1.本发明属于深海钻井领域，特别涉及一种深海天然气水合物吸力锚机构及安装方法。


背景技术：

2.天然气水合又被称为可燃冰，是一类笼形晶体化合物，外观像雪或松散的冰，遇火可燃烧。1方天然气水合物在常温常压下可分解为约164m3的天然气、0.8m3的水。全球天然气水合物资源量高达2.0
×
1016m3，已探明传统化石燃料碳总量的两倍，其中90％分布在海域，是一种非常重要的战略资源。我国海域天然气水合物资源量约800亿吨油当量，2017年我国在南海连续试采60天，累计产气量超过30万方，最高日产量3.5万方。目前，全球范围内天然气水合物大多采用直井开发，产量低，难以达到商业化开采的经济门槛20万方/天，为了提高天然气水合物单井产量，需要采用水平井进行开发。但是由于水合物储层埋深浅、地层疏松、造斜率要求高，天然气水合物水平井钻井施工难度很大，常规的海上定向钻井难以满足要求，因此需要采用新的造斜工艺技术。
3.论文“multi-well exploration program in 2004for natural hydrate in the nankai-trough offshore japan(2004年日本南海槽天然气水合物多井勘探项目)”介绍了日本在2004年所钻的32口深海天然气水合物井的情况，其中一口井采用了水平井钻井技术，是世界上第一口天然气水合物水平井试验。该井水深991米，水合物埋藏深度位于泥线以下300-350米，井深1563米，采用常规深海水平井钻井技术，下入导管并在泥线以下20米开始造斜，水平段长100米。因造斜难度大，用时8.5天，较直井增加近3倍。
4.而论文“吸力锚技术的应用现状”则介绍了吸力锚的工作原理以及在海洋工程领域的应用情况。在海洋工程领域中应用吸力锚多采用一种上端封闭、下端开口的钢制桶形结构，锚筒顶盖留有抽水孔以连接抽水管路。施工阶段吸力锚首先在自重作用下沉入海底一定深度，形成了锚筒内水的封闭状态，然后借助于设备在顶部的泵系统向外抽吸锚筒内的水，使同一时间内抽出的水量大于从底部渗入的水量，在封闭的桶体内形成负压。当筒内外负压差足够大，以至于产生的向下的推力能够克服下沉阻力时，锚体就不断被压入土中，直到达到预定的深度。吸力锚便于安装和运输、不受海上施工空间限制、材料和制造成本低廉、对于不同的海洋土质具有广泛的适用性。这项技术在海洋工程领域，如船只系泊、浮筒定位、存储设施、海洋钻井等领域都具有广泛的应用前景。
5.如图1所示，专利公开号为cn106218814a的一种便于海上拖航运输和安装的吸力锚机构介绍了一种便携式的吸力锚机构用于海上油气生产装置的锚泊固定，该吸力锚机构采用密封端盖将吸力锚进行密封，获得自浮及在预定海面贯入安装的功能，因此可以进行托运，方便了运输而且节省了船舶的载货空间。同时，锚体顶板上设有气源或气压机的连接管，可以为锚体的内腔充气，排出多余的海水，控制锚体在水面承受的浮力。本方案中密封端采用卡爪锁紧装置，可以实现锚体下端密封和自动解锁功能，工作更加可靠。但是该装置仅适用于海洋油气生产装置的锚泊固定，对于海上钻井领域没有涉及。
6.有鉴于此，本发明的发明人创新地将吸力锚应用于开采深海天然气水合物，提供了一种深海天然气水合物吸力锚机构及安装方法。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种深海天然气水合物吸力锚机构及安装方法，其在锚体重力和锚体内外压差共同作用下座入海底泥线以下地层，代替常规的海上导管，实现在锚体内提前实施定向造斜，减少了入靶前垂深的消耗，降低天然气水合物由于埋深浅、常规造斜造斜率要求高的难度。
8.为达上述目的，本发明提供一种深海天然气水合物吸力锚机构，其包括：
9.锚体，其顶端安装有封闭端盖，底端为敞口设置；
