МАНИПУЛЯТОР ИНЖЕКТОРА ГИБКИХ ТРУБ
MANIPULATOR OF INJECTOR OF FLEXIBLE PIPES

Область техники
[0001] Изобретение, в общем, относится к манипулированию инжекторами гибких труб на буровых площадках.
Уровень техники
[0002] Колонну гибких труб обычно используют для множества нефтепромысловых сервисных услуг и операций. Ее могут вводить и выводить из ствола скважины на высокой скорости по сравнению с прямой составной трубой и, в отличие от каротажной проволоки, ее могут вталкивать в ствол скважины. Ее могут использовать с особенным преимуществом в сильноотклоненных стволах скважины, применяемых в бурении с увеличенным отклонением от оси скважины. Колонна гибких труб относится к непрерывной колонне стальной трубы, непрерывно фрезеруемой и наматываемой на большой наматывающий барабан для транспортировки и манипулирования. Ее могут использовать, например, для бурения, однако, чаще ее используют после бурения скважины для операций, связанных с каротажем, очисткой, гидравлическим разрывом, цементированием, ловильной работой, заканчиванием и добычей.
[0003] Колонну гибких труб вводят и выводят из стволов скважины с использованием устройств, именуемых инжекторами гибких труб. Название «инжектор гибких труб» происходит от того, что в существующих стволах скважины может требоваться проталкивание или «инжектирование» трубного элемента в скважину через скользящее уплотнение для преодоления давления текучей среды внутри скважины до тех пор, пока масса трубного элемента в скважине не преодолеет силу, образуемую давлением, воздействующим на площадь поперечного сечения трубы.
Однако после преодоления давления массой трубного элемента инжектор должен удерживать трубный элемент.
[0004] Существует несколько различных типов и конфигураций инжекторов гибких труб, выполненных с возможностью манипулирования колонной гибких труб, используемых в нефтепромысловых операциях. Большинство инжекторов гибких труб содержат головку, содержащую две непрерывные цепи, каждая из которых установлена на наборах цепных колес, расположенных на расстоянии друг от друга таким образом, что между цепными колесами проходит увеличенная длина цепи. Один или более двигателей приводят в действие или крутят цепи. Обычно двигатели являются гидравлическими, хотя могут быть использованы и другие типы двигателей. Каждый двигатель соединен с одним или большим количеством цепных колес. Цепи расположены таким образом, что колонна гибких труб, входящая в инжектор, удерживается между цепями посредством захватных элементов, установленных на каждой из цепей. Захватные элементы прижимаются к наружному диаметру трубного элемента, таким образом образуя силу трения, параллельную оси трубного элемента. Сила трения непосредственно относится к перпендикулярно направленной силе, прикладываемой захватными элементами.
[0005] Инжектор гибких труб, барабан колонны гибких труб, кабина управления и оборудование для управления инжектором обычно транспортируют к буровому участку в качестве одной установки -«установки с гибкими трубами» (coiled tubing unit, CTU). Как правило, установку с гибкими трубами транспортируют к буровому участку для осуществления технологических работ в скважине различных типов, обычно в виде компонентов, установленных на грузовое транспортное средство, трейлер или несколько трейлеров, в зависимости от конфигурации установки. Водоотделительная колонна изготовлена из одного или нескольких участков прямой трубы, проходящей от противовыбросных превенторов до устья скважины. Водоотделительная колонна содержит протяженные жесткие приспособления, присоединенные к концу колонны гибких труб перед опусканием в ствол скважины. Соединения между этими компонентами должны содержать фланцы с креплением на болтах при давлениях, превышающих 10,000 фунтов на кв. дюйм (PSI) (приблизительно 89 МПа). При более низких давлениях соединения между компонентами могут быть образованы муфтовыми соединениями. Инжектор гибких труб соединен с водоотделительной колонной посредством отпарной колонны, через которую проталкивают или вытягивают колонну гибких труб. Вследствие отсутствия вышки или платформы подвижный кран обычно транспортируют к площадке для способствования удержанию инжектора гибких труб на достаточной высоте для его присоединения к вершине узла противовыбросного превентора (ВОР). Кран также используют для удержания веса инжектора гибких труб и узла противовыбросного превентора (ВОР), а также для противодействия моменту изгиба на устье скважины, обусловленного натяжением, прикладываемым барабаном к колонне гибких труб. Однако для этих целей также может быть установлена временная конструкция над устьем скважины. Подъемная вышка самоходной буровой установки, как описанная в патенте США №7077209, также может быть использована.
