CN108979560B - 用于深水钻井水合物声波共振分解的隔水管短节 - Google Patents

Abstract

本发明为一种用于深水钻井水合物声波共振分解的隔水管短节，包括贯通的管状短节本体，管状短节本体的外壁面上固定设有多个声波换能器；管状短节本体外侧包覆有隔水绝缘层，所述多个声波换能器密封设置在管状短节本体与隔水绝缘层之间，隔水绝缘层上还设置有能与电源连接的通电接口，多个声波换能器与通电接口电连接。本发明用于深水钻井水合物声波共振分解的隔水管短节，通过连续通电，使隔水管内部产生与水合物简谐振动频率相近的声波使管内的水合物发生共振，可有效避免在管道内部形成水合物；在管道内部形成水合物后，隔水管短节的声波换能器通电，借助声波引起堵塞管道的水合物发生共振以打破其平衡状态，使其发生分解以实现解堵。

Description

用于深水钻井水合物声波共振分解的隔水管短节

技术领域

本发明是关于一种海洋深水钻井设备，尤其涉及一种用于深水钻井水合物声波共振分解的隔水管短节。

背景技术

随着海上油气资源的深入开发，油气勘探开发重点区域逐渐由陆地及近海浅水区转向了远海深水区域。一方面，海洋深水区域钻进时，由于泥线附近高压低温的环境条件极易引起管柱及设备中的流体形成水合物，从而堵塞管柱造成流体无法流通；另一方面，深水钻井区域由于水深较深，一但水下管柱内部形成水合物发生堵塞，很难对管柱内部进行解堵以恢复井内循环。当水下管柱及设备发生水合物堵塞时，将会极大的影响钻井作业时效并增加钻井作业成本。对于深水钻井来说，极易形成水合物堵塞的位置主要有两处：一处是靠近水下井口上端的隔水管，另一处是与水下井口下部配合的隔水管段，本段隔水管一部分在泥面以上，另一部分在泥面以下。

对于现场深水钻井，通常会通过向井内注入热流体、动力学或热力学抑制剂等方法来抑制水合物在钻井管柱及设备的内部通道中形成，但是目前的方法仅仅只能起到预防的作用，并不能完全阻止水合物在管柱及设备中形成，而且目前现场所用的动力学、热力学抑制剂的成本非常高，同时此类添加剂并非环保型产品，极易污染海洋环境，从而对海洋生态系统造成不可修复的损害。当水合物已经形成并堵塞循环通道之后，目前尚未有一种能够高效、经济、环保的解堵方法。因此研制一套经济、高效、环保的工具对于解决深水钻井泥线附近水合物堵塞难题是相当有必要的。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种用于深水钻井水合物声波共振分解的隔水管短节，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于深水钻井水合物声波共振分解的隔水管短节，当深水钻井循环通道内部形成水合物之后，可以通过隔水管短节实现解堵。

本发明的另一目的在于提供一种用于深水钻井水合物声波共振分解的隔水管短节，该隔水管短节可以防止水合物的形成。

本发明的目的是这样实现的，一种用于深水钻井水合物声波共振分解的隔水管短节，包括贯通的管状短节本体，管状短节本体的两端具有与隔水管连接的第一连接端和第二连接端，管状短节本体的外壁面上固定设有多个声波换能器；管状短节本体外侧包覆有隔水绝缘层，所述多个声波换能器密封设置在管状短节本体与隔水绝缘层之间，隔水绝缘层上还设置有能与电源连接的通电接口，多个声波换能器与通电接口电连接。