10.引管，其同轴设置于所述锚体内部，引管的其中一端由封闭端盖封闭，另一端由封板封闭；
11.导管，其同轴设置于所述引管内，且所述导管和所述引管之间的环空填充有水泥环；以及
12.泵法兰，其设置于所述封闭端盖上。
13.在优选实施例中，所述导管与引管之间的环空内设置有扶正器。
14.在优选实施例中，还包括用于吊装锚体的插孔，其位于所述封闭端盖上。
15.在优选实施例中，所述引管的上部通过上部锚体固定装置固定于锚体内的上部，且所述引管的下部通过下部锚体固定装置固定于锚体内的下部。
16.在优选实施例中，在对应所述导管上端的开口的封闭端盖上设置有低压井口。
17.在优选实施例中，所述低压井口连通有气源。
18.在优选实施例中，所述封板通过焊接固定于所述引管底端。
19.本发明还提供一种深海天然气水合物吸力锚机构的安装方法，其包括以下步骤：
20.(1)将导管放入引管内，在引管的底端固定安装封板；
21.(2)在导管与引管之间的环空中灌注水泥浆，凝固后形成水泥环；
22.(3)将导管及引管安装于锚体内，所述导管及引管的上端由封闭端盖所密封，所述封板与所述封闭端盖相对设置；
23.(4)在所述封闭端盖上设置插孔以及泵法兰；
24.(5)经工厂加工后的吸力锚机构由托运船运送至海洋钻井平台，随后以吊装方式下入海中；
25.(6)锚体下入预定深度后，借助与泵法兰连接的泵进行排水，在锚体自重和内外压差的作用下继续下入泥层以下的地层；
26.(7)在所述导管上端的开口处安装低压井口；
27.(8)在低压井口处安装井口装置，并连接钻杆先将所述导管对应的封闭端盖位置钻穿，再将引管底端的封板钻穿，从而进行定向钻井作业。
28.在优选实施例中，在步骤(1)中，在所述导管与引管之间的环空内设置扶正器。
29.在优选实施例中，在步骤(3)中，将所述引管的上部通过上部锚体固定装置固定于锚体内的上部，且将所述引管的下部通过下部锚体固定装置固定于锚体内的下部。
30.本发明的有益效果在于：
31.1)本发明提供的吸力锚机构，在锚体重力和锚体内外压差共同作用下座入海底泥线以下地层，代替常规的海上导管；缩短导管长度以及控制导管倾斜度，实现在锚体内提前实施定向造斜，减少了入靶前垂深的消耗，降低了天然气水合物由于埋深浅、常规造斜造斜率要求高的难度，可以实现200-300米超浅埋深的深海天然气水合物精准入靶要求；
32.2)吸力锚的所有内部结构均在工厂提前集中加工定制，然后利用托运船运送至海上钻井平台，节省了海上钻井平台作业时间2-4天；
33.3)在导管和引管之间填充有水泥环，并且在工厂提前填充侯凝完毕，增加了吸力锚机构的稳定性和负载能力；
34.4)结构简单、安装简便。
附图说明
35.图1为现有技术中的吸力锚的结构示意图；
36.图2为根据本发明的吸力锚机构的结构示意图。
37.附图标记说明：1-低压井口；2-插孔；3-泵法兰；4-上部锚体固定装置；5-导管扶正器；6-导管；7-引管；8-水泥环；9-锚体；10-下部锚体固定装置；11-封板。
具体实施方式
38.下面将结合附图对本发明作进一步说明。
39.如图2所示，其为根据本发明的吸力锚机构的结构示意图。在本实施例中，所述吸力锚机构包括：插孔2、泵法兰3、上部锚体固定装置4、扶正器5、导管6、引管7、水泥环8、锚体9、下部锚体固定装置10以及封板11。
40.所述锚体9为圆筒形，其顶端安装有封闭端盖，底端为敞口设置。所述封闭端盖上设置有插孔2，所述插孔2用于连接吸力锚的吊装设备，对吸力锚进行吊装。所述封闭端盖上还设置有泵法兰3，所述泵法兰3用于连接泵，用于排空吸力锚内部的海水，从而使锚体内形成负压，海底泥浆灌入锚体内的同时，锚体下沉至海底泥层中。
