СИСТЕМА БУРОВОЙ УСТАНОВКИ С САМОПОДЪЕМНЫМ БУРОВЫМ ПОЛОМ
SYSTEM OF DRILLING RIG WITH SELF-LIFTING DRILL FLOOR

Настоящее изобретение относится, в общем, к системам буровой установки для бурения скважин, таких как нефтяные и газовые скважины. В частности, изобретение относится к системам буровой установки, которую можно легко транспортировать, быстро монтировать и быстро демонтировать, и дополнительно относится к способам монтажа таких систем буровой установки.
Скважины для добычи углеводородов или минерального сырья из подземного пласта обычно бурят с помощью бурового долота, соединенного с нижним концом компоновки из звеньев бурильных труб, соединенных в непрерывную цепь (обычно называемую "бурильной колонной"), и вращения бурильной колонны для продвижения бурового долота вглубь земли для создания требуемого ствола скважины. Бурильная колонна обычно вращается с помощью "ротора" или "верхнего привода", связанного с буровой установкой, смонтированной на поверхности земли над стволом скважины.
Основные компоненты обычной буровой установки включают в себя подвышечное основание, буровой пол и вышку (также называемую дерриком), опирающуюся на буровой пол и поднимающуюся вверх от него. Буровой пол, в общем, поднимают достаточно высоко над поверхностью земли для создания пространства для размещения различного оборудования, требуемого для буровых работ, и обеспечения доступа к нему. Устройство из блоков (шкивов), называемое кронблоком, смонтировано сверху вышки буровой установки. Грузоподъемное устройство, называемое буровой лебедкой, содержащее барабан канатного троса, канатную лебедку и вспомогательное оборудование, оборудуется связанным с буровым полом. Стальной проволочный талевый канат подается с барабана талевого каната вверх на кронблок и запасовывается на различные шкивы в кронблоке и затем вниз в "талевый блок", который является блоком шкивов, которому обеспечена возможность перемещения вертикально в конструкции вышки при вытравливании или выбирании стального проволочного талевого каната ("бурового каната") канатной лебедкой и барабаном буровой лебедки. Талевый блок имеет грузовой крюк для подвески оборудования, используемого для подъема и спуска бурильной колонны, и для наращивания трубных звеньев во время сборки бурильной колонны (или "скрепления") и удаления трубных звеньев во время разборки бурильной колонны ("раскрепления"). Для буровых работ с использованием верхнего привода вместо ротора для вращения бурильной колонны на крюк талевого блока подвешивают верхний привод.
Для оптимальной производительности и экономичности в работах бурения скважин требуются буровые установки высокой транспортабельности, быстрого монтажа и быстрого демонтажа для транспортировки на новые буровые площадки. Соответственно, транспортабельность компонентов буровой установки и скорость, с которой компоненты можно собирать с минимальным количеством вспомогательного оборудования, являются условиями первостепенной важности. Обычные типы транспортабельных буровых установок могут требовать вспомогательного монтажного оборудования для осуществления монтажа и демонтажа крупногабаритных компонентов, таких как основание, буровой пол и трубный подсвечник, что увеличивает стоимость мобилизации и демобилизации буровой установки и эксплуатационные расходы.
В известной технике имеется множество типов транспортабельных буровых установок. Общим признаком известных транспортабельных буровых установок является так называемая "самоподращиваемая вышка". Нижняя секция вышки, имеющая большой нижний проем на одной стороне, устанавливается на буровой пол с использованием автокрана. Затем кран опускает верхнюю секцию комплектной вышки (с кронблоком) на нижнюю секцию вышки, и верхняя секция вышки временно крепится штифтами к нижней секции вышки. Затем кран устанавливает промежуточную секцию вышки через проем в нижней секции вышки так, что верхний конец промежуточной секции вышки может надежно соединяться с нижним концом верхней секции вышки. Талевый блок затем спускают для соединения с и несения промежуточной секции, верхнюю секцию вышки открепляют от нижней секции вышки, буровую лебедку приводят в действие для подъема верхней и промежуточной секций вышки на расстояние, соответствующее высоте промежуточной секции вышки, и затем частично собранный вышечный блок (т.е. верхняя секция плюс одна промежуточная секция) временно крепится штифтами к стационарной нижней секции вышки. Данный процесс затем повторяется для установки дополнительных промежуточных секций вышки до достижения вышкой проектной высоты, после чего самая нижняя промежуточная секция вышки крепится к нижней секции вышки так, что буровая установка становится готовой к вводу в эксплуатацию. Буровые площадки часто располагаются в удаленных местах, что требует перевозки автотранспортом компонентов буровой установки и оборудования, требуемого для сборки буровой установки (или "монтажа"). Дополнительно усложняет процесс монтажа обычная потребность передислокации буровой установки на более перспективную площадку после того, как ствол скважины пробурен и определено, что скважина не обладает достаточной продуктивностью для оправдания затрат на заканчивание и эксплуатацию скважины. Смена буровой площадки может проходить каждые несколько месяцев, и, соответственно, системы буровых установок известной техники строят с увеличенной мобильностью компонентов буровой установки и производительностью монтажа и демонтажа буровой установки для минимизации связанных с этим затрат. Вместе с тем, вспомогательное оборудование остается необходимым для выполнения этапов, таких как установка бурового пола.
