本发明公开了一种张力系泊式水中钻井系统及其安装方法，所述的系统包括钻井船、水中钻井平台、张力系泊装置、防喷器组、上部隔水管和下部隔水管。本发明的水中钻井平台通过螺旋钢丝绳股张力系泊在位于海床的桩基上，极大地提高了水中钻井平台的稳定性，可为下部隔水管与水中钻井设备提供稳定的安装平台。本发明张紧的螺旋钢丝绳股可以分担可能由于井筒内部的不确定性压力所引起的巨大上提张力，防止下部隔水管被拉断，极大地提高了现有水中钻井技术的安全系数。本发明在遇到紧急情况时，上部隔水管和防喷器组可与水中钻井平台上的井口头迅速分离，形成钻井船和水中钻井平台的断开状态，钻井船可以去安全海域避险，同时保证了水中钻井系统的安全。
1.一种张力系泊式水中钻井系统，其特征在于：包括钻井船（15）、水中钻井平台（10）、张力系泊装置、防喷器组（5）、上部隔水管（20）、下部隔水管（25）以及海底井口装置（28）；
所述的水中钻井平台（10）位于海面（16）下H1处，通过张力系泊装置系泊在海床（17）上以约束水中钻井平台（10）在水中的运动；水中钻井平台（10）上部设置有三个井口头（3），每个井口头（3）的下端设置有隔水管通道；下部隔水管（25）的上端通过隔水管通道与水中钻井平台（10）上部的井口头（3）连接、其下端与海底井口装置（28）连接；上部隔水管（20）的上端与钻井船（15）连接、其下端与防喷器组（5）连接；所述的防喷器组（5）安装在水中钻井平台（10）上部的井口头（3）上；所述的H1为150-350m；
所述的水中钻井平台（10）采用海星式结构，中央柱结构（11）边缘连接三根矩形截面悬臂浮筒（12）,它们在平面上的夹角为120°,形成辐射状，矩形截面悬臂浮筒（12）末端采用中性浮力的桁架结构（2）。
2.根据权利要求1所述的一种张力系泊式水中钻井系统，其特征在于：所述的张力系泊装置包括三根螺旋钢丝绳股（7）和三个海底桩基（8）。
3.一种张力系泊式水中钻井系统的安装方法，其特征在于：包括以下步骤：
将桩基（8）、海底井口装置（28）安装在海床（17）上；安装驳船拖曳水中钻井平台（10）到达目标海域；
B1、安装驳船利用吊装缆绳将水中钻井平台（10）吊入到海面（16）下H1处；所述的H1为150-350m；
B2、安装驳船下放远程控制机器人，远程控制机器人完成螺旋钢丝绳股（7）与海底桩基（8）的连接；
B3、安装驳船通过脐带缆向水中钻井平台（10）输送压缩氮气，提升水中钻井平台（10）的净浮力，同时张紧三根螺旋钢丝绳股（7），从而为下部隔水管（25）的安装提供一个相对平稳的工作环境；所述的三根螺旋钢丝绳股（7）的顶张紧力系数为1.1-1.3；
C1、钻井船（15）运行到达海上目标作业区，钻井船（15）利用下入管柱使得下部隔水管（25）顺利通过水中钻井平台（10）；
C2、在下部隔水管（25）通过水中钻井平台（10），距离海底井口装置（28）上方50米左右时，钻井船（15）通过水中钻井平台（10）的浮力调节装置逐渐降低其净浮力，放松先前张紧的螺旋钢丝绳股（7），下部隔水管（25）借助下入管柱继续下放，并完成与海底井口装置（28）的对接；
C3、钻井船（15）通过脐带缆向水中钻井平台（10）送入压缩氮气，提升水中钻井平台（10）的净浮力，水中钻井平台（10）上浮完成与下部隔水管（25）的连接；
C4、钻井船（15）通过脐带缆继续向水中钻井平台（10）送入压缩氮气，提升水中钻井平台（10）的净浮力，使下部隔水管（25）的顶张紧力达到设计标准；所述的设计标准为下部隔水管（25）的顶张紧力系数1.4-1.6，三根螺旋钢丝绳股（7）的顶张紧力系数1.1-1.3；