在本发明的一较佳实施方式中，所述声波换能器沿着管状短节本体长度方向间隔地设置多组，每组中声波换能器沿着管状短节本体周向均布有多个。

在本发明的一较佳实施方式中，所述电源为由水面钻井平台下放的外置电缆。

在本发明的一较佳实施方式中，所述电源为设置在管状短节本体外侧的供电系统。

在本发明的一较佳实施方式中，所述供电系统包括一旁通管道，旁通管道的一端与管状短节本体的一端内腔连通，旁通管道的另一端与管状短节本体的另一端内腔连通；旁通管道的一端和另一端分别设置一第一单向闸板阀，第一单向闸板阀的开启方向是使流体由旁通管道的另一端流向其一端方向，所述第一单向闸板阀设有第一开启压力；旁通管道中部设有一密封壳体，一水轮发电装置的叶轮设置在该密封壳体内；水轮发电装置连接一输电接口，该输电接口与所述通电接口能密封连接。

在本发明的一较佳实施方式中，旁通管道的一端并联有第一分支管路，第一分支管路与管状短节本体的一端内腔连通；旁通管道的另一端并联有第二分支管路，第二分支管路与管状短节本体的另一端内腔连通；所述第一分支管路和第二分支管路分别设置一第二单向闸板阀，第二单向闸板阀的开启方向是使流体由第一分支管路流向第二分支管路方向，所述第二单向闸板阀设有第二开启压力。

在本发明的一较佳实施方式中，密封壳体上对应叶轮周向的两侧分别设置第一管道和第二管道，第一管道的自由端为水流入口，并设有第一螺纹密封盖，第二管道的自由端为水流出口，并设有第二螺纹密封盖；第一螺纹密封盖和第二螺纹密封盖的外端面上分别固定设有一便于水下机器人旋转开合螺纹密封盖的方柱形操作杆。

在本发明的一较佳实施方式中，第一管道和第二管道分别为向自由端呈渐扩的锥形管道。

在本发明的一较佳实施方式中，所述隔水绝缘层为陶瓷绝缘层。

在本发明的一较佳实施方式中，所述第一连接端和第二连接端分别为螺纹连接端或卡接连接端。

由上所述，采用本发明用于深水钻井水合物声波共振分解的隔水管短节后，通过连续通电，使隔水管内部产生与水合物简谐振动频率相近的声波使管内的水合物发生共振，可以有效的避免(预防)在管道内部形成天然气水合物；在管道内部已经形成天然气水合物之后，该隔水管短节的供电系统会自动开始向声波换能器供电，或者也可以通过电缆对隔水管短节进行临时通电，借助声波引起堵塞管道的天然气水合物发生共振以打破其平衡状态，使其发生分解从而实现解堵。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。

其中：

图1：为本发明用于深水钻井水合物声波共振分解的隔水管短节的结构示意图一。

图2:为本发明用于深水钻井水合物声波共振分解的隔水管短节的结构示意图二。

附图标号：

100、用于深水钻井水合物声波共振分解的隔水管短节；

1、管状短节本体；

11、第一连接端；

12、第二连接端；

2、声波换能器；

3、隔水绝缘层；

4、通电接口；

41、导线；

5、供电系统；

51、旁通管道；

511、第一单向闸板阀；

52、密封壳体；

53、叶轮；

541、第一分支管路；

542、第二分支管路；

543、第二单向闸板阀；

551、第一管道；

552、第二管道；

553、第一螺纹密封盖；

554、第二螺纹密封盖；

555、方柱形操作杆；

56、稳压元件；

57、过滤装置；

58、输电接口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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，本领域普通技术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。

除非单独定义指出的方向以外，本文中涉及到的上、下等方向均是以本发明所示的图1中的上、下等方向为准，在此一并说明。

如图1、图2所示，本发明提出一种用于深水钻井水合物声波共振分解的隔水管短节100，包括贯通的管状短节本体1，管状短节本体1的两端具有与隔水管(图中未示出)连接的第一连接端11和第二连接端12，管状短节本体1的外壁面上固定设有多个声波换能器2；管状短节本体1外侧包覆有隔水绝缘层3，在本实施方式中，所述隔水绝缘层3为陶瓷绝缘层；所述多个声波换能器2密封设置在管状短节本体1与隔水绝缘层3之间，隔水绝缘层3上还设置有能与电源连接的通电接口4，多个声波换能器2通过导线41与通电接口4电连接。