Раскрытие изобретения
[0006] Изобретение относится к одному или большему количеству аспектов транспортируемого манипулятора для расположения инжектора гибких труб сверху на узле противовыбросного превентора (ВОР) для соединения с устьем нефтяной или газовой скважины и его поддержки во время соединения с устьем скважины, например во время технологических операций или ремонта.
Краткое описание чертежей
[0007] На фиг. 1 представлен перспективный вид установки с гибкими трубами с манипулятором колонны гибких труб в транспортировочном или убранном положении.
[0008] На фиг. 2 представлен вид сбоку установки с гибкими трубами на фиг. 1.
[0009] На фиг. 3 представлен перспективный вид установки с гибкими трубами на фиг. 1 с выдвинутым манипулятором и узлом противовыбросного превентора, присоединенным к инжектору гибких труб.
[0010] На фиг. 4 представлен вид сбоку установки с гибкими трубами на фиг. 3 с манипулятором, переместившим инжектор гибких труб и узел противовыбросного превентора (ВОР) над устьем скважины.
[0011] На фиг. 5 представлен перспективный вид платформы манипулятора на фиг. 1-4.
Осуществление изобретения
[0012] В следующем описании одинаковые элементы обозначены одинаковыми ссылочными позициями.
[0013] Приведенный в качестве примера вариант реализации манипулятора для инжектора гибких труб, осуществляющий или реализующий различные аспекты изобретения, содержит соединительное устройство и платформу, поддерживающую инжектор гибких труб. Этот приведенный в качестве примера вариант реализации обеспечивает возможность поддержки и манипулирования инжектором гибких труб с всегда «наращенным» трубным элементом, то есть с трубным элементом от узла намотки колонны труб, проходящим над направляющей трубного элемента в верхнюю часть инжектора гибких труб, готовым к эксплуатации. Соединительное устройство содержит по меньшей мере два жестких соединителя, шарнирно соединенных для поднимания опорной платформы и инжектора гибких труб из убранного положения над устьем скважины. Каждый жесткий соединитель соединительного устройства в приведенном в качестве примера варианте реализации, изображенном на чертежах, содержит набор расположенных на расстоянии друг от друга параллельных кронштейнов, между которыми расположены опорная платформа и инжектор гибких труб. Опорная платформа соединена с соединительным устройством таким способом, чтобы обеспечивать возможность наклона или поворота ее и инжектора гибких труб вокруг горизонтальной оси, параллельной направлению, в котором соединительное устройство перемещает опорную платформу. Поворот платформы обеспечивает возможность наклона инжектора, соединенного с ней, для транспортировки, таким образом понижая ее профиль так, что ее общая высота над дорогой позволяет перевозить ее к месту назначения транспортировки манипулятора. Соединение платформы с соединительным устройством также обеспечивает возможность поворота опорной платформы во время выдвижения соединительного устройства таким образом, чтобы оставлять ее, в общем, вертикальную ориентацию после ее переведения из транспортировочного положения в положение, в котором она подлежит присоединению к узлу противовыбросного превентора (ВОР) на устье скважины.