防喷器组（5）安装在上部隔水管（20）的下端，在水中钻井平台（10）上部的临时导向设备的辅助下，防喷器组（5）下放安装在水中钻井平台（10）上部的井口头（3）处。
4.根据权利要求3所述的一种张力系泊式水中钻井系统的安装方法，其特征在于：步骤C1所述的下部隔水管（25）的安接方法包括以下步骤：在水中钻井平台（10）上部的井口头（3）处安装临时导向基座，使得下部隔水管（25）准确通过水中钻井平台（10）上的隔水管通道。
5.根据权利要求3所述的一种张力系泊式水中钻井系统的安装方法，其特征在于：步骤C2所述的下部隔水管（25）与海底井口装置（28）的对接方法包括以下步骤：在位于海床（17）上的海底井口装置（28）设置有导向喇叭口，便于下部隔水管（25）的下端与海底井口装置（28）的准确对接。
一种张力系泊式水中钻井系统及其安装方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种海洋油气钻采技术，特别是一种用于在超深海环境下的张力系泊式水中钻井系统及其安装方法。
背景技术
[0002] 随着陆地、近海与中深海域油气资源的逐渐枯竭，为了满足人类对石油资源的巨大需求，当下深海(500～1500m)与超深海(1500m以上)油气田勘探开发是世界石油工业的主要增长点。
[0003] 目前，国际海洋石油工业通过使用现有的钻井船(或钻井平台)，进行海洋石油钻井是一种成熟的技术。然而，这种现有的海洋石油钻井技术用于超深海的石油勘探，对钻井船(或钻井平台)以及海底钻井设备的设计要求高，造价昂贵。此外，在超深海环境中对海底钻井设备的检修难度大，检修成本高。
[0004] 为此，依据美国专利申请第4511287号以及中国专利申请第97194273.0号可知，将海底钻井设备放置在水中一立管塔或潜没浮体上，即水中钻井技术，可极大地降低海面钻井设施和钻井设备的设计要求，同时大大降低超深海油气田勘探开发的技术难度和资本投入。
[0005] 然而，按照现有的水中钻井技术，在下部隔水管与水中钻井设备的安装过程中，潜没浮体的稳定性不够，加大了安装工艺的难度；此外，通过使用安装完毕的下部隔水管作为张力支柱为潜没浮体提供稳定性支撑，在简化工艺的同时却带来了极大的安全问题。在深海石油钻井过程中，需考虑到井筒内部的不确定性压力作用到下部隔水管的问题，由此引发的巨大上提张力可能会造成下部隔水管的断裂，同时潜没浮体迅速上浮，与海面钻井船(或钻井平台)发生撞击，潜在风险巨大。
发明内容
[0006] 为解决现有水中钻井技术在超深海环境中遇到的上述问题，本发明要提供一种张力系泊式水中钻井系统及其安装方法，能够在下部隔水管与水中钻井设备的安装过程中为下部隔水管与水中钻井设备提供稳定的安装平台，同时极大地提高现有水中钻井技术的安全系数。
[0007] 为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
[0008] 一种张力系泊式水中钻井系统，包括钻井船、水中钻井平台、张力系泊装置、防喷器组、上部隔水管、下部隔水管以及海底井口装置；
[0009] 所述的水中钻井平台位于海面下H1处，通过张力系泊装置系泊在海床上以约束水中钻井平台在水中的运动；水中钻井平台上部设置有三个井口头，每个井口头的下端设置有隔水管通道；下部隔水管的上端通过隔水管通道与水中钻井平台上部的井口头连接、其下端与海底井口装置连接；上部隔水管的上端与钻井船连接、其下端与防喷器组连接；所述的防喷器组安装在水中钻井平台上部的井口头上；所述的H1为150-350m；