本发明用于深水钻井水合物声波共振分解的隔水管短节，可以以一节或多节的方式连接在隔水管之间，也可以选择长度适合的隔水管短节，安装在容易形成水合物堵塞的位置，当循环通道内部形成水合物之后，可以通过本发明用于深水钻井水合物声波共振分解的隔水管短节的声波共振分解功能实现解堵，同时也可以防止水合物的形成。

本发明用于深水钻井水合物声波共振分解的隔水管短节通电之后，声波换能器产生特定频率范围的声波并通过短节本体传播至管体内部，当此声波的频率接近或达到管体内部水合物的简谐振动频率时，将会引起水合物分子的共振现象，从而加快水合物的分解。

采用上述的隔水管短节后，通过连续通电，使隔水管内部产生与水合物简谐振动频率相近的声波使管内的水合物发生共振，可以有效的避免(预防)在管道内部形成天然气水合物；在管道内部已经形成天然气水合物之后，该隔水管短节的供电系统会自动开始向声波换能器供电，或者也可以通过电缆对隔水管短节进行临时通电，借助声波引起堵塞管道的天然气水合物发生共振以打破其平衡状态，使其发生分解从而实现解堵。本发明用于深水钻井水合物声波共振分解的隔水管短节的现场应用对安全钻井工程具有重要的现实意义。

如图1所示，在本实施方式中，所述声波换能器2沿着管状短节本体1长度方向(即：轴向)间隔地设置多组(同一水平面上的声波换能器2为一组)，每组中声波换能器2沿着管状短节本体1周向均布有多个；例如：同一组(同一平面)中声波换能器2间隔120度角布置三个。所述声波换能器2通过抗高温胶水固定在管状短节本体1外壁面上；也可以通过其它现有技术进行固定。

所述电源可以是从水面钻井平台上(图中未示出)向下延伸放置的外置电缆。通过水下ROV将外置电缆与通电接口4连接，对隔水管短节的声波换能器2进行通电；通过在平台上调节供电电流的频率与电流大小，可以精准方便的控制声波换能器产生的声波频率大小范围，在保证管体自身强度与安全性的同时，促使管体内形成的天然气水合物发生分解，从而实现顺利解堵、恢复井内循环。

如图1所示，在本实施方式中，所述电源还可以是设置在管状短节本体1外侧的供电系统5。所述供电系统5包括一旁通管道51，旁通管道51的一端与管状短节本体1的上端内腔固定连通，旁通管道51的另一端与管状短节本体1的下端内腔固定连通；旁通管道51的一端和另一端分别设置一第一单向闸板阀511，第一单向闸板阀511的开启方向是使流体由旁通管道51的另一端流向其一端方向(即：流体从管状短节本体1的下端经过旁通管道51流向管状短节本体1的上端)，所述第一单向闸板阀511设有第一开启压力；旁通管道51中部设有一密封壳体52，一水轮发电装置的叶轮53设置在该密封壳体52内；水轮发电装置连接一输电接口58，该输电接口58与所述通电接口4能密封连接。

由于选择长度适合的隔水管短节，并安装在容易形成水合物堵塞的位置，因此，水合物通常是在管状短节本体1的上端与下端之间形成，当循环通道内部形成水合物之后，钻井液通过管状短节本体1的环空向上返流受阻，由于环空中的流体存在一定的压力并出现憋压现象，流体将会经由管状短节本体1的下端进入旁通管道51；当流体压力达到第一单向闸板阀511设定的第一开启压力时，第一单向闸板阀511单向打开，流体经过旁通管道51下端的第一单向闸板阀511进入旁通管道51中，再通过密封壳体52继续上行，经过旁通管道51上端的第一单向闸板阀511进入管状短节本体1的上端，然后沿着管状短节本体1上端环空返流至钻井平台。此过程中的流体存在一定的压力与流速，可以在密封壳体52内带动叶轮53转动，进而驱动水轮发电装置的转子旋转，转子切割定子的磁场产生电流。水轮发电装置通过一稳压元件56连接输电接口58，该输电接口58与所述通电接口4能密封连接，进而为声波换能器2持续供电。

