АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ПОДАЧИ ТРУБ
AUTOMATED PIPE FEED SYSTEM

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[001] В этой заявке испрашивается приоритет по предварительной заявке США с серийным номером 62/330,200, поданной 1 мая 2016 года, предварительной заявке США с серийным номером 62/256,013, поданной 16 ноября 2015 года, и предварительной заявке США с серийным номером 62/330,021, поданной 29 апреля 2016 года. Эти три заявки на патент включены в данный документ в полном объеме посредством ссылки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[002] В разведке нефти, газа и геотермальной энергии используют буровые работы для создания скважин или колодцев в земле. Современные буровые установки могут иметь две, три или даже четыре секции мачты, соединяемые последовательно и поднимаемые над фундаментной рамой. Буровые установки транспортируют к местам, где необходимо выполнить буровые работы. После транспортировки крупные компоненты установки перемещают из транспортного прицепа и соединяют с остальными компонентами, расположенными на площадке буровой установки.
[003] Перемещение буровой установки обычного размера требует значительной разборки и повторной сборки фундаментной рамы, мачты и связанных с ними компонентов. Скорость разборки и повторной сборки влияет на прибыльность, но особую важность имеет безопасность. Сокращение разборки уменьшает количество ошибок и задержку при повторной сборке.
[004] Транспортные ограничения и затраты ограничивают многие конструктивные возможности построения буровых установок, способных бурить скважины быстрее. Обычное бурение включает наличие бурового долота на дне скважины. Оборудование низа бурильной колонны, расположенное непосредственно над буровым долотом, включает в себя: датчики направления и средства связи, батареи, забойные двигатели и стабилизационное оборудование, помогающие направлять буровое долото к желаемой подземной цели.
[005] Комплект муфт утяжеленной бурильной трубы, расположенных над компоновкой низа бурильной колонны, предоставляет недеформируемый источник массы, помогающий буровому долоту дробить породу. Утяжеленная бурильная труба расположена над муфтами утяжеленной бурильной трубы для безопасности. Остальная часть бурильной колонны чаще всего представляет собой бурильную трубу, рассчитанную на пребывание в напряженном состоянии. Длина каждой бурильной трубы составляет приблизительно 30 футов (9 м), однако, секции различаются в зависимости от конструкции. Обычно секции бурильной трубы хранят в виде «двухтрубок» (двух соединенных секций), «трехтрубок» (трех соединенных секций) или даже «четырехтрубок» (четырех соединенных секций).
[006] Когда буровое долото изношено, или когда необходимо выполнить обслуживание, ремонт или регулирование компоновки низа бурильной колонны, бурильную колонну (бурильную трубу и другие компоненты) извлекают из скважины и устанавливают на подсвечник. При извлечении из скважины целой бурильной колонны, ее, как правило, разъединяют и устанавливают на подсвечник двухтрубками или трехтрубками, пока не извлекут и не заменят буровое долото. Этот процесс вытаскивания всего из скважины и подачи всего этого обратно в скважину известен как «спускоподъемные операции».
[007] Спускоподъемные операции требуют времени, не занятого бурением, и таким образом связаны с дополнительными расходами. Долгое время предпринимались усилия по разработке способов их устранения или по меньшей мере ускорения. Работа с трехтрубками быстрее работы с двухтрубками, поскольку уменьшается количество резьбовых соединений, требующих разъединения, а затем повторного соединения. Трехтрубки длиннее, и поэтому более сложны в работе по причине своей длины и массы, а также естественной волнообразной формы, возникающей при их перемещении. Ручные работы по перемещению труб на вышке для бурения и на уровне буровой площадки могут быть опасными.
[008] Желательно наличие буровой установки, способной повысить безопасность и сократить время спускоподъемных операций. Желательно наличие буровой установки, способной работать с трубными свечами с помощью устройств, альтернативных обычным подъемникам и верхним силовым приводам. Также желательно наличие системы, включающей дублирование, так, чтобы в случае отказа или необходимости обслуживания элемента указанной системы, функции этого элемента мог выполнять другой элемент буровой установки.
[009] Большинство попыток автоматизации подачи труб относятся к морскому бурению. Однако, решения по подаче труб на морских буровых установках редко можно перенести на береговые наземные установки по причине множества различий в экономической эффективности, размере, массе и особенностях транспортировки.
[010] Таким образом, сохраняется потребность в надежном модуле системы автоматизированной подачи, обеспечивающем дублирование, безопасном, надежном, недорогом и практичном, учитывающем ограничения по массе и размеру опоры для навешивания на мачту мобильной наземной буровой установки.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[011] Описана система подачи труб для буровой установки. В одном варианте реализации изобретения система подачи труб имеет модуль подачи, соединенный с мачтой буровой установки. Указанный модуль подачи содержит раму, узел балкона с пальцами, соединенный с рамой, и верхнее крепление свечи, имеющее замок, соединенный с узлом балкона с пальцами. Указанный замок может раздвигаться в положение передачи свечи для фиксации трубной свечи в местоположении.
[012] Предусмотрен верхний механизм подачи, имеющий перемычку, соединенную с рамой с возможностью перемещения. С указанной перемычкой соединен с возможностью вращения и перемещения кронштейн. С указанным кронштейном соединен с возможностью перемещения механизм захвата. Указанный механизм захвата выполнен с возможностью захвата и подъема верхнего конца трубной свечи.
[013] Предусмотрен модуль площадки подсвечника, содержащий площадку, расположенную под узлом балкона с пальцами. Смежно со стороной указанной площадки установлен проход. Нижний механизм подачи имеет основание, соединенное с указанным проходом с возможностью перемещения. С указанным основанием соединена с возможностью вращения рама. С указанной рамой шарнирно соединен кронштейн. С указанным кронштейном шарнирно соединен замок. Указанный замок выполнен с возможностью фиксации трубной свечи для предотвращения ее горизонтального перемещения. Перемещениями нижнего механизма подачи управляют перемещения верхнего механизма подачи, всегда сохраняя вертикальную ориентацию трубной свечи.