41.所述引管7同轴设置于所述锚体9内部，其中，所述引管7的上部通过上部锚体固定装置4固定于锚体9内的上部，且所述引管7的下部通过下部锚体固定装置10固定于锚体9内的下部，上部锚体固定装置4和下部锚体固定装置10确保引管7在吸力锚沉入海底时能够稳固地设置于锚体9内，以及确保锚体9的整体稳定性。
42.所述导管6同轴设置于所述引管7内，且导管6的外壁与引管7的内壁之间的环空上部安装有扶正器5，确保导管6相对于引管7不会轻易地偏斜。此外，所述引管7的底部固定连接有封板11，所述封板11将引管7以及导管6的底端密封，确保海水和海底泥浆不会进入到导管6以及引管7中。优选地，所述封板11可以通过焊接固定于所述引管7底端。
43.在优选实施例中，所述导管6和所述引管7之间的环空还灌注了水泥浆，凝固后形成水泥环8，从而大大增加导管6和引管7的稳定性和承载能力。
44.在另一优选实施例中，当所述吸力锚通过自重及内外压差贯入海底泥层一定深度后，在对应所述导管6上端的开口的封闭端盖上安装低压井口1，而后利用从低压井口下入的钻杆将所述导管6对应的封闭端盖位置钻穿，并将引管7底端的封闭11钻穿，所述低压井口1的外部连通有气源，可以给锚体内腔充气排水，形成锚体内外压差。
45.该吸力锚机构代替了常规的下导管和注水泥过程，缩短了导管的长度，锚体长宽均可以根据施工情况做出调整，需要根据施工海域土质的承载力而设计，通常采用长8-12米、外径6米的尺寸设计，该结构可以实现在锚筒内的定向造斜，满足天然气水合物水平井造斜率要求高的难题。
46.在另一实施例中，本发明还提供了一种深海天然气水合物吸力锚机构的安装方法，其主要包括以下步骤：
47.(1)将导管6放入引管7内，在导管6的外壁与引管7的内壁之间的环空上部安装扶正器5，在引管7的底端固定安装封板11；
48.(2)在导管6的外壁与引管7的内壁之间的环空中灌注水泥浆，凝固后使其形成水泥环8；
49.(3)将成为一体的导管6及引管7安装于锚体9内，所述导管6及引管7的上端由吸力锚的封闭端盖所密封，所述封板11与所述封闭端盖相对设置；所述引管7的上部通过上部锚体固定装置4固定于锚体9内的上部，且所述引管7的下部通过下部锚体固定装置10固定于锚体9内的下部；
50.(4)在所述封闭端盖上设置插孔2以及泵法兰3；
51.(5)经工厂加工后的吸力锚机构由托运船运送至海洋钻井平台，随后吊入海水，将所述锚体以吊装方式下入海中；
52.(6)锚体下入一定深度后，借助与泵法兰连接的水下机器人(rov)、潜水泵或其他泵进行排水，在锚体自重和内外压差的作用下继续下入泥层以下的地层；
53.(7)下入过程中利用rov实时观测吸力锚状态，保证吸力锚倾斜度小于1
°
；
54.(8)在对应所述导管6上端的开口的封闭端盖上安装低压井口1；
55.(9)在低压井口1处安装防喷器等井口装置，连接钻杆先将所述导管6对应的封闭端盖位置钻穿，并将引管7底端的封闭11钻穿，从而进行定向钻井作业。
56.综上所述，本发明的有益效果在于：
57.1)本发明提供的吸力锚机构，在锚体重力和锚体内外压差共同作用下座入海底泥线以下地层，代替常规的海上导管；缩短导管长度以及控制导管倾斜度，实现在锚体内提前实施定向造斜，减少了入靶前垂深的消耗，降低了天然气水合物由于埋深浅、常规造斜造斜率要求高的难度，可以实现200-300米超浅埋深的深海天然气水合物精准入靶要求；
58.2)吸力锚的所有内部结构均在工厂提前集中加工定制，然后利用托运船运送至海上钻井平台，节省了海上钻井平台作业时间2-4天；
59.3)在导管和引管之间填充有水泥环，并且在工厂提前填充侯凝完毕，增加了吸力锚机构的稳定性和负载能力；
60.4)结构简单、安装简便。
61.虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。