技术领域
[0001] 本
发明涉及浅层
水合物开采技术领域,尤其涉及一种利用振动法在海底浅层贯入套管形成直井的装置及方法。
背景技术
[0002]
天然气水合物是分布于海洋
沉积物或陆域的永久冻土中,由天然气与水在高压低温条件下形成的类
冰状的结晶物质。其资源
密度高,全球分布广泛,具有极高的资源价值。据估计,世界上天然气水合物的总
能量约
煤、油、气总和的2-3倍,开发天然气水合物对于缓解油气资源紧张的现状具有重大意义。自上世纪60年代起,以美国、日本、德国、中国为代表的国家都制订了天然气水合物勘探开发研究计划,开采水合物已成为各国研究的重点和热点,未来对天然气水合物的开发和利用成为必然的趋势。
[0003] 目前海洋水合物的钻采井主要通过钻探船或钻探平台,在海底沉积物中钻井实现。目前天然气水合物开采成直井所使用的方法大多类似于石油钻井工程,井身结构复杂,井孔往往由多个尺寸的不同井段构成,从而需要多种配套尺寸的
钻杆、
钻头、套管等工具,投入较大。对于埋深较浅的浅层水合物开采,若采用石油钻井法,工序复杂,浪费人
力物力。以日本2013年在日本海域进行的甲烷水合物试采为例,水合物上覆层中所钻开采井为三开结构,从上到下套管直径分别为762mm、339.7mm、244.5mm。采用这种方法成井,需要配备各井段对应尺寸的钻头、钻杆、套管等器具,若针对埋深较浅(300m以内)的浅层水合物开采,这一方式明显浪费较大。
发明内容
[0004] 有鉴于此,本发明的
实施例提供了一种利用振动法在海底浅层贯入套管形成直井的装置。
[0005] 本发明的实施例提供一种利用振动法在海底浅层贯入套管形成直井的装置,包括
减振器、激振器和夹持器,所述激振器包括防水
箱体,所述防水箱体内设有第一旋
转轴、第二
旋转轴、传动皮带和
电机,所述第一旋转轴一端设有第一
齿轮,中部设有第一偏心锤,另一端设有第一皮带轮,所述第一皮带轮的下方设有第二皮带轮,所述传动皮带套设于所述第一皮带轮和所述第二皮带轮上,所述电机的
输出轴连接所述第二皮带轮,所述第二旋转轴一端设有与所述第一齿轮相同的第二齿轮,中部设有第二偏心锤,所述第一旋转轴和所述第二旋转轴水平平行设置且所述第一齿轮和所述第二齿轮
啮合,所述防水箱体上部连接所述减振器,下部连接所述夹持器,所述夹持器用于夹持套管,所述电机驱动所述传动皮带传动,带动所述第一齿轮和所述第二齿轮转动并使所述第一偏心锤和所述第二偏心锤同步反向转动,从而带动所述套管竖直振动。
[0006] 进一步地,所述夹持器包括
液压缸和壳体,所述壳体上端连接所述防水箱体,所述壳体内设有圆柱
齿条和环绕所述齿条的三夹持爪,每一所述夹持爪上端固定连接第三齿轮,所述第三齿轮可转动的固定于所述壳体内并与所述齿条啮合,所述液压缸上端连接所述防水箱体,下端连接所述齿条,所述液压缸向下伸出时带动所述齿条向下运动,每一所述第三齿轮受力转动使所述一所述夹持爪松开,所述液压缸向上缩回时带动所述齿条向上运动,每一所述第三齿轮受力转动使所述一所述夹持爪合拢。
[0007] 进一步地,所述液压缸设置于所述防水箱体内,且所述液压缸下端由所述防水箱体底面漏出连接所述齿条。
[0008] 进一步地,每一所述夹持爪中部设有倾斜的限位杆,所述限位杆一端固定于所述夹持爪上,另一端朝向所述齿条,所述限位杆用于限制所述夹持爪的合拢幅度。
[0009] 进一步地,所述减振器包括悬挂钩、上
压板、下压板和悬挂梁,所述悬挂钩下部连接所述上压板,所述上压板设置于所述下压板上方,且所述上压板和所述下压板之间设有多根竖直的
支撑杆,每一所述支撑杆穿过一减振
弹簧,所述弹簧被所述上压板和所述下压板压紧,所述下压板下部连接所述悬挂梁,所述悬挂梁连接所述防水箱体上部。
[0010] 进一步地,所述悬挂梁下部设有成矩形排列的四个
连杆,四所述连杆分别连接所述防水箱体上部的四顶
角。
[0011] 进一步地,所述第一偏心锤和所述第二偏心锤相对设置于所述防水箱体的中部。
[0012] 进一步地,所述电机设置于所述防水箱体的底部,所述电机的输出轴连接传动杆,所述传动杆连接所述第二皮带轮。