[014] В другом варианте реализации изобретения узел балкона с пальцами имеет площадку балкона с пальцами и множество удлинителей пальцев на каждой стороне площадки балкона с пальцами. Предусмотрена модульная рама, содержащая внутренний направляющий желоб и внешний направляющий желоб. Верхний механизм подачи выполнен с возможностью горизонтального перемещения вдоль указанных внутреннего и внешнего направляющих желобов. Верхний механизм подачи имеет перемычку с роликовыми узлами, соединяющими ее с направляющими желобами.
[015] На указанной перемычке расположена тележка, имеющая возможность перемещения. С указанной тележкой соединен вращательный привод. От указанного привода по направлению вниз отходит кронштейн в сборе. Механизм захвата труб, соединенный с концом кронштейна, захватывает установленные на подсвечник трубные свечи или трубные свечи, установленные в положение передачи, для подачи.
[016] В другом варианте реализации изобретения центральная линия захвата в центре труб, удерживаемых в механизме захвата, совпадает с центральной линией привода в центре вращения вращательного привода.
[017] В другом варианте реализации изобретения раздвижное крепление свечи, используемое в качестве верхнего крепления свечи, установлено на модуль подачи. В другом варианте реализации изобретения верхняя поверхность верхнего крепления свечи образует площадку узла балкона с пальцами. В другом варианте реализации изобретения поверх кронштейна установлена муфта, имеющая возможность перемещения. С концом указанной муфты соединен механизм захвата. Между кронштейном и муфтой установлен блок цилиндров. Блок цилиндров имеет цилиндр уравновешивания и цилиндр компенсации, установленный в паре с цилиндром уравновешивания.
[018] В другом варианте реализации изобретения раздвижное крепление свечи, используемое в качестве нижнего крепления свечи, установлено на площадке подсвечника. Нижнее крепление свечи фиксирует нижний конец трубной свечи в положении передачи свечи.
[019] Для специалистов в данной области техники будет очевидно, что описанную систему можно модифицировать и получить такой же благоприятный результат. Хотя описания, представленные в данном документе, относятся к выбору и транспортировке трубных свечей для спуска в скважину, следует понимать, что описанные варианты реализации изобретения могут быть полностью функциональными при работе в обратном порядке, подъеме из скважины и подаче указанных трубных свечей. Хотя описания, представленные в данном документе, как правило относятся к трубным свечам, выполненным в виде трехтрубок, следует понимать, что описанные варианты реализации изобретения могут быть полностью функциональными при работе с использованием трубных свечей, выполненных из двухтрубок или четырехтрубок.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[020] Фиг. 1 представляет собой изометрическую проекцию буровой установки, имеющей модуль подачи, закрепленный на мачте.
[021] Фиг. 2 представляет собой покомпонентную изометрическую проекцию компонента верхнего механизма подачи модуля подачи по фиг. 1, проиллюстрированную в соответствии с вариантом реализации модуля подачи.
[022] Фиг. 3 представляет собой изометрическую проекцию варианта реализации верхнего механизма подачи по фиг. 2, иллюстрирующую диапазон перемещения и возможности вращения кронштейна, подвешенного на перемычке.
[023] Фиг. 4 представляет собой изометрическую проекцию верхнего механизма подачи по фиг. 2 и 3, показанного снизу, иллюстрирующую, что центральная линия захвата трубной свечи захваченной верхним механизмом подачи, не перемещается в боковом направлении при вращении кронштейна.
[024] Фиг. 5 представляет собой изометрическую проекцию варианта реализации верхнего крепления свечи, иллюстрирующую сдвинутую каретку и открытый замок в положении приема трубной свечи.
[025] Фиг. 6 представляет собой изометрическую проекцию верхнего крепления свечи по фиг. 5, иллюстрирующую раздвинутую каретку и закрытый замок в положении вокруг трубной свечи.
[026] Фиг. 7 представляет собой вид сверху модуля подачи по фиг. 8, иллюстрирующий рабочий габарит верхнего механизма подачи и отношение модуля подачи, верхнего механизма подачи и верхнего крепления свечи к положению передачи свечи.
[027] Фиг. 8 представляет собой изометрическую проекцию варианта реализации модуля подачи, соединенного с передней стороной мачты буровой установки, иллюстрирующую также верхний механизм подачи, захватывающий трубную свечу (например, трубную свечу) в месте подачи для доставки в положение передачи свечи.
[028] Фиг. 9 представляет собой изометрическую проекцию варианта реализации модуля подачи, иллюстрирующую верхний механизм подачи, перемещающий трубную свечу из положения подачи к проходу на узле балкона с пальцами.
[029] Фиг. 10 представляет собой изометрическую проекцию варианта реализации модуля подачи, иллюстрирующую верхний механизм подачи, поворачивающий трубную свечу на девяносто градусов против часовой стрелки на проходе.
[030] Фиг. 11 представляет собой раскрытую изометрическую проекцию варианта реализации модуля подачи, иллюстрирующую верхний механизм подачи, перемещающий проход и доставляющий трубную свечу в положение передачи свечи.
[031] Фиг. 12 представляет собой изометрическую проекцию варианта реализации модуля подачи, показанного с противоположной стороны, иллюстрирующую верхнее крепление свечи, удерживающее трубную свечу в положении передачи свечи, высвобождение трубной свечи и отход верхнего механизма подачи.
[032] Фиг. 13 представляет собой вид сверху варианта реализации площадки подсвечника, показанной по отношению к расположению буровой площадки, центру скважины и положению передачи свечи.
[033] Фиг. 14 представляет собой изометрическую проекцию варианта реализации площадки подсвечника системы подачи труб.
[034] Фиг. 15 представляет собой покомпонентную изометрическую проекцию верхнего крепления свечи, промежуточного крепления свечи и нижнего крепления свечи, иллюстрирующую их совместную способность достигать трубных свечей на центральной линии шурфа для рабочей штанги, а также на центральной линии положения передачи свечи.
[035] Фиг. 16 представляет собой изометрическую проекцию варианта реализации нижнего механизма подачи системы подачи труб.
[036] Фиг. 17 представляет собой изометрическую проекцию варианта реализации нижнего механизма подачи, сдвинутого для поворота, с центральной линией трубной свечи, совпадающей с центральной линией оси вращения нижнего механизма подачи.
[037] Фиг. 18 представляет собой покомпонентную изометрическую проекцию варианта реализации нижнего механизма подачи по фиг. 16 и 17.