Поскольку переменные затраты, связанные с взятым в аренду вспомогательным оборудованием, таким как краны и т.п., рассчитывают по часовой или дневной ставке, ускорение работ по демонтажу, транспортировке и монтажу буровой установки является критичным для минимизации затрат на аренду оборудования. В общем, время демонтажа и монтажа буровой установки измеряется днями, и весьма значительные затраты труда, затраты на оборудование можно нести в части работ по демонтажу и монтажу. Различные буровые установки известной техники выполняют обеспечивающими быстрый демонтаж, монтаж и транспортировку, но им все равно требуется вспомогательное оборудование, такое как не входящие в состав буровой краны и лебедки, которые чаще всего требуется арендовать, что увеличивает общие затраты на демонтаж и монтаж буровой установки, особенно для удаленных буровых площадок.
Одним подходом для уменьшения времени и затрат на мобилизацию буровой установки является подъем бурового пола на проектную рабочую отметку после монтажа вышки. Результатом является экономия вследствие того, что вышку можно монтировать, когда буровой пол находится вблизи уровня грунта, а не в конечном положении в 20 футах (610 см) или больше над землей. Кранам и другому оборудованию для манипуляций и установки различных компонентов бурового пола и вышки не требуется большой досягаемости по высоте, и рабочие имеют лучший доступ к буровому полу в процессе монтажа.
Пример транспортабельной буровой установки с буровым полом, который можно поднимать после монтажа вышки, можно увидеть в материале U.S. Patent Application No. 12/492,980 (Wasterval), Pub. No. US 2012/0326734 A1. В материале Wasterval предложена конструкция бурового пола над конструкцией основания, которая снабжена гидравлическими цилиндрами для подъема бурового пола над конструкцией основания. После подъема бурового пола на величину хода гидравлических цилиндров первый набор коробчатых балок устанавливается между буровым полом и конструкцией основания, и коробчатые балки крепятся к буровому полу. Штоки подъемных цилиндров на конструкции основания можно затем втягивать для соединения с такелажными узлами на коробчатых балках. Подъемные цилиндры затем вновь приводятся в действие, теперь для подъема как бурового пола, так и первых коробчатых балок, скрепленных с ним. Указанное обеспечивает вставление второго набора коробчатых балок между конструкцией основания и первым набором коробчатых балок, таким образом буровой пол дополнительно поднимается на следующую отметку. Данный процесс повторяется нужное число раз с установкой дополнительных наборов коробчатых балок до достижения буровым полом нужной отметки.
Система Wasterval, таким образом, обеспечивает монтаж или строительство бурового пола вблизи отметки грунта с последующим монтажом вышки на буровом полу, после чего буровой пол (со смонтированной вышкой) можно поднимать на требуемую отметку. Вместе с тем, данная система имеет врожденный недостаток, поскольку подъем бурового пола должен выполняться поэтапно и этапы являются сравнительно сложными и, соответственно, затратными по времени. Кроме того, система Wasterval требует создания громоздкой гидравлической системы, которая может не использоваться для других целей во время монтажа и, таким образом, увеличивает затраты на монтаж. Также, система Wasterval требует использования автокранов или другого вспомогательного грузоподъемного оборудования для манипуляций и установки коробчатых балок, что дополнительно увеличивает затраты на монтаж.
По указанным выше причинам существует необходимость создания улучшенной транспортабельной буровой установки, которую можно быстро монтировать и демонтировать, с минимальной потребностью во вспомогательном оборудовании. В частности, существует необходимость создания улучшенной транспортабельной буровой установки, в которой буровой пол можно поднимать на нужную отметку после монтажа вышки, но не требующей гидравлики или вспомогательного грузоподъемного оборудования.
Частные и предпочтительные аспекты настоящего изобретения представлены в сопроводительных независимых и зависимых пунктах формулы изобретения.