[0013] 本发明的实施例还提供了一种利用振动法在海底浅层贯入套管形成直井的方法,使用上述的利用振动法在海底浅层贯入套管形成直井的装置,且包括以下步骤:
[0014] S1使用所述夹持器夹紧套筒;
[0015] S2下放所述装置和所述套筒,使所述套筒保持竖直并对准
地层欲成井
位置;
[0016] S3启动所述电机,所述第一偏心锤和所述第二偏心锤同步反向转动,所述第一偏心锤和所述第二偏心锤转动时产生的
向心力的水平分力相互抵消,竖直分力相互
叠加,从而带动所述套管产生竖向振动,逐渐下沉;
[0017] S4待所述套管完全沉入地层,所述夹持器松开所述套管,吊出所述装置,所述套管形成井孔,成井。
[0018] 本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是:本发明的利用振动法在海底浅层贯入套管形成直井的装置,夹持器夹紧套管,激振器对套管施加竖直方向的振动力,利用
砂土振动
液化原理减小土的承载力与
摩擦力来达到沉入套管的目的,在结构松散的水合物储层上覆层中快速成直井,避免了复杂的井身结构,满足浅层水合物开采造直井需求,器具结构组成简单,施工工艺简易方便,可缩短施工周期、节约人力物力。
附图说明
[0019] 图1是本发明利用振动法在海底浅层贯入套管形成直井的装置的示意图;
[0020] 图2是图1中减振器1的主视图;
[0021] 图3是图1中减振器1的左视图;
[0022] 图4是图1中激振器2的示意图;
[0023] 图5是图4中激振器2的沿AA、的剖视图;
[0024] 图6是图1中夹持器3的示意图。
[0025] 图中:1-减振器、101-悬挂钩、102-插销、103-插销座、104-上压板、105-减振弹簧、106-支撑杆、107-下压板、108-悬挂梁、109-连杆、2-激振器、201-防水箱体、202-第一旋转轴、203-第二旋转轴、204-电机、205-传动皮带、206-第一齿轮、207-第一偏心锤、208-第一皮带轮、209-第二皮带轮、210-传动杆、211-第二齿轮、212-第二偏心锤、3-夹持器、301-液压缸、302-壳体、303-齿条、304-夹持爪、305-第三齿轮、306-限位杆。
具体实施方式
[0026] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
[0027] 请参考图1,本发明的实施例提供了一种利用振动法在海底浅层贯入套管形成直井的装置,包括减振器1、激振器2和夹持器3。
[0028] 请参考图2和图3,所述减振器1包括悬挂钩101、上压板104、下压板107和悬挂梁108,所述悬挂钩101为倒置U形挂钩,用于起吊整个装置,所述上压板104上部设有两插销座
103,所述悬挂钩101两端分别通过插销102连接两所述插销座103,所述上压板104设置于所述下压板107上方,且所述上压板104和所述下压板107之间设有多根竖直的支撑杆106,每一所述支撑杆106上端连接所述上压板104,下端连接所述下压板107,且穿过一减振弹簧
105,所述减振弹簧105被所述上压板104和所述下压板107压紧,所述下压板107底部设有连接座,所述悬挂梁108上部设有连接槽,所述连接座插入所述连接槽内并用销轴
锁紧,所述悬挂梁108下部设有成矩形排列的四个连杆109。
[0029] 请参考图4和图5,所述激振器2包括防水箱体201,四所述连杆109分别连接所述防水箱体201上部的四顶角,所述防水箱体201内设有第一旋转轴202、第二旋转轴203、传动皮带205和电机204,所述第一旋转轴202一端设有第一齿轮206,中部设有第一偏心锤207,另一端设有第一皮带轮208,所述第一皮带轮208的下方设有第二皮带轮209,所述传动皮带205套设于所述第一皮带轮208和所述第二皮带轮209上,所述电机204设置于所述防水箱体
201的底部,所述电机204的输出轴连接传动杆210,所述传动杆210连接所述第二皮带轮
209,所述第二旋转轴203一端设有与所述第一齿轮206相同的第二齿轮211,中部设有第二偏心锤212,所述第二偏心锤212和所述第一偏心锤207相同,所述第一旋转轴202和所述第二旋转轴203水平平行设置且所述第一齿轮206和所述第二齿轮211啮合,所述第一偏心锤