[038] Фиг. 19 представляет собой изометрическую проекцию варианта реализации замка нижнего механизма подачи. Фиг. 20 представляет собой покомпонентную изометрическую проекцию варианта реализации замка нижнего механизма подачи по фиг. 19.
[039] Фиг. 21 представляет собой изометрическую проекцию станции передачи свечи.
[040] Фиг. 22(1)-22(7) представляют собой схематические виды сбоку, показывающие работу автоматизированной системы подачи труб, и иллюстрирующие согласованные действия верхнего механизма подачи и нижнего механизма подачи.
[041] Фиг. 23 представляет собой изометрическую проекцию по фиг. 21(1), иллюстрирующую трубную свечу в положении передачи свечи, удерживаемую верхним креплением свечи, и захваченную верхним механизмом подачи и нижним механизмом подачи. Возможный захват нижним креплением свечи не показан.
[042] Фиг. 24 представляет собой изометрическую проекцию по фиг. 21(6), иллюстрирующую трубную свечу, поддерживаемую в вертикальном положении верхним механизмом подачи, удерживаемую за нижний конец нижним механизмом подачи, и смещенную в свое предусмотренное положение подачи.
[043] Фиг. 25 представляет собой схему последовательности операций, описывающую вариант реализации уникальной последовательности этапов спуска бурильной колонны, который может быть выполнен автоматической системой подачи труб.
[044] Фиг. 26 представляет собой схему последовательности операций, описывающую вариант реализации уникальной последовательности этапов подъема бурильной колонны, который может быть выполнен автоматизированной системой подачи труб.
[045] Фиг. 27 представляет собой изометрическую проекцию альтернативного варианта реализации верхнего механизма подачи, иллюстрирующую вращение кронштейна, подвешенного на стреле.
[046] Фиг. 28 представляет собой изометрическую проекцию альтернативного модуля подачи, иллюстрирующую альтернативный вариант реализации верхнего механизма подачи по фиг. 27, перемещающего проход и доставляющего трубную свечу в положение передачи свечи.
[047] Объекты и характеристики описанных вариантов реализации изобретения станут более понятными из следующего подробного описания и приложенной формулы изобретения в сочетании с приложенными графическими материалами, в которых одинаковые числовые обозначения представляют одинаковые элементы.
[048] Указанные графические материалы составляют часть данного описания изобретения и содержат варианты реализации изобретения в различных формах. Следует понимать, что в некоторых случаях различные аспекты описанных вариантов реализации изобретения могут быть показаны в расширенном или увеличенном виде для облегчения понимания принципов и особенностей описанных вариантов реализации изобретения.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[049] Следующее описание представлено, чтобы предоставить любому специалисту в данной области техники возможность изготовления и использования автоматизированной системы подачи труб, и в контексте конкретного применения и его требований. Различные модификации описанных вариантов реализации изобретения будут очевидными для специалистов в данной области техники, и общие принципы, определенные в данном документе, можно применять к другим вариантам реализации изобретения без отступления от их сущности и объема. Таким образом, данное изобретение не ограничено показанными вариантами реализации изобретения, а должно рассматриваться в самом широком объеме, в соответствии с вариантами реализации изобретения, описанными в данном документе.
[050] Фиг. 1 представляет собой изометрическую проекцию буровой установки 1, имеющей стеллажный модуль 300, закрепленный на мачте 10. Стеллажный модуль 300 можно снять для транспортировки.
[051] Фиг. 2 представляет собой покомпонентную изометрическую проекцию компонента верхнего механизма 350 подачи стеллажного модуля 300 по фиг. 1, проиллюстрированную в соответствии с вариантом реализации стеллажного модуля 300. Верхний механизм 350 подачи имеет перемычку 358, установленную с возможностью перемещения относительно стеллажного модуля 300. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения перемычка 358 имеет внешний роликовый узел 354 и внутренний роликовый узел 356 для поддержки перемещения верхнего механизма 350 подачи вдоль направляющих желобов 306 и 304, соответственно (см. фиг. 8), по стеллажному модулю 300.
[052] Внешняя шестеренная передача 366 расположена на внешнем конце перемычки 358. Внутренняя шестеренная передача 368 расположена поблизости от внутреннего конца (со стороны мачты) перемычки 358. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения внешняя шестеренная передача 366 входит в зацепление с дополнительной зубчатой рейкой на направляющем рельсе 306. Внутренняя шестеренная передача 368 входит в зацепление с дополнительной зубчатой рейкой на направляющем рельсе 304. Приведение в действие внешней шестеренной передачи 366 и внутренней шестеренной передачи 368 позволяет верхнему механизму 350 подачи горизонтально перемещаться по всей длине стеллажного модуля 300.
[053] Тележка 360 смонтирована с возможностью перемещения на перемычке 358. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения положение тележки 360 регулируется шестеренной передачей 364 тележки. Шестеренная передача 364 тележки обеспечивает зацепление дополнительной зубчатой рейки с перемычкой 358. Приведение в действие шестеренной передачи 364 тележки позволяет тележке 360 горизонтально перемещаться по длине перемычки 358.
[054] Кронштейн 370 соединен с возможностью вращения с тележкой 360. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения привод 362 вращения установлен на тележке 360. Кронштейн 370 соединен со смещением 371 для вращения привода 362 вращения и, следовательно, тележки 360. Механизм захвата 382 проходит перпендикулярно нижнему концу кронштейна 370 и в той же плоскости, что и смещение 371.
[055] Механизм захвата 382 соединен с кронштейном 370 в вертикально перемещаемом направлении. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения механизм захвата 382 прикреплен к соединительной муфте 380 для захвата трубных свечей 80 (см. фиг. 8), перемещаемых в стеллажном модуле 300. Соединительная муфта 380 смонтирована на кронштейне 370 в вертикально перемещаемом направлении, как более детально описано ниже. Как описано, приведение в действие привода 362 вращения вызывает вращение механизма захвата 382.
[056] Как лучше всего видно на фиг. 4, центральная линия C привода вращения проходит в направлении вниз от центра вращения привода 362 вращения. Эта центральная линия является общей с центральной линией C трубных свечей 80, захваченных механизмом захвата 382 таким образом, что вращение механизма захвата 382 приводит к центрированному вращению трубных свечей 80 без перемещения в поперечном направлении.