В общем, настоящим изобретением предложено устройство транспортабельной буровой установки, имеющей буровой пол, который может подниматься после монтажа вышки буровой установки, не требующее гидравлической системы или вспомогательного грузоподъемного оборудования. Талевый блок буровой установки и буровая лебедка используются для подъема бурового пола.
Устройство буровой установки включает в себя конструкцию основания буровой установки, содержащую несколько опор башенного типа, которые можно устанавливать с разносом относительно друг друга в подходящей схеме на буровой площадке. В одном варианте осуществления имеется четыре опоры основания башенного типа, расположенные по схеме квадрата или прямоугольника, но в других вариантах осуществления можно использовать больше четырех опор башенного типа и всего три и, возможно, в отличающихся (т.е. не прямоугольных) схемах. В общем, горизонтальная рама основания устанавливается между нижними частями опор башенного типа, таким образом, связывая опоры башенного типа вместе для образования жесткой и устойчивой конструкции основания буровой установки. Опоры башенного типа можно оборудовать механизмами регулирования высоты (например, гидравлическими домкратами) для осуществления выравнивания конструкции основания на неровной поверхности грунта. Также, опоры башенного типа можно, если необходимо, оборудовать механизмами "передвижения", с помощью которых можно регулировать боковое положение опор перед установкой горизонтальной рамы основания. Механизмы передвижения можно соединять для совместной работы для обеспечения бокового перемещения всей конструкции основания буровой установки.
Буровой пол можно затем монтировать на горизонтальной раме конструкции основания буровой установки. Буровой пол может содержать несколько секций плит, скрепляемых друг с другом после установки на раму основания для образования интегральной конструкции бурового пола. Если необходимо, горизонтальную раму основания можно предпочтительно установить на высоте над грунтом, соответствующей уровню платформы грузовика или полуприцепа, таким образом, упрощая разгрузку секций бурового пола сдвигом горизонтально с платформы на раму основания. Буровой пол стыкуется с опорами башенного типа с помощью подходящего направляющего средства, так что буровой пол можно равномерно поднимать относительно опор башенного типа, при этом опоры башенного типа, обеспечивают поперечную устойчивость бурового пола на всех этапах подъема пола. После подъема бурового пола на требуемую отметку его крепят к опорам башенного типа любым подходящим средством, таким как, но без ограничения этим, гидравлические фиксаторы.
В предпочтительном варианте осуществления буровой пол поднимают с использованием только талевого блока буровой установки и буровой лебедки. Для обеспечения данного режима работы блоки шкивов установлены в буровом полу, под ним и смежно с каждой опорой башенного типа. Каждая опора башенного типа имеет трос подъема пола, скрепленный с верхней частью опоры башенного типа и запасованный в соответствующий блок шкивов, связанный с буровым полом, так что свободные (т.е. не закрепленные) концы троса подъема пола выводят к центральной зоне бурового пола. После монтажа вышки буровой установки с использованием талевого блока и буровой лебедки свободные концы всех тросов подъема пола можно зацепить за крюк талевого блока. Буровую лебедку можно затем привести в действие для подъема бурового пола в одной непрерывной операции.
Варианты осуществления настоящего изобретения описаны ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, где одинаковые позиции соответствуют одинаковым частям и на которых показано следующее:
на ФИГ. 1 показана разгрузка опор основания башенного типа с автотранспорта и установка опор башенного типа на буровой площадке;
на ФИГ. 2 показана горизонтальная рама основания, соединяющая между собой опоры башенного типа буровой установки;
на ФИГ. 3A показан первый вид сбоку варианта осуществления системы буровой установки согласно настоящему изобретению, где буровой пол установлен на горизонтальной раме основания, и вышка буровой установки на раннем этапе монтажа расположена над буровым полом;
на ФИГ. 3B - второй вид сбоку компоновки ФИГ. 3A;
на ФИГ. 4A показан первый вид сбоку, аналогичный ФИГ. 3A, после завершения монтажа вышки буровой установки, с тросами подъема пола, зацепленными за крюк талевого блока при подготовке к подъему бурового пола;
на ФИГ. 4B - второй вид сбоку компоновки ФИГ. 4A;
на ФИГ. 5A показан первый вид сбоку, аналогичный ФИГ. 4A после подъема бурового пола и с буровой установкой, готовой к вводу в эксплуатацию;
на ФИГ. 5B показан второй вид сбоку компоновки ФИГ. 5A;
на ФИГ. 6 показан план с сечением, проходящим через опоры основания башенного типа одного варианта осуществления системы буровой установки, и схемой бурового пола согласно настоящему изобретению до подъема бурового пола.