第一开启压力设定为，大于在正常循环过程中第一单向闸板阀深度处的泥浆压力，此深度处泥浆压力可简化计算为：P＝rou*g*H；

其中：rou为泥浆密度，g为重力加速度，H为第一单向闸板阀所在深度大小(距离转盘的深度)。

在本实施方式中，旁通管道51的上下两端与管状短节本体1的上端、下端分别是焊接固定的，且在旁通管道51的上、下两端的端口部位分别设有过滤装置57，以防止钻井液中的岩屑进入旁通管道51内。所述过滤装置可以是一过滤网。

进一步，如图1所示，在本实施方式中，密封壳体52上对应叶轮53周向的两侧分别设置第一管道551和第二管道552，第一管道551的自由端为水流入口，并设有第一螺纹密封盖553，第二管道552的自由端为水流出口，并设有第二螺纹密封盖554；第一螺纹密封盖553和第二螺纹密封盖554的外端面上分别固定设有一便于水下机器人旋转开合螺纹密封盖的方柱形操作杆555。

当管状短节本体1的上端或下端产生水合物，流体无法从管状短节本体1的下端经过旁通管道51流向管状短节本体1的上端时，此时可以通过操作水下ROV,借助ROV的机械臂与方柱形操作杆555配合旋下第一螺纹密封盖553和第二螺纹密封盖554，海水可以从水流入口进入密封壳体52内，再由水流出口流出，形成循环通道；由此，带动叶轮53转动，持续发电。

为了便于海水流入密封壳体52中，所述第一管道551和第二管道552分别为向自由端呈渐扩的锥形管道。

进一步，如图2所示，在本实施方式中，旁通管道51的一端并联有第一分支管路541，第一分支管路541与管状短节本体1的上端内腔连通；旁通管道51的另一端并联有第二分支管路542，第二分支管路542与管状短节本体1的下端内腔连通；所述第一分支管路541和第二分支管路542分别设置一第二单向闸板阀543，第二单向闸板阀543的开启方向是使流体由第一分支管路流向第二分支管路方向(即：流体从管状短节本体1的上端经过旁通管道51流向管状短节本体1的下端)，所述第二单向闸板阀543设有第二开启压力。

当管状短节本体1的上端与下端之间形成水合物，而其它通道又无法使用的情况下，可以采取建立反循环通道，通过向隔水管短节的上部隔水管内部流体加压，迫使上部隔水管中的流体经由过滤装置57之后进入第一分支管路541，此时的流体具有较高的压力，当流体压力达到第二单向闸板阀543设定的第二开启压力时，第二单向闸板阀543单向打开，流体经过第一分支管路541的第二单向闸板阀543进入旁通管道51中，再通过密封壳体52继续下行，经过第二分支管路542的第二单向闸板阀543进入管状短节本体1的下端，然后沿着管状短节本体1下端环空向下流动。此过程中的流体存在一定的压力与流速，可以在密封壳体52内带动叶轮53转动，进而使水轮发电装置为声波换能器2持续供电。

第二开启压力设定为，大于正常循环过程中此深度处的泥浆压力，考虑到海水段深度较大，此深度处泥浆压力可近似取第一开启压力中的P。同时此压力要小于转盘以下，第二单向闸板阀以上的各管柱、设备的极限承压能力。由于现场返循环时的所用注浆管线基本不承压，所以工具的使用过程中，如果需要进行返循环憋压可能需要备用一可承压的注浆管线。

进一步，在本实施方式中，所述旁通管道51、第一分支管路541、第二分支管路542、第一管道551和第二管道552还可以相互配合使用，形成多种流体通道，以使流体在密封壳体内驱动叶轮53转动，使水轮发电装置持续发电，并为声波换能器持续供电。