[057] Снова в соответствии с фиг. 2, как указано выше, соединительная муфта 380 смонтирована на кронштейне 370 в вертикально перемещаемом направлении, например, с помощью подшипников скольжения, роликов или иного способа соединения.
[058] В проиллюстрированном варианте реализации изобретения узел 372 цилиндра тандемного типа соединен между кронштейном 370 и соединительной муфтой 380. Узел 372 цилиндра тандемного типа содержит цилиндр 374 уравновешивающего механизма и подъемный цилиндр 376. Приведение в действие подъемного цилиндра 376 регулирует оператор с помощью обычных гидравлических приводов управления. Трубную свечу  80 поднимают путем отвода подъемного цилиндра 376. Цилиндр 374 уравновешивающего механизма пассивно компенсирует качку. Цилиндр 374 уравновешивающего механизма находится в выдвинутом положении при отсутствии нагрузки на механизм захвата 382.
[059] Когда трубная свеча 80 установлена, цилиндр 374 уравновешивающего механизма отводят, чтобы обеспечить принудительную индикацию установки трубной свечи 80. Установочный отвод цилиндра 374 уравновешивающего механизма измеряется датчиком (не показан), таким как датчик линейного положения. Этот датчик обеспечивает данную обратную связь, чтобы предотвратить разрушающее боковое перемещение трубной свечи 80 до ее поднятия.
[060] Фиг. 3 представляет собой изометрическую проекцию варианта реализации полностью собранного верхнего механизма 350 подачи, иллюстрирующую диапазон перемещения и вращения механизма захвата 382, соединенного с соединительной муфтой 380 и кронштейном 370, а также подвешенного к перемычке 358. Фиг. 3 иллюстрирует механизм захвата 382, повернутый на 90 градусов с помощью привода 362 вращения, как проиллюстрировано на фигуре пунктирной линией для сравнения.
[061] Фиг. 4 представляет собой изометрическую проекцию варианта реализации верхнего механизма 350 подачи, показанного снизу. На этой проекции видно, что центральная линия C является центральной линией вращения как привода 362 вращения, так и трубной свечи 80, закрепленной механизмом захвата 382 («центральная линия захвата»). Благодаря этой функции центральная линия C трубной свечи 80, захваченной верхним механизмом 350 подачи, не перемещается в боковом направлении при вращении кронштейна 370 и механизма захвата 382. Эта конфигурация обеспечивает перемещение внутри платформы 314 (см. фиг. 7). Эта конфигурация, если необходимо, также позволяет подключать и согласовывать управление нижним концом трубной свечи 80 с помощью нижнего механизма подачи. Эта конфигурация позиционирует трубную свечу 80 под центром перемычки 358 во время перемещения, чтобы избежать отклонения и повысить точность расположения трубной свечи 80.
[062] Фиг. 5 представляет собой изометрическую проекцию варианта реализации верхнего крепления свечи 420 бурильных труб. Верхнее крепление свечи 420 бурильных труб может быть интегрировано в стеллажный модуль 300. Верхнее крепление свечи 420 бурильных труб имеет раму 402. Вспомогательная поверхность 414 образует верхнюю часть верхнего крепления свечи 420 бурильных труб.
[063] Фиг. 6 представляет собой изометрическую проекцию верхнего крепления свечи 420 бурильных труб по фиг. 5, иллюстрирующую каретку 404, соединенную с рамой 402 в раздвигаемом положении. В проиллюстрированной проекции каретка 404 выдвинута из рамы 402. Привод 406 каретки соединен между рамой 402 и кареткой 404 и выполнен с возможностью выдвигать и втягивать каретку 404 из рамы 402. Замок 408 шарнирно соединен с концом каретки 404. Привод зажима (не показан) выполнен с возможностью открывать и закрывать замок 408.
[064] Замок 408 может быть самоцентрирующимся, чтобы обеспечивать закрытие замка 408 вокруг всего диапазона свечей 80 бурильных труб, включая обсадную колонну, утяжеленные бурильные трубы и трубчатую штангу. Замок 408 не обязательно должен оказывать сопротивление вертикальному перемещению трубной свечи 80. В одном варианте реализации изобретения замок 408 содержит противонаправленные захваты 410 клешневого типа. Как видно на фиг. 7-12, поверхность 414 верхнего крепления свечи 420 бурильных труб может выступать в качестве платформы балкона 314 буровой вышки с пальцами на стеллажном модуле 300.
[065] Фиг. 7 представляет собой вид сверху стеллажного модуля 300 по фиг. 8, иллюстрирующий рабочий габарит верхнего механизма 350 подачи и отношение стеллажного модуля 300, верхнего механизма 350 подачи и верхнего крепления свечи 420 бурильных труб к положению 50 передачи свечи. Как проиллюстрировано, шурф для рабочей штанги 40 располагается между положением 50 передачи свечи и центром 30 скважины.
[066] В этом виде каретка 404 верхнего крепления свечи 420 бурильных труб убирается под поверхность 414, которая выступает в качестве платформы балкона 314 буровой вышки с пальцами. Верхнее крепление свечи 420 бурильных труб выполнено с возможностью выдвигать каретку 404 и замок 408 в положение 50 передачи свечи, и дальше в направлении центра 30 скважины для наклона трубной свечи 80 к центру 30 скважины настолько, чтобы сделать ее доступной для верхнего привода на буровой установке 1. Это позволяет верхнему креплению свечи 420 бурильных труб функционировать в качестве резервного механизма при отказе трубчатого кронштейна подачи, который может быть смонтирован на передней стороне мачты 10, если таковая предусмотрена. Верхнее крепление свечи 420 бурильных труб может также использоваться для подачи трубных свечей 80, содержащих утяжеленные бурильные трубы и другие свечи тяжелых труб, которые превышают грузоподъемность трубчатого кронштейна подачи.