[0010] 所述的水中钻井平台采用海星式结构，中央柱结构边缘连接三根矩形截面悬臂浮筒，它们在平面上的夹角为120°，形成辐射状，矩形截面悬臂浮筒末端采用中性浮力的桁架结构。
[0011] 本发明所述的张力系泊装置包括三根螺旋钢丝绳股和三个海底桩基。
[0012] 一种张力系泊式水中钻井系统的安装方法，包括以下步骤：
[0013] A、预备工作
[0014] 将桩基、海底井口装置安装在海床上；安装驳船拖曳水中钻井平台到达目标海域；
[0015] B、水中钻井平台的安装
[0016] B1、安装驳船利用吊装缆绳将水中钻井平台吊入到海面下H1处；
[0017] B2、安装驳船下放远程控制机器人，远程控制机器人完成螺旋钢丝绳股与海底桩基的连接；
[0018] B3、安装驳船通过脐带缆向水中钻井平台输送压缩氮气，提升水中钻井平台的净浮力，同时张紧三根螺旋钢丝绳股，从而为下部隔水管的安装提供一个相对平稳的工作环境；所述的三根螺旋钢丝绳股的顶张紧力系数为1.1-1.3；
[0019] C、下部隔水管的安装
[0020] C1、钻井船运行到达海上目标作业区，钻井船利用下入管柱使得下部隔水管顺利通过水中钻井平台；
[0021] C2、在下部隔水管通过水中钻井平台，距离海底井口装置上方50米左右时，钻井船通过水中钻井平台的浮力调节装置逐渐降低其净浮力，放松先前张紧的螺旋钢丝绳股，下部隔水管借助下入管柱继续下放，并完成与海底井口装置的对接；
[0022] C3、钻井船通过脐带缆向水中钻井平台送入压缩氮气，提升水中钻井平台的净浮力，水中钻井平台上浮完成与下部隔水管的连接；
[0023] C4、钻井船通过脐带缆继续向水中钻井平台送入压缩氮气，提升水中钻井平台的净浮力，使下部隔水管的顶张紧力达到设计标准；所述的设计标准为下部隔水管的顶张紧力系数1.4-1.6，三根螺旋钢丝绳股的顶张紧力系数1.1-1.3；
[0024] D、防喷器组的安装
[0025] 防喷器组安装在上部隔水管的下端，在水中钻井平台上部的临时导向设备的辅助下，防喷器组下放安装在水中钻井平台上部的井口头处。
[0026] 本发明步骤C1所述的下部隔水管的安接方法包括以下步骤：
[0027] 在水中钻井平台上部的井口头处安装临时导向基座，使得下部隔水管准确通过水中钻井平台上的隔水管通道。
[0028] 本发明步骤C2所述的下部隔水管与海底井口装置的对接方法包括以下步骤：
[0029] 在位于海床上的海底井口装置设置有导向喇叭口，便于下部隔水管的下端与海底井口装置的准确对接。
[0030] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0031] 1、本发明的水中钻井平台能够在下部隔水管与水中钻井设备的安装过程中为下部隔水管与水中钻井设备提供稳定的安装平台。水中钻井平台采用海星式结构，中央柱结构边缘连接三根矩形截面悬臂浮筒；中央柱结构与悬臂浮筒可独立设计与建造，这极大地降低了水中钻井平台的设计难度与建造成本。
[0032] 2、本发明的悬臂浮筒末端采用了中性浮力的桁架结构。当设计要求需要额外加大水中钻井平台的净浮力时，只需减少桁架结构在悬臂浮筒上的比例长度或增加悬臂浮筒的长度即可；若满足设计浮力要求，可加大桁架结构在悬臂浮筒上的比例长度，从而降低水中钻井平台的自重。这极大地提高了水中钻井平台的设计灵活性，同时简化了悬臂浮筒的建造工艺难度，降低了建造成本。