[0014] В приведенном в качестве примера варианте реализации инжектор гибких труб установлен на опору, выполненную с возможностью перемещения в поперечном или перпендикулярном направлении на платформе, в направлении, в общем, перпендикулярном направлению, в котором соединительное устройство поднимает и выдвигает опорную платформу. Поперечное перемещение способствует более точному расположению инжектора и оборудования управления давлением, соединенным с ним, на устье скважины. Жесткими соединителями, образующими соединительное устройство, можно манипулировать таким образом, что может обеспечиваться возможность поднимания и опускания инжектора гибких труб и оборудования управления давлением, а также перемещение по направлению к основе, такой как трейлер, на которой установлен манипулятор, и от нее для точного расположения над устьем скважины. После регулирования жестких соединителей для поддержания инжектора точно над устьем скважины опора инжектора на платформе может быть перемещена вверх и вниз относительно платформы, обеспечивая возможность вертикального перемещения инжектора гибких труб относительно платформы без изменения положения опорных кронштейнов. Опора инжектора на платформе обеспечивает возможность точного управления для способствования установке инжектора гибких труб и оборудования управления давлением на соединение на шпильках, обычно присутствующее на устье скважины. Выдвижные элементы, представляющие собой гидравлические цилиндры в изображенном варианте реализации, используют для перемещения или поворота соединителей соединительного устройства. Необязательный промежуточный кронштейн между двумя жесткими соединителями обеспечивает возможность использования двух более коротких гидравлических цилиндров вместо одного длинного гидравлического цилиндра. Более короткие выдвижные элементы имеют меньшую вероятность коробления, чем более длинные элементы, таким образом обеспечивая большую грузоподъемность манипулятора.
[00015] На фиг. 1-5 изображен один пример транспортируемой установки с гибкими трубами, содержащей манипулятор 10, инжектор 12 гибких труб, барабан 14 колонны 16 гибких труб. Данный пример приведен для обобщенного изображения установок с гибкими трубами, а изображенный манипулятор является типичным примером варианта реализации манипулятора, описанного ранее. В этом примере установка установлена на трейлере 18 с колесами 20 для транспортировки к буровой площадке. Следует отметить, что узел 12 инжектора гибких труб, изображенный на чертежах, по существу, представляет собой раму, в которой установлена непоказанная головка инжектора гибких труб. Рама является обобщенным примером узлов инжектора гибких труб. Типичные примеры инжекторов гибких труб могут быть найдены в патентах США №6,059,029 и 8,544,536, каждый из которых включен в настоящее описание для всех целей посредством ссылки. Узел 12 инжектора гибких труб содержит закругленное колено трубопровода или изогнутый держатель 13 трубного элемента для перемещения колонны гибких труб от барабана в верхнюю часть инжектора во время его использования. Изогнутый держатель 13 трубного элемента предотвращает чрезмерный изгиб или скручивание гибкого трубного элемента, таким образом обеспечивая возможность приложения барабаном 14 натяжения к трубному элементу 16 без повреждения трубного элемента. Установка с гибкими трубами может также быть установлена на платформу грузового транспортного средства, на устройство для перемещения груза или на некоторый другой тип транспортного средства для транспортировки к буровой площадке. Установка содержит все оборудование, необходимое для управления манипулятором и инжектором гибких труб, включая гидравлический агрегат (не показан), контуры управления гидросистемы (не показаны) и органы управления для предоставления оператору возможности управления манипулятором и эксплуатации инжектора гибких труб. Может быть обеспечена кабина 21 оператора, показанная только на фиг. 2 и 4, для человека, управляющего манипулятором и инжектором гибких труб. Устройства управляющего воздействия и устройства отображения состояния расположены в кабине оператора.
[0016] Буксировочный тягач, не показан, используют для буксирования трейлера к буровому участку, близко к устью скважины. Типичный пример устья 23 скважины изображен на фиг. 4. Манипулятор 10 изображен в убранном или транспортировочном положении на фиг. 1 и 2. Он изображен в выдвинутых положениях на фиг. 3 и 4. В транспортировочном положении инжектор 12 гибких труб расположен под углом. Изогнутая направляющая 13 трубного элемента предотвращает полностью ровное расположение инжектора. Общая высота инжектора при измерении от земли в этом частном примере приблизительно равняется высоте манипулятора 10 при его нахождении в убранном положении. Это обеспечивает возможность его транспортировки по автомобильным дорогам общего пользования и он имеет достаточно небольшую высоту для прохождения под мостами.