[067] Обычные узлы балкона с пальцами имеют ряды для трубных свечей 80, которые ориентированы со стороны бурильщика в сторону от бурильщика. В отличие от обычных узлов балкона с пальцами, стеллажный модуль 300 имеет узел 310 балкона с пальцами, содержащий множество колонн положений подачи 312 на каждой стороне платформы 314 балкона с пальцами, которые ориентированы в направлении приемного желоба к ориентации буровой лебедки. Эта ориентация перпендикулярна ориентации обычных балконов буровых вышек с пальцами. В этой конфигурации пальцы узла 310 балкона с пальцами короче, и их больше. Более короткие пальцы отклоняются меньше и могут поддерживать собранные свечи обсадных труб. Кроме того, стеллажный модуль 300 может быть масштабируемым в этой конфигурации, что обеспечивает более длинный стеллажный модуль 300 для более глубокого бурения, который по-прежнему является отдельным переносным устройством.
[068] Фиг. 8 представляет собой изометрическую проекцию варианта реализации стеллажного модуля 300, соединенного с передней стороной мачты 10 буровой установки 1. Фиг. 8 иллюстрирует верхний механизм 350 подачи, захватывающий трубную свечу 80 в месте подачи в пределах узла 310 балкона с пальцами для доставки в положение 50 передачи свечи. Проход 316 соединяется с колоннами положений 312 подачи и обеспечивает проход для перемещения трубных свечей 80 между нерабочим положением в узле 310 балкона с пальцами и положением 50 передачи свечи.
[069] В этом варианте реализации изобретения верхнее крепление свечи 420 бурильных труб располагается под платформой 314 балкона с пальцами, которая также может быть поверхностью 414. Верхнее крепление свечи 420 бурильных труб функционирует для закрепления трубной свечи 80 в местоположении в положении 50 передачи свечи.
[070] Стеллажный модуль 300 имеет модульную раму 302, содержащую внутренний направляющий рельс 304 и внешний направляющий рельс 306. Как видно на фиг. 8 и со ссылкой на фиг. 2, внутренний роликовый узел 356 и внутренняя шестеренная передача 368 соединяют перемычку 358 с внутренним направляющим рельсом 304. Аналогично, внешний роликовый узел 354 и внешняя шестеренная передача 366 соединяют перемычку 358 с внешним направляющим рельсом 306. Таким образом, верхний механизм 350 подачи может перемещаться горизонтально со стороны бурильщика в направлениях в сторону от бурильщика, по существу, по всей длине стеллажного модуля 300. Это достигается посредством приведения в действие внутренней шестеренной передачи 368 и внешней шестеренной передачи 366. Внутренний роликовый узел 356 и внешний роликовый узел 354 переносят вес трубной свечи 80 и верхнего механизма 350 подачи на перемычку 358 стеллажного модуля 300.
[071] Как проиллюстрировано на фиг. 8, может быть предусмотрен второй верхний механизм 351 подачи для механического резервирования и, необязательно, для совмещенных работ. Один из вариантов заключается в том, чтобы механизм захвата 382 верхнего механизма 351 подачи отличался по функции трубчатого захвата от механизма захвата 382 верхнего механизма 350 подачи. Другим вариантом является согласование синхронного перемещения между верхними механизмами 350 и 351 подачи для работы с аналогичными трубными свечами 80, вставленными в отдельных местах узла 310 балкона с пальцами. Каждый из верхних механизмов 350 и 351 подачи может быть выполнен с возможностью транспортировать трубные свечи 80 из любого положения в узле 310 балкона с пальцами в положение 50 передачи свечи.
[072] Фиг. 9 представляет собой изометрическую проекцию стеллажного модуля 300 по фиг. 8, иллюстрирующую верхний механизм 350 подачи, перемещающий трубную свечу 80 к проходу 316 узла 310 балкона с пальцами. Как видно из этой и других проекций, пара растяжных кабелей 308 соединена между рамой 302 стеллажного модуля 300 и мачтой 10 буровой установки 1. Растяжные кабели 308 уменьшают усилия высокого напряжения и сдвига, воздействующие на соединения между рамой 302 и мачтой 10, которые неизвестны в случае обычных модулей подачи на обычных буровых установках. Стеллажный модуль 300 имеет дополнительную нагрузку на два верхних механизма 350 и 351 подачи, а также потенциально на две трубные свечи 80. Растяжные кабели 308 используют грузоподъемность мачты 10 для безопасного закрепления стеллажного модуля 300 в местоположении и для уменьшения нежелательного перемещения стеллажного модуля 300.
[073] Фиг. 10 представляет собой изометрическую проекцию варианта реализации стеллажного модуля 300, иллюстрирующую верхний механизм 350 подачи, поворачивающий трубную свечу 80 на проходе 316. Как проиллюстрировано на фиг. 3 и 4, привод 362 вращения поворачивает кронштейн 370. Совпадающие центральные линии C привода 362 вращения и трубная свеча 80, закрепленные механизмом захвата 382 («центральная линия захвата»), предотвращают поперечное перемещение трубной свечи 80 во время вращения.
[074] Фиг. 11 представляет собой раскрытую изометрическую проекцию варианта реализации стеллажного модуля 300, при этом часть рамы 302 удалена для лучшего обзора. Эта проекция иллюстрирует верхний механизм 350 подачи, перемещающий проход 316 в положение 50 передачи свечи на передней стороне мачты 10.
[075] Фиг. 12 представляет собой изометрическую проекцию стеллажного модуля 300 по фиг. 8-11, показанного с противоположной стороны, иллюстрирующую замок 408 верхнего крепления свечи 420, удерживающий трубную свечу 80 в положении 50 передачи свечи. После опускания трубной свечи 80 в положение 50 передачи свечи верхний механизм 350 подачи высвобождает трубную свечу 80 и удаляется для извлечения следующей трубной свечи 80.
[076] Фиг. 13 представляет собой вид сверху площадки 900 подсвечника, показанный по отношению к расположению буровой площадки 6. Как видно на этой фигуре, положение 50 передачи свечи расположено, как правило, центрально по отношению к проходу 912 на площадке 900 подсвечника. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения центр 40 шурфа для рабочей штанги находится между положением 50 передачи свечи и центром 30 скважины. Замок 408 нижнего крепления свечи 440 бурильных труб расположен над положением 50 передачи свечи и является выдвижным в положение позади него, а также выдвигаемым к центру 40 шурфа для рабочей штанги.
[077] Фиг. 14 представляет собой изометрическую проекцию площадки подсвечника 900 системы подачи труб. Площадка подсвечника 900 содержит площадку 910 для вертикального хранения трубных свечей 80 (не показана). Площадка 910 включает сторону мачты и противоположную сторону рабочего помоста. Проход 912 проходит вдоль стороны мачты площадки 910. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения проход 912 смещен ниже площадки 910. Станция 450 передачи свечи расположена на проходе 912.