[0033] 3、本发明的水中钻井平台通过螺旋钢丝绳股张力系泊在位于海床的桩基上，这极大地提高了水中钻井平台的稳定性，降低了下部隔水管与防喷器组的安装难度；同时，张紧的螺旋钢丝绳股可以分担可能由于井筒内部的不确定性压力所引起的巨大上提张力，防止下部隔水管被拉断，这极大地提高了现有水中钻井技术的安全系数。
[0034] 4、本发明采用螺旋钢丝绳股来张力系泊水中钻井平台，在满足张力筋腱拉伸强度的前提下，解决了传统的张力系泊装置在超深海环境下，张力筋腱自重过大的问题(计算表明：3000m长度、130mm直径的螺旋钢丝绳股的水中表观重量只有200吨左右)。
[0035] 5、本发明的水中钻井平台可在钻井船就位前安装，可缩短安装工期，从而降低安装成本。
[0036] 6、本发明将原本位于海床上的防喷器组，安装到位于海面下150-350m处的水中钻井平台上，从而使得相关的安装与维修作业由超深海作业变为在海面下150-350m的浅水作业，极大地降低了安装与维修的技术难度以及成本投入。
[0037] 7、本发明在遇到紧急危险情况时，上部隔水管与防喷器组可与水中钻井平台上部的井口头迅速分离，从而形成海面钻井船与水中钻井平台的断开状态，提升了水中钻井系统的安全系数。
附图说明
[0038] 本发明共有附图2张，其中：
[0039] 图1是本发明的整体结构示意图。
[0040] 图2是本发明的水中钻井平台的俯视图。
[0041] 图中：2、桁架结构，3、井口头，5、防喷器组，7、螺旋钢丝绳股，8、桩基，10、水中钻井平台，11、中央柱结构，12、悬臂浮筒，15、钻井船，16、海面，17、海床，20、上部隔水管，25、下部隔水管，28、海底井口装置。
具体实施方式
[0042] 下面结合附图对本发明进行进一步地描述。
[0043] 如图1所示，一种张力系泊式水中钻井系统，主要包括钻井船15、水中钻井平台10、张力系泊装置、防喷器组5、上部隔水管20、下部隔水管25以及海底井口装置28。
[0044] 如图1所示，水中钻井平台10位于海面16下H1处，以避开海面下的紊流区，使得水中钻井平台10几乎不受近海面16处的风、浪、流影响，保持良好的在位性能。水中钻井平台10上部设置有三个井口头3，每个井口头3的下端设置有隔水管通道(图中未展示)；下部隔水管25的上端通过隔水管通道与水中钻井平台10上部的井口头3连接、其下端与海底井口装置28连接；上部隔水管20的上端与钻井船15连接、其下端与防喷器组5连接；
所述的防喷器组5安装在水中钻井平台10上部的井口头3上。海底井口装置28在采集海底的油气资源后，通过下部隔水管25、防喷器组5和上部隔水管20，最终到达钻井船15，从而完成海上油气的开采。
[0045] 如图1-2所示，水中钻井平台10采用海星式结构，即中央柱结构11边缘连接三根矩形截面悬臂浮筒12，三根矩形截面悬臂浮筒12在平面上的夹角为120°，形成辐射状，悬臂浮筒12的末端采用中性浮力的桁架结构2；中央柱结构11与悬臂浮筒12可独立设计与建造，中性浮力的桁架结构2使得水中钻井平台10在满足设计浮力的情况下，可降低水中钻井平台10的自重，这极大地提高了水中钻井平台10的设计灵活性，同时简化了悬臂浮筒12的建造工艺难度，降低了建造成本。
[0046] 如图1所示，本发明的水中钻井平台10通过三根螺旋钢丝绳股7张力系泊在位于海床17的桩基8上，这极大地提高了水中钻井平台10的稳定性；同时，张紧的螺旋钢丝绳股7可以分担可能由于井筒内部的不确定性压力所引起的巨大上提张力，防止下部隔水管25被拉断，这极大地提高了现有水中钻井技术的安全系数。