本发明用于深水钻井水合物声波共振分解的隔水管短节100安装位置大致在海底泥线附近，例如：水下井口以上的隔水管及水下井口以下的隔水管，在安装时，通过第一连接端11和第二连接端12与其上方和下方的隔水管连接；在本实施方式中，如图1所示。所述第一连接端11和第二连接端12分别为螺纹连接端，例如：第一连接端(上端)11为母扣，第二连接端(下端)12为公扣；当然，所述第一连接端11和第二连接端12也可以分别为卡接连接端。

由上所述，采用本发明用于深水钻井水合物声波共振分解的隔水管短节后，通过连续通电，使隔水管内部产生与水合物简谐振动频率相近的声波使管内的水合物发生共振，可以有效的避免(预防)在管道内部形成天然气水合物；在管道内部已经形成天然气水合物之后，该隔水管短节的供电系统会自动开始向声波换能器供电，或者也可以通过电缆对隔水管短节进行临时通电，借助声波引起堵塞管道的天然气水合物发生共振以打破其平衡状态，使其发生分解从而实现解堵。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种用于深水钻井水合物声波共振分解的隔水管短节，其特征在于，包括贯通的管状短节本体，管状短节本体的两端具有与隔水管连接的第一连接端和第二连接端，管状短节本体的外壁面上固定设有多个声波换能器；管状短节本体外侧包覆有隔水绝缘层，所述多个声波换能器密封设置在管状短节本体与隔水绝缘层之间，隔水绝缘层上还设置有能与电源连接的通电接口，多个声波换能器与通电接口电连接；

所述电源为设置在管状短节本体外侧的供电系统；

所述供电系统包括一旁通管道，旁通管道的一端与管状短节本体的一端内腔连通，旁通管道的另一端与管状短节本体的另一端内腔连通；旁通管道的一端和另一端分别设置一第一单向闸板阀，第一单向闸板阀的开启方向是使流体由旁通管道的另一端流向其一端方向，所述第一单向闸板阀设有第一开启压力；旁通管道中部设有一密封壳体，一水轮发电装置的叶轮设置在该密封壳体内；水轮发电装置连接一输电接口，该输电接口与所述通电接口能密封连接；

旁通管道的一端并联有第一分支管路，第一分支管路与管状短节本体的一端内腔连通；旁通管道的另一端并联有第二分支管路，第二分支管路与管状短节本体的另一端内腔连通；所述第一分支管路和第二分支管路分别设置一第二单向闸板阀，第二单向闸板阀的开启方向是使流体由第一分支管路流向第二分支管路方向，所述第二单向闸板阀设有第二开启压力。

2.如权利要求1所述的用于深水钻井水合物声波共振分解的隔水管短节，其特征在于，所述声波换能器沿着管状短节本体长度方向间隔地设置多组，每组中声波换能器沿着管状短节本体周向均布有多个。

3.如权利要求1所述的用于深水钻井水合物声波共振分解的隔水管短节，其特征在于，所述电源为由水面钻井平台下放的外置电缆。

4.如权利要求1所述的用于深水钻井水合物声波共振分解的隔水管短节，其特征在于，密封壳体上对应叶轮周向的两侧分别设置第一管道和第二管道，第一管道的自由端为水流入口，并设有第一螺纹密封盖，第二管道的自由端为水流出口，并设有第二螺纹密封盖；第一螺纹密封盖和第二螺纹密封盖的外端面上分别固定设有一便于水下机器人旋转开合螺纹密封盖的方柱形操作杆。

5.如权利要求4所述的用于深水钻井水合物声波共振分解的隔水管短节，其特征在于，第一管道和第二管道分别为向自由端呈渐扩的锥形管道。

6.如权利要求1所述的用于深水钻井水合物声波共振分解的隔水管短节，其特征在于，所述隔水绝缘层为陶瓷绝缘层。

7.如权利要求1所述的用于深水钻井水合物声波共振分解的隔水管短节，其特征在于，所述第一连接端和第二连接端分别为螺纹连接端或卡接连接端。

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