[078] Нижний механизм 950 подачи расположен в проходе 912. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения зубчатая рельсовая направляющая 914 прикреплена к проходу 912. Нижний механизм 950 подачи соединен с возможностью вращения с основанием 952, который соединен с возможностью перемещения с рельсовой направляющей 914.
[079] Фиг. 15 представляет собой покомпонентную изометрическую проекцию верхнего крепления свечи 420 бурильных труб, промежуточного крепления свечи 430 бурильных труб и нижнего крепления свечи 440 бурильных труб, иллюстрирующую их совместную способность достигать трубных свечей 80 на центральной линии 40 шурфа для рабочей штанги, а также на центральной линии 50 передачи свечи.
[080] Промежуточное крепление свечи 430 бурильных труб, как показано в этом варианте реализации изобретения, может быть расположено вблизи буровой площадки 6, как проиллюстрировано на фиг. 1. Промежуточное крепление свечи 430 бурильных труб имеет раму 403, которая может быть выполнена как единый блок или в виде пары, как проиллюстрировано на фигуре. Рама 403 принимает каретку 405, соединенную с рамой 403 в выдвигаемом направлении. В проиллюстрированной проекции каретка 405 убирается внутрь рамы 403. Как и в случае с верхним креплением свечи 420 бурильных труб и нижним креплением свечи 440 бурильных труб, замок 408 шарнирно соединен с концом каретки 405. Привод замка (не виден) выполнен с возможностью открывания и закрывания замка 408.
[081] Замок 408 предпочтительно является самоцентрирующимся, чтобы обеспечить закрытие замка 408 вокруг всего диапазона бурильных труб 80, включая обсадную колонну, утяжеленные бурильные трубы и трубчатую штангу. Замок 408 не обязательно должен противодействовать вертикальному перемещению трубной свечи 80.
[082] Привод каретки 407 (не виден) соединен между рамой 403 и кареткой 405 и выполнен с возможностью выдвигать и втягивать каретку 405 из рамы 403. В отличие от верхнего крепления свечи 420 бурильных труб и нижнего крепления свечи 440 бурильных труб, промежуточное крепление свечи 430 бурильных труб включает узел захвата труб 409, который выполнен с возможностью поддерживать вертикальную нагрузку на трубную свечу 80 и предотвращает вертикальное перемещение вниз трубной свечи 80. Это обеспечивает возможность размещения трубных свечей 80 выше шурфа для рабочей штанги 40.
[083] Фиг. 16 представляет собой изометрическую проекцию варианта реализации нижнего механизма 950 подачи автоматизированной системы подачи труб. Нижний механизм 950 подачи выполнен с возможностью вращения, выдвижения, втягивания и перемещения вдоль прохода 912. Таким образом, нижний механизм 950 подачи может зажимать трубную свечу 80 и согласовывать работу с боковыми перемещениями верхних механизмов 350, 351 подачи для стабилизации трубной свечи 80 во время перемещения между положением 50 передачи свечи и положением подачи на площадке 910.
[084] Нижний механизм 950 подачи имеет основание 952, которое располагается с возможностью перемещения на проходе 912. Рама 970 соединена шарнирно и с возможностью вращения с основанием 952. Вращение основания 952 вращает раму 970 с основанием 952. Кроме того, рама 970 может поворачиваться поверх и поперек основания 952. Кронштейн 980 шарнирно соединен с рамой 970 для обеспечения выдвижения и втягивания кронштейна 980. Замок 990 шарнирно соединен с кронштейном 980 для замыкания на трубной свече 80 (скрытые линии), как проиллюстрировано на фигуре.
[085] Фиг. 17 представляет собой изометрическую проекцию варианта реализации нижнего механизма 950 подачи, иллюстрирующую нижний механизм 950 подачи, отведенный для вращения, со трубной свечой 80, центрированный, совпадающий с вращением нижнего механизма 950 подачи. Эта возможность центрированного вращения обеспечивает вращение нижнего механизма 950 подачи подобно вращению верхнего механизма 350 подачи, без иного горизонтального или вертикального перемещения трубной свечи 80.
[086] Фиг. 18 представляет собой покомпонентную изометрическую проекцию варианта реализации изобретения нижнего механизма 950 подачи, проиллюстрированного на фиг. 16 и 17. Как указано выше, нижний механизм 950 подачи имеет основание 952, соединенное с возможностью перемещения с рельсовой направляющей 914. Ролики 954 могут быть прикреплены к основанию 952 для зацепления с проходом 912. Шестеренная передача 956 входит в зацепление с рельсовой направляющей 914 прохода 912 для перемещения нижнего механизма 950 подачи вдоль прохода 912. Поворотный привод 958 соединен с основанием 952. Рама 960 вращения входит в зацепление с поворотным приводом 958. Двигатель 962 вращения поворачивает раму 960 вращения на поворотном приводе 958.
[087] В проиллюстрированном варианте реализации изобретения рама 960 вращения имеет три в основном треугольных шарнирных соединения, шарниры 964 (2) рамы и шарнир 966 привода. Рама 970 состоит из двух вилкообразных секций, нижнего вилкообразного элемента 972 и верхнего вилкообразного элемента 974. Нижний вилкообразный элемент 972 и верхний вилкообразный элемент 974 образуют тупой угол. Привод 968 рамы выполнен с возможностью поворота рамки 970 вперед и для ее отвода назад.
[088] Кронштейн 980 шарнирно соединен с рамой 970. Привод 976 кронштейна выдвигает и втягивает кронштейн 980 относительно рамы 970. Замок 990 шарнирно соединен с противоположным концом кронштейна 980.
[089] Фиг. 19 представляет собой изометрическую проекцию варианта реализации замка 990 нижнего механизма 950 подачи. Фиг. 20 представляет собой покомпонентную изометрическую проекцию замка 990 нижнего механизма подачи по фиг. 19. Замок 990 имеет пару противолежащих затворов 991. Защелка 992 шарнирно прикреплена к каждому затвору 991. Центральный узел 996 валика соединен между затворами 991 для центрирования по отношению к трубной свече 80, захваченной замком 990. Привод 998 защелки управляет замком 990 для его фиксации на трубной свече 80.