[0047] 特别地，本发明采用螺旋钢丝绳股7来张力系泊水中钻井平台10，在满足张力筋腱拉伸强度的前提下，解决了传统的张力系泊装置在超深海环境下，张力筋腱自重过大的问题(计算表明：3000m长度、130mm直径的螺旋钢丝绳股的水中表观重量只有200吨左右)。
[0048] 一种张力系泊式水中钻井系统的安装方法，包括以下步骤：
[0049] A、预备工作
[0050] 将桩基8、海底井口装置28安装在海床17上；安装驳船拖曳水中钻井平台10到达目标海域；
[0051] B、水中钻井平台10的安装
[0052] B1、安装驳船利用吊装缆绳将水中钻井平台10吊入到海面16下H1处；
[0053] B2、安装驳船下放远程控制机器人，远程控制机器人完成螺旋钢丝绳股7与海底桩基8的连接；
[0054] B3、安装驳船通过脐带缆向水中钻井平台10输送压缩氮气(防腐蚀)，提升水中钻井平台10的净浮力，同时张紧三根螺旋钢丝绳股7(此时三根螺旋钢丝绳股7的顶张紧力系数1.1-1.3)，从而为下部隔水管25的安装提供了一个相对平稳的工作环境；
[0055] C、下部隔水管25的安装
[0056] C1、钻井船15运行到达海上目标作业区，钻井船15利用下入管柱使得第一根下部隔水管25顺利通过水中钻井平台10上部的第一个井口头3；
[0057] 特别说明的是：在水中钻井平台10上部的井口头3处安装临时导向基座，以使得下部隔水管25准确通过水中钻井平台10上的隔水管通道。
[0058] C2、在第一根下部隔水管25穿过水中钻井平台10、距离第一个海底井口装置28上方50m左右时，钻井船15通过水中钻井平台10的浮力调节装置逐渐降低其净浮力，放松先前张紧的螺旋钢丝绳股7，第一根下部隔水管25借助下入管柱继续下放，并完成与第一个海底井口装置28的对接；
[0059] 特别说明的是：在位于海床17上的所有海底井口装置28均设置有导向喇叭口，便于下部隔水管25的下端与海底井口装置28的准确对接。
[0060] 在安装完成第一根下部隔水管25后，再依次分别操作第二根和第三根下部隔水管分别穿过水中钻井平台10上部的第二个和第三个井口头3，并完成与第二个和第三个海底井口装置28的分别对接。
[0061] C3、钻井船15通过脐带缆向水中钻井平台10送入压缩氮气，提升水中钻井平台10的净浮力，水中钻井平台10上浮完成与三根下部隔水管25的连接；
[0062] C4、钻井船15通过脐带缆继续向水中钻井平台10送入压缩氮气，提升水中钻井平台10的净浮力，使下部隔水管25的顶张紧力达到设计标准(最终，下部隔水管25的顶张紧力系数1.4-1.6，三根螺旋钢丝绳股7的顶张紧力系数1.1-1.3)；
[0063] D、防喷器组5的安装
[0064] 将防喷器组5安装在上部隔水管20的下端，在水中钻井平台10上部的临时导向设备的辅助下，防喷器组5下放安装在水中钻井平台10上部的第一个井口头3处；在完成了对第一个海底井口装置28的钻采工作后，上提防喷器组5，依次分别与第二个和第三个井口头3连接，分别完成对第二个和第三个海底井口装置28的钻采工作。
[0065] 至此，一种张力系泊式水中钻井系统安装完毕。
[0066] 特别地，在超深海油气田勘探中，在遇到紧急危险情况时(如当台风或飓风来袭)，上部隔水管20与防喷器组5可与水中钻井平台10上部的井口头3迅速分离，从而形成海面16上的钻井船15与水中钻井平台10的断开状态，钻井船15可迅速避险，以防止开发油田由于紧急危险情况而引发巨大的人员伤亡和财产损失。
