降马达和旋转马达；所述升降马达安装在所述齿条中，以实现上下移动；所述旋转马达和上液压钳相连接安装，以实现带动钻柱旋转。

7.如权利要求1所述的天然气水合物海底原位开采钻井装备，其特征在于，在所述框架的底部四边还安装有支腿，四个支腿均由独立的液压马达驱动向外伸展。

8.如权利要求1所述的天然气水合物海底原位开采钻井装备，其特征在于，所述机械手采用立柱式结构，包括立柱，所述立柱上设置上、下夹持钳，上、下夹持钳同时具有夹持和伸缩功能，能同步动作满足对钻柱的夹持；所述立柱能绕其自身中心轴线旋转和升降，满足在不同位置间来回传递钻柱；所述上、下夹持钳的夹持和伸缩以及立柱的升降均采用液压缸驱动；所述立柱的回转采用液压马达驱动。

9.如权利要求1所述的天然气水合物海底原位开采钻井装备，其特征在于，所述圆盘式排管架采用双层/多层排列，当外层钻柱取出后内层的钻柱能自动移位至外层；排管架能绕其自身中心轴线旋转，采用液压马达驱动。

10.如权利要求1所述的天然气水合物海底原位开采钻井装备，其特征在于，还包括海底循环系统，所述海水循环系统用来循环海水，由海底泵、软管及接头组成；所述海底泵安装在海底钻完井装置本体的框架结构上，海底泵采用液压马达驱动，从海底循环至井口的岩屑通过软管输送至离井口若干距离的海床处。

技术总结本发明公开了一种天然气水合物海底原位开采钻井装备，包括钻井模块，所述钻井模块包括框架，在所述框架中安装有门型导轨和机械手，在所述框架的底部安装有下液压钳，在所述下液压钳的同轴上方设置有上液压钳，上液压钳和上液压钳之间的同轴区段为钻柱放置位；所述液压钳安装在顶驱中，所述顶驱装配在所述门型导中，以在所述门型导轨的高度方向上下移动；在所述机械手的转动范围内设置有排管架，所述排管架用于储存放置钻柱，机械手用于抓取钻柱至上液压钳和上液压钳之间。本发明实现将钻井装备从海面平台转移到海底，大大加快钻井速度，降低开采成本。技术研发人员：李小森,王屹,刘建武,陈朝阳,李刚,张郁受保护的技术使用者：中国科学院广州能源研究所技术研发日：技术公布日：2024/7/15