[090] Фиг. 21 представляет собой изометрическую проекцию станции 450 передачи свечи. Со ссылкой на вариант реализации изобретения, проиллюстрированный на фиг. 14, станция 450 передачи свечи находится в положении 50 передачи свечи на проходе 912. Проход 912 может быть установлен вертикально ниже поверхности 910. Это позволяет позиционировать станцию 450 передачи свечи ниже поверхности 910 так, чтобы не нужно было поднимать трубную свечу 80 на значительное расстояние с помощью верхнего механизма 350 подачи, чтобы получить доступ к станции 450 передачи свечи.
[091] Снова со ссылкой на фиг. 21, станция 450 передачи свечи имеет основание 452. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения выдвигаемый узел 470 камеры содержит нижнюю камеру 472, соединенную с основанием 452, и верхнюю камеру 474, расположенную в концентрической связи с нижней камерой 472. Привод 458 камеры соединен между нижней камерой 472 и верхней камерой 474.
[092] Ступень 454 расположена внутри узла камеры 470. Ступень 454 выполнена с возможностью принимать наконечник резьбового штифта трубной свечи 80. Эластомерное уплотнение 460 может располагаться над верхним концом верхней камеры 474. Уплотнение 460 имеет отверстие для приема наконечника резьбового штифта трубной свечи 80.
[093] В одном варианте реализации изобретения смазочное сопло 462 направлено во внутреннюю часть узла камеры 470. Линия подачи смазочного материала 464 соединена со смазочным соплом 462 для подачи смазки под давлением в смазочное сопло 462.
[094] В одном варианте реализации изобретения промывочное сопло 466 направлено во внутреннюю часть узла камеры 470. Подводящая линия промывки 468 соединена с промывочным соплом 466 для подачи промывочной жидкости под давлением в промывочное сопло 466. Сливной канал 456 (не показан) может быть соединен с внутренней частью узла камеры 470 для сбора и удаления остатков промывочной жидкости.
[095] При работе привод 458 камеры находится во убранном положении. Наконечник резьбового штифта трубной свечи 80 опускается через отверстие уплотнения 460 на ступень 454, которая принимает и поддерживает нагрузку со стороны трубной свечи 80. Привод 458 камеры приводится в действие, чтобы поднять верхнюю камеру 474 по направлению вверх до соответствующей высоты для перекрытия резьбы штифтового соединения. В этом положении может быть активирован цикл промывки, в котором промывочная жидкость подается через подводящую линию 468 промывки и распыляется через промывочное сопло 466 на резьбовую часть штифта трубной свечи 80. Остаточная промывочная жидкость проходит через сливной канал 456 для рециркулирования или удаления. Аналогичным образом может быть инициирован цикл легирования для распыления защитного жирового слоя через смазочное сопло 462 на штифтовое соединение трубной свечи 80.
[096] Фиг. 22-1-22-7 представляют собой схематичные виды сбоку операции автоматизированной системы подачи труб, иллюстрирующие совместную работу верхнего механизма 350 (и 351) подачи, верхнего крепления свечи 420 бурильных труб и нижнего механизма 950 подачи.
[097] На фиг. 22-1 проиллюстрирована трубная свеча 80, находящаяся в положении 50 передачи свечи. Верхний конец трубной свечи 80 закреплен верхним креплением свечи 420 бурильных труб. Нижний конец трубной свечи 80 опускается в станцию 450 передачи свечи. Механизм захвата 382 верхнего механизма 350 подачи и замок 990 нижнего механизма 950 подачи прикрепляются к трубной свечи 80.
[098] На фиг. 22-2 проиллюстрирована трубная свеча 80, неподвижно размещенная в положении 50 передачи свечи. Трубная свеча 80 закреплена механизмом захвата 382 верхнего механизма 350 подачи и замком 990 нижнего механизма 950 подачи. Трубная свеча 80 может быть высвобождена с помощью верхнего крепления свечи 420 бурильных труб, в то время как она поднимается вверх верхним механизмом 350 подачи и выходит из станции 450 передачи свечи.
[099] На фиг. 22-3 проиллюстрирован верхний механизм 350 подачи и нижний механизм 950 подачи, транспортирующий трубную свечу 80 вдоль прохода 316 и прохода 912 соответственно. Нижний механизм 950 подачи следует за верхним механизмом 350 подачи во взаимодействии ведущего и ведомого устройств, всегда поддерживая вертикальное положение трубной свечи 80. С этой целью нижний механизм 950 подачи может вращаться или выдвигать кронштейн 980 по мере необходимости для компенсации неприемлемого расхождения по траекториям прохода 316 в стеллажном модуле 300 и прохода 912.
[0100] На фиг. 22-4 проиллюстрирован верхний механизм 350 подачи и нижний механизм 950 подачи, остановленный в положении на проходе 316 и проходе 912 соответственно, который перемещает обозначенную колонну 312 на узле 310 балкона с пальцами для подачи трубной свечи 80.
[0101] На фиг. 22-5 проиллюстрирован вид с поворотом на 90 градусов по отношению к фиг. 22-4. На фиг. 22-5 проиллюстрировано одновременное вращение верхнего механизма 350 подачи и нижнего механизма 950 подачи на пересечении проходов 316 и 912 с обозначенной колонной 312 на узле 310 балкона с пальцами для подачи трубной свечи 80.
[0102] Фиг. 22-6 иллюстрирует одновременное перемещение кронштейна 370 вдоль перемычки 358 верхнего механизма 350 подачи (см. фиг. 4) и выдвижение рамы 970 и кронштейна 980 нижнего механизма 950 подачи, таким образом, верхний механизм 350 подачи и нижний механизм 950 подачи одновременно размещают трубную свечу 80 в правильном положении подачи в узле 310 балкона с пальцами и на площадке 910.
[0103] На фиг. 22-7 проиллюстрирована трубная свеча 80, опущенная на площадку 910 площадки 900 подсвечника. Трубная свеча 80 опускается посредством опускающей муфты 380 и механизма захвата 382 на кронштейне 370 верхнего механизма 350 подачи.