На ФИГ. 1-5B поступательно показаны этапы сборки одного варианта осуществления транспортабельной буровой установки согласно настоящему изобретению. На ФИГ. 1 и 2 показана доставка и установка нескольких опор 10 башенного типа на буровой площадке. Предпочтительно (но не обязательно) опоры 10 башенного типа должны снабжаться средством 12 выставления для регулировки их высоты, поперечного положения и вертикального выставления. Специалисты в данной области техники должны знать, что такое средство можно оборудовать по-разному с использованием известных методик, и такое средство не составляет компонентов самых широких вариантов осуществления буровых установок данного изобретения.
После установки требуемого числа опор 10 башенного типа в требуемое положение относительно центральной осевой линии CLw ствола скважины, подлежащего бурению с использованием строящейся буровой установки, рама 20 основания монтируется или устанавливается, как показано на ФИГ. 2, соединяя между собой опоры 10 основания башенного типа. Рама 20 основания может иметь любую подходящую схему и конструктивную конфигурацию. Конструкцию также можно собирать на расстоянии от скважины и затем "надвигать" в положение бурения, если оборудовать конструкцию средством перемещения.
Как показано на ФИГ. 3, буровой пол 30 монтируется на раме 20 основания с временным опиранием на нее, после этого конструкцию вышки 100 буровой установки можно монтировать на буровом полу 30. Детали конструкции вышки буровой установки и способы ее монтажа не являются релевантными для задачи, решаемой изобретением. Для иллюстрации, вместе с тем, вышка 100 буровой установки показана как самоподращиваемая вышка, относящаяся к типу, описанному выше в данном документе, содержащая:
- нижнюю секцию 110 вышки с опорами 112 и 114, закрепленными на нижних концах 112L и 114L соответствующими креплениями 112X и 114X на буровом полу 30;
- верхнюю секцию 120 вышки, оборудованную кронблоком 122 и талевым блоком 124 (описано выше);
- одну или несколько промежуточных секций 130 вышки, приспособленных для соединения с верхней секцией 120 вышки и смежными секциями 130 вышки (описано выше).
Как показано на ФИГ. 3A и более подробно на плане ФИГ. 6, буровой пол 30 оборудован подходящей буровой лебедкой (в общем, указана позицией 40), включающей в себя барабан 42 талевого каната, который несет проволочный канат, используемый в качестве бурового каната, проходящего вверх через кронблок 122 и вниз в талевый блок 124, как описано выше. В варианте осуществления, показанном на ФИГ. 6, система буровой установки включает в себя четыре опоры 10 основания башенного типа, размещенные в плане по углам прямоугольника. Буровой пол 30 выполнен, в общем, в форме креста, со смежными "поперечинами" креста, проходящими вблизи соответствующей опоры 10 основания башенного типа. Позициями 35 обозначены направляющие бурового пола и средства крепления для осуществления стабильного и равномерного вертикального перемещения бурового пола 30 относительно опор 10 основания башенного типа во время подъема бурового пола и для закрепления бурового пола 30 на опорах 10 основания башенного типа после подъема бурового пола 30 в рабочее положение для бурения. Указанные для удобства одной позицией 35 направляющие бурового пола и средства закрепления бурового пола могут представлять собой отдельные и независимые механизмы.
Местоположение и общая конфигурация буровой лебедки (включающей в себя барабан 42 талевого каната) указаны позицией 40; в показанном варианте осуществления буровая лебедка 40, по меньшей мере, частично установлена на консольной секции бурового пола 30. В показанном варианте осуществления буровой пол 30 включает в себя ротор 135 для вращения бурильной колонны. Кабина управления бурильщика указана позицией 44. Буровой пол 30 может иметь один или несколько консольных мостков 31 для работы персонала.
W
На буровом полу 30 (и, в общем, под ним) смонтировано несколько блоков шкивов для использования при подъеме бурового пола 30. Для ясности в данном патентном документе шкивы, используемые для данной конкретной цели, именуются шкивами бурового пола. Один пример устройства шкива бурового пола показан на Фиг. 3A-5B и более подробно на ФИГ. 6. В данном являющемся примером устройстве наружный шкив 32A бурового пола и внутренний шкив 32B бурового пола создаются связанными с каждой опорой 10 основания башенного типа, при этом оси вращения внутренних и наружных шкивов 32A и 32B бурового пола параллельны и проходят поперек радиальной линии, проходящей от соответствующей им опоры 10 основания башенного типа к центральной осевой линии CL. Хотя шкивы 32A и 32B бурового пола в показанном варианте осуществления фактически установлены ниже или в конструкции бурового пола 30, они показаны толстым наружным контуром на ФИГ. 6 для ясности.