[0017] В этом примере трейлер 18 содержит набор выносных опор 22а и 22b для стабилизации трейлера при маневрировании инжектора гибких труб. Выносные опоры изображены развернутыми на фиг. 3. Выносные опоры также могут быть использованы для наклона трейлера в поперечном направлении. Трейлер выполняет функцию основы для манипулятора. Наклон трейлера вокруг своей центральной оси посредством выносных опор обеспечивает возможность наклона манипулятора 10 для его выравнивания с устьем скважины, которая может быть неидеально вертикальной. Хотя это не изображено на фиг. 1 или 3, трейлер 12 обычно содержит кабину 21 оператора.
[0018] Манипулятор 10 содержит соединительное устройство, в общем, обозначенное ссылочной позицией 24 на фиг. 3 и 4. Соединительное устройство в этом примере содержит два жестких соединителя, последовательно соединенных с трейлером, выполняющим функцию основы; ближний конец первого жесткого соединителя соединен с основой с возможностью поворота; а дальний конец первого жесткого соединителя соединен с ближним концом второго жесткого соединителя с возможностью поворота. В этом варианте реализации каждый из соединителей содержит пару параллельных, расположенных на расстоянии друг от друга кронштейнов, причем каждый представляет собой стальную балку.
[0019] Первый жесткий соединитель, содержащий кронштейны 26а и 26b, имеет ближний конец, шарнирно соединенный с основой, представляющей собой платформу 28 трейлера 12 в этом примере, посредством соединительных элементов 30а и 30b, по одному для каждого кронштейна. Поперечные элементы 32 соединяют два кронштейна рядом с их ближним концом, а поперечный элемент 34 соединяет их рядом с их дальним концом, таким образом создавая жесткую раму в форме короба или квадрата, содержащую первое соединение.
[0020] Второй жесткий соединитель содержит кронштейны 36а и 36b. Каждый из этих кронштейнов соединен с кронштейнами 26а и 26b соответственно через соединительные элементы 38а и 38b. Кронштейны удержаны параллельно посредством соединительных элементов и посредством поперечных элементов 40. Кронштейны 36а и 36b не являются прямыми, как показано на чертежах. Каждый изогнут рядом с опорной платформой 42 колонны гибких труб. Изгиб в соединителе обеспечивает возможность свертывания или складывания манипулятора с установленным на нем инжектором гибких труб в более компактную конструкцию при нахождении в транспортировочном положении. Кронштейны 36а и 36b и инжектор 12 гибких труб выполнены с возможностью установки в положение с меньшей общей высотой при измерении от платформы 28 трейлера 18 при нахождении манипулятора в транспортировочном или убранном положении, как показано на фиг. 1 и 2. В этом примере высота манипулятора и, в частности, кронштейнов 36а и 36b приблизительно равняется высоте (незначительно выше для защиты инжектора гибких труб) узла инжектора гибких труб при его наклоне в убранное положение, в котором она почти касается платформы 28 трейлера.
[0021] Первый жесткий соединитель поворачивают относительно платформы 28 трейлера между сложенным или транспортировочным положением, изображенным на фиг. 1 и 2, и вертикальным положением, изображенным на фиг. 3 и 4, посредством выдвигающего средства, содержащего два выдвижных элемента, выполненных в форме гидравлических цилиндров 44а и 44b. Гидравлические цилиндры 44а и 44b шарнирно присоединены к платформе 28 трейлера и дальнему концу каждого кронштейна 26а и 26b соответственно. Альтернативно может быть использован один выдвижной элемент.