[0104] Фиг. 23 представляет собой изометрическую проекцию по фиг. 22-1, иллюстрирующую трубную свечу 80, удерживаемую в положении 50 передачи свечи с помощью верхнего крепления свечи 420 бурильных труб и входящую в зацепление с помощью верхнего механизма 350 подачи и нижнего механизма 950 подачи. Дополнительное зацепление с нижним креплением свечи 440 бурильных труб не показано.
[0105] Фиг. 24 представляет собой изометрическую проекцию по фиг. 22-6, иллюстрирующую трубную свечу 80, поддерживаемую в вертикальном положении верхним механизмом 350 подачи и удерживаемую на ее нижнем конце нижним механизмом 950 подачи, а также выдвигаемую в ее обозначенное положение подачи.
[0106] Фиг. 25 представляет собой схему последовательности операций, описывающую вариант реализации уникальной последовательности этапов спуска бурильной колонны, который может быть выполнен автоматизированной системой подачи труб. Фиг. 26 представляет собой схему последовательности операций, описывающую вариант реализации уникальной последовательности этапов подъема бурильной колонны, который может быть выполнен автоматизированной системой подачи труб. На фиг. 24 и 25 используются следующие сокращения:
LSC=нижний стабилизирующий кронштейн
USC=Верхнее крепление свечи
URM=Верхний механизм подачи
FB=Балкон буровой вышки с пальцами
LRM=Нижний механизм подачи
SHS=станция для передачи трубной свечи
[0107] Как видно на фиг. 24 и 25, перемещение нижнего механизма 950 подачи регулируют команды по перемещению или позиционированию верхнего механизма 350 подачи в отношении ведущего и ведомого устройств согласно логике программирования.
[0108] Фиг. 27 представляет собой изометрическую проекцию альтернативного варианта реализации компонента верхнего механизма подачи 1350 стеллажного модуля 1300 (см. 28). В этом варианте реализации изобретения верхний механизм 1350 подачи содержит колонну 1352, которая с возможностью перемещения соединена с стеллажным модулем 1300 и имеет стрелу 1358, прикрепленную и выдвигающуюся поверх стеллажного модуля 1300. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения нижний роликовый узел 1354 расположен в основании колонны 1352. Верхний роликовый узел 1356 расположен в верхней части колонны 1352. Стрела 1358 проходит перпендикулярно наружу от верхней части колонны 1352 в направлении мачты 10 буровой установки 1.
[0109] Тележка 1360 установлена с возможностью перемещения на стреле 1358. Положением тележки 1360 можно управлять посредством обычного двигателя и контроллера тележки. Привод 364 вращения (как проиллюстрированный на фиг. 4) установлен на дне тележки 1360.
[0110] Кронштейн 1370 соединен с приводом 364 вращения и проходит вниз от тележки 1360. Муфта 1380, установленная на кронштейне 1370, вертикально перемещается на кронштейне 1370, например, путем установки роликов или иным образом, как проиллюстрировано на фигуре. Механизм захвата 1382 прикреплен к муфте 1380 для захвата трубных свечей 80, поданных в стеллажном модуле 1300.
[0111] Как проиллюстрировано на фиг. 4, центральная линия С привода вращения (или «вращение кронштейна») проходит вниз от центра вращения привода 364 вращения. Как было ранее описано, эта центральная линия такая же, как центральная линия C захвата труб 80, захваченных механизмом захвата 1382.
[0112] Фиг. 28 представляет собой изометрическую проекцию альтернативного стеллажного модуля 1300, иллюстрирующую верхний механизм 1350 подачи, перемещающий проход 1314 в направлении отверстия на передней стороне 12 мачты 10, для подготовки к достижению положения 50 передачи свечи.
[0113] Стеллажный модуль 1300 имеет узел 1310 балкона с пальцами, содержащий множество расширителей пальцев на каждой стороне платформы 1314 балкона с пальцами. Трубная свеча 80 опирается на узел 1310 балкона с пальцами. Платформа 1314 балкона с пальцами предусмотрена в центральной части узла 1310 балкона с пальцами и совмещена с отверстием 40 скважины и мачтой 10. Проход 1316 предусмотрен на узле 1310 балкона с пальцами для перемещения трубной свечи 80 между нерабочим положением в узле 1310 балкона с пальцами и положением 50 передачи свечи.
[0114] Стеллажный модуль 1300 имеет модульную раму 1302, содержащую верхний направляющий рельс 1322 и нижний направляющий рельс 1324. Как видно на фиг. 27, верхний роликовый узел 1356 соединяет колонну 1352 верхнего механизма 1350 подачи с верхним направляющим рельсом 1322. Нижний роликовый узел 1354 соединяет колонну 1352 крана перегрузочного моста 1350 с нижним направляющим рельсом 1324. Таким образом, кран перегрузочного моста 1350 может перемещаться горизонтально в направлениях от бурильщика в сторону от бурильщика по всей длине стеллажного модуля 1300. Узел 1330 управляющего кабеля управляет перемещением колонны 352 вдоль рамы 320 модуля.
[0115] Второй верхний механизм 1351 подачи может быть предусмотрен для механического резервирования и, при необходимости, для совмещенных работ. Один из вариантов заключается в том, чтобы механизм захвата 1382 крана перегрузочного моста 1351 отличался по функциональным возможностям трубной свечи 80 от такого механизма захвата 1382 крана перегрузочного моста 1350. Другим вариантом является координация синхронного перемещения между верхними механизмами 1350 и 1351 подачи для работы с аналогичной трубной свечой 80, поданной в отдельных местах узла 1310 балкона с пальцами.
[0116] Используемый в данном документе термин «по существу» предназначен для конструкции со значением «скорее да, чем нет».
[0117] Опираясь таким образом на описание различных вариантов реализации изобретения, следует отметить, что раскрытые варианты реализации изобретения имеют скорее иллюстративный, а не ограничивающий характер, и что в приведенном выше описании рассматривается широкий диапазон вариаций, модификаций, изменений и замещений, а в некоторых случаях некоторые характерные признаки могут использоваться без соответствующего использования других характерных признаков. Многие такие вариации и модификации могут быть сочтены желательными специалистом в данной области техники на основании обзора предшествующего описания вариантов реализации изобретения. Соответственно, приемлемо, чтобы прилагаемая формула изобретения была истолкована в широком смысле и в соответствии с объемом данного изобретения.