207和所述第二偏心锤212相对设置于所述防水箱体201的中部。
[0030] 请参考图6,所述夹持器3包括液压缸301和壳体302,所述壳体302上端连接所述防水箱体201下部,所述壳体302内设有圆柱齿条303和环绕所述齿条303的三夹持爪304,所述液压缸301设置于所述防水箱体201内,且所述液压缸301下端由所述防水箱体201底面漏出连接所述齿条303,每一所述夹持爪304上端固定连接第三齿轮305,所述第三齿轮305可转动的固定于所述壳体302内并与所述齿条303啮合,每一所述夹持爪304中部设有倾斜的限位杆306,所述限位杆306一端固定于所述夹持爪304上,另一端朝向所述齿条303,所述液压缸301向下伸出时带动所述齿条303向下运动,每一所述第三齿轮305受力转动使所述一所述夹持爪304松开,此时三所述夹持爪304同时松开,三所述夹持爪304移动到套筒上端,所述液压缸301向上缩回时带动所述齿条303向上运动,每一所述第三齿轮303受力转动使所述一所述夹持爪304合拢,三所述夹持爪304同时合拢将所述套筒夹紧,每一所述夹持爪304在抱紧所述套筒后,为防止所述套筒受力过大被抓坏,所述限位杆306抵住所述齿条用于限制所述夹持爪304的合拢幅度。
[0031] 本发明的利用振动法在海底浅层贯入套管形成直井的装置,所述电机204转动带动所述第二皮带轮209转动,并通过所述传动皮带205传动至所述第一皮带轮208,使所述第一旋转轴202转动,进而使所述第一齿轮206和所述第二齿轮211传动,并使所述第一偏心锤207和所述第二偏心锤212同步反向转动,此时所述第一偏心锤207和所述第二偏心锤212转动时产生的向心力的水平分力相互抵消,竖直分力相互叠加,从而带动所述套管产生竖向振动。
[0032] 本发明的实施例还提供了一种利用振动法在海底浅层贯入套管形成直井的方法,使用上述的利用振动法在海底浅层贯入套管形成直井的装置,且包括以下步骤:
[0033] S1使用所述夹持器3夹紧套筒,所述液压缸301向下伸出,三所述夹持爪304松开,起吊所述装置使三所述夹持爪304包围所述套筒上端,所述液压缸301向上缩回,三所述夹持爪304同时夹紧所述套筒;
[0034] S2下放所述装置和所述套筒,起吊所述装置下放至海底使所述套筒保持竖直并对准地层欲成井位置;
[0035] S3启动所述电机204,所述第一偏心锤207和所述第二偏心锤212同步反向转动,所述第一偏心锤207和所述第二偏心锤212转动时产生的向心力的水平分力相互抵消,竖直分力相互叠加,从而带动所述套管产生竖向振动,逐渐下沉,这里是利用套管的高频振动,使套管周、套管底的饱水土体受到振动冲击,由于孔隙水压力上升、有效
应力减小,砂土从固态到液态的变化,颗粒悬浮在水中。此时土体承重能力急剧降低,套管能够贯入土层中。这一方法具有操作简便、不易损伤套管、施工适应性强、软弱地层中沉套管迅速的优点。海底沉积层大多结构较为疏松,且土颗粒较细、饱水,在振动作用下更易发生液化现象。
[0036] S4待所述套管完全沉入地层,所述液压缸301向下伸出,三所述夹持爪304松开所述套管,吊出所述装置,所述套管形成井孔,成井。
[0037] 在本文中,所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的,只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解,所述方位词的使用不应限制本
申请请求保护的范围。
[0038] 在不冲突的情况下,本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
[0039] 以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何
修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。