В показанном варианте осуществления имеется комплект шкивов бурового пола для каждой опоры 10 основания башенного типа, но указанное не существенно. Альтернативные варианты осуществления могут иметь одну или несколько опор 10 основания башенного типа, которые не имеют соответствующих блоков шкивов бурового пола. Кроме того, хотя в показаном варианте осуществления каждый блок шкивов бурового пола включает в себя пару шкивов бурового пола, в альтернативных вариантах осуществления можно использовать блоки шкивов бурового пола, содержащие больше двух шкивов бурового пола или возможно только один шкив бурового пола.
На Фиг. 3A и 3B верхняя секция 120 вышки установлена и скреплена штифтами с нижней секцией 110 вышки, и первая промежуточная секция 130 вышки установлена в нижней секции 110 вышки и соединена с верхней секцией 120 вышки. Как ясно видно на ФИГ. 3B, тросы 135 подъема вышки, закрепленные в верхних зонах нижней секции 110 вышки, проходят вокруг шкивов 132 на нижнем конце промежуточной секции 130 вышки, установленной в нижнюю секцию 110 вышки, и вверх для зацепления за талевый блок 124. Буровую лебедку 40 затем приводят в действие для подъема талевого блока 124 и подъема компоновки верхней секции 120 вышки и промежуточной секции 130 вышки до подъема нижнего конца промежуточной секции 130 вышки на уровень, достаточный для обеспечения установки другой промежуточной секции 130 вышки в нижнюю секцию 110 вышки, и так далее до создания вышки буровой установки 100 конечной проектной высоты, как показано на Фиг. 4A и 4B.
На данном этапе тросы 135 подъема вышки отцепляются от талевого блока 124. Тросы 33 подъема пола, число которых соответствует числу блоков шкивов бурового пола, запасовываются от точек 33X крепления в верхних зонах соответствующих опор 10 основания башенного типа, вокруг шкивов 32A и 32B бурового пола и затем вверх для зацепления талевым блоком 124, все как показано на Фиг. 4A и 4B. Буровая лебедка 40 затем приводится в действие для подъема талевого блока 124 и, при этом, подъема бурового пола 30 на проектную рабочую отметку, как показано на Фиг. 5A и 5B. Буровой пол 30 затем крепится к опорам 10 основания башенного типа подходящим средством 35 крепления (не ограничивающим примером которого могут являться гидравлические фиксаторы).
Хотя буровая лебедка и талевый блок используются для подъема бурового пола 30 для вариантов осуществления, показанных в данном документе и описанных выше, в альтернативных вариантах осуществления систем буровой установки согласно настоящему изобретению можно использовать различные средства подъема бурового пола 30. В качестве не ограничивающего примера, можно использовать червячную передачу для подъема бурового пола 30 с направляющими роликами и зубчатыми рейками, встроенными в опоры 10 основания башенного типа на каждом углу бурового пола 30. Механизм червячной передачи может иметь любой подходящий привод, такой как с гидравлическими или электрическими двигателями. В одном альтернативном варианте осуществления привод с червячной передачей может создаваться как вспомогательный или резервный для основного тросового механизма подъема пола.
Специалисту в данной области техники должно быть ясно, что различные модификации вариантов осуществления согласно настоящему изобретению можно выполнять без отхода от его объема и сущности, в том числе модификации, в которых могут использоваться эквивалентные конструкции или материалы, принятые или разработанные. В частности, должно быть понятно, что объем настоящего изобретения не ограничен описанными или показанными вариантами осуществления и что замена заявленных в вариантах элементов или признаков, не дающих существенного изменения функциональности, не является отходом от объема изобретения.
В данном патентном документе, любую форму слова "содержать" следует понимать в неограничивающем смысле, как включающее любую позицию, следующую за таким словом, но не исключающую конкретно не упомянутую. Прибавление к элементу неопределенного артикля "а" не исключает возможности наличия нескольких элементов, если контекст ясно не требует наличия одного и только одного такого элемента.
Относительные термины, такие как "параллельный" и "горизонтальный", в общем, не показывают или не требуют абсолютной математической или геометрической точности. Соответственно, такие термины следует понимать не в точном смысле (например, как "в общем, параллельный" или "по существу параллельный"), если контекст ясно не требует иного.
При использовании в данном документе, термины "типичный" и "в общем" следует интерпретировать в смысле обычного практического использования и не понимать как указывающие на неизменность или необходимость.