[0022] Для поворота второго жесткого соединителя относительно первого жесткого соединителя используют второе выдвигающее средство. В этом примере второе выдвигающее средство содержит несколько или множество выдвижных элементов и по меньшей мере одну среднюю балку или кронштейн. Средние кронштейны 46а и 46b шарнирно соединены с соединительными элементами 38а и 38b соответственно и выполнены с возможностью поворота или вращения вокруг одной оси с каждым из кронштейнов 36а и 36b второго соединения. Альтернативно каждый из средних кронштейнов может быть шарнирно соединен с первым соединением в другой точке, дальше от дальнего конца каждого из кронштейнов 26а и 26b первого соединения. Синхронное выдвижение или убирание гидравлических цилиндров 48а и 48b обеспечивает поворот средних кронштейнов относительно кронштейнов 26а и 26b. Каждый из гидравлических цилиндров 50а и 50b соединен между одним из средних кронштейнов 46а и 46b (ближе к своему дальнему концу, чем место соединения гидравлического цилиндра 48а или 48b) и кронштейнами 36а и 36b соответственно второго соединения ближе к их дальнему концу, на месте изгиба кронштейнов. Гидравлические цилиндры 50а и 50b функционируют синхронно для поворота кронштейнов 36а и 36b относительно среднего кронштейна 4ба и 46b (и, следовательно, также относительно кронштейнов 26а и 26b первого соединения). При использовании среднего кронштейна и выдвижного элемента на каждой стороне среднего кронштейна могут быть использованы более короткие выдвижные элементы. Более короткие выдвижные элементы менее подвержены короблению, чем более длинные выдвижные элементы.
[0023] Вместо гидравлического цилиндра или в дополнение к нему каждый выдвижной элемент, упомянутый в настоящем описании, может содержать линейный привод, включая телескопический линейный привод с одним или большим количеством телескопических участков, выполненный с возможностью переноса грузов и имеющий требуемую длину хода или длину перемещения. Возможные альтернативы включают другие типы гидравлических линейных приводов, а также пневматические приводы и механические приводы (такие как различные типы винтов, реечно-шестеренчатых подъемников, цепей, ремней и т.п.), включая приводимые в действие посредством гидравлического, электрического или других типов двигателей.
[0024] Опорная платформа 42 колонны гибких труб соединена со вторым соединением ближе к дальним концам его кронштейнов 36а и 36b посредством трубчатого элемента 52, обеспечивающего возможность вращения платформы вокруг оси 54 трубчатого элемента, наклоняя платформу и, следовательно, инжектор 12 гибких труб назад и вперед, как указано стрелкой 56 на фиг. 5. Для вращения или наклона рамы данный вариант реализации опирается на пару гидравлических цилиндров 61а и 61b, соединенных на одном конце с поперечным элементом 40, а на другом конце - с рычажной пластиной 64, проходящей под нижней рамой 58 платформы 42.
[0025] Платформа колонны гибких труб в этом приведенном в качестве примера варианте реализации содержит нижнюю раму 58 и несущую конструкцию 60. Несущая конструкция выполнена с возможностью скольжения на платформе. Рама содержит множество (в этом примере два) трубчатых элемента 62а и 62b, образующих дорожку. Несущая конструкция содержит трубчатые элементы 64c и 64b, окружающие и скользящие на трубчатых элементах 62а и 62b. Несущая конструкция, таким образом, скользит на нижней раме и удерживается на ней посредством дорожки. Хотя это не показано на чертежах, перемещение несущей конструкции обеспечено гидравлическим цилиндром. Другие типы выдвижных механизмов могут быть использованы для перемещения несущей конструкции.
[0026] Несущая конструкция в изображенном варианте реализации выполнена с возможностью подъема и опускания инжектора гибких труб, установленного на ней. В примере варианта реализации на чертеже несущая конструкция содержит верхнюю раму 66, на которой установлен узел 12 инжектора гибких труб. Верхняя рама и, следовательно, узел 12 инжектора гибких труб может быть поднята и опущена на платформу посредством множества выдвижных элементов, представленных гидравлическими подъемниками или цилиндрами 68a-d. Приведение этих цилиндров в действие при нахождении платформы в горизонтальной ориентации приводит к подъему инжектора в вертикальном направлении. Их убирание опускает инжектор в указанном направлении. Перемещение обеспечивает возможность поднимания и правильного расположения узла инжектора гибких труб и противовыбросного превентора (ВОР) (водоотделительных колонн 72 и противовыбросных превенторов 76 на фиг. 3 и 4) после их соединения друг с другом над устьем скважины, с их последующим опусканием для соединения с устьем скважины без необходимости управления соединительным устройством. Для этого требуется управление только цилиндрами 68a-d. Узел инжектора гибких труб изображен в поднятом положении на фиг. 4 и 5 и в опущенном положении на фиг. 3. В изображенном варианте реализации гидравлические цилиндры соединены между нижней рамой 70 несущей конструкции, содержащей трубчатые элементы 64 с и 64b, и верхней рамой 66. Инжектор гибких труб на фиг. 3 и 4 соединен посредством отпарной колонны (непоказанной) с водоотделительными колоннами 72 через отверстие 74 в опорной платформе.
[0027] Для управления манипулятором контроллер (не показан) управляет гидравлическими схемами, которые, в свою очередь, обеспечивают выдвижение или сокращение гидравлических цилиндров, описанных ранее.
[0028] Приведенный в качестве примера вариант реализации манипулятора выполнен с возможностью следующих степеней подвижности: вверх и вниз, или вертикальное перемещение относительно земли; внутрь и наружу (или назад и вперед относительно основы манипулятора); вращение инжектора гибких труб вокруг горизонтальной оси; перемещение, поперечное относительно инжектора гибких труб; и наклон, поперечный относительно манипулятора и, следовательно, инжектора гибких труб, посредством поддержки выносных опор на основе, такой как трейлер, на которой установлен манипулятор. В варианте реализации, изображенном на сопроводительных чертежах, это осуществлено посредством автономного механизма на грузовое транспортное средство или трейлер, без использования крана, обычно используемого для операции такого типа.
[0029] После присоединения инжектора и оборудования управления давлением к устью скважины манипулятор может продолжать удерживать груз инжектора и оборудования управления давлением (противовыбросный превентор (ВОР) и водоотделительная колонна, например). В приведенном в качестве примера варианте реализации, изображенном на чертежах, барабан, на который намотана колонна гибких труб, расположен таким образом, что натяжение на трубном элементе, необходимое для удержания его намотанным на барабан, соосно соединительному устройству и его желаемому направлению. Таким образом, эксцентрическая нагрузка, образуемая натяжением трубного элемента, будет компенсирована инжектором манипулятора, и крутящий момент не будет передан в устье скважины. Манипулятор, показанный на изображенном примере, выполнен с возможностью поддержки всего веса инжектора и оборудования управления давлением, а также боковой нагрузки, обусловленной натяжением в колонне гибких труб, без необходимости наличия крана или грузоподъемных тросов.
[0030] Отсутствие необходимости наличия крана уменьшает стоимость и устраняет осложнения и риски, связанные с его использованием. При использовании крана кран должен оставаться соединенным с узлом инжектора гибких труб на протяжении всей операции обслуживания скважины. Это обеспечивает устойчивость во время монтажа и противодействует тяге в сторону, обусловленной натяжением на трубном элементе между барабаном колонны гибких труб, инжектором и направляющим узлом трубного элемента. Так как узел инжектора, подвешенный на кране, функционирует как маятник, оператор крана должен поворачивать кран в противодействие тяге, обусловленной натяжением, воздействующим на трубный элемент, для его смещения. При отсутствии достаточного по дальности поворота трубный элемент оказывает механическое воздействие на устье скважины. При слишком большом по дальности повороте кран оказывает механическое воздействие на устье скважины. Натяжение трубного элемента, образованное узлом намотки колонны труб, варьируется между введением и выведением из скважины, и во время развертывания трубного элемента при изменении диаметра трубного элемента. Следует постоянно уделять внимание регулированию сопротивления крана боковой тяге.
[0031] Манипулятор выполнен с возможностью поддержки инжектора гибких труб во время каждого из следующих функциональных этапов: транспортировка на трейлере или платформе грузового транспортного средства к буровой площадке, подъем инжектора гибких труб для его расположения на оборудовании управления давлением (противовыбросном превенторе и, при наличии, водоотделительной колонне), расположение смонтированного инжектора гибких труб на устье скважины и поддержание инжектора гибких труб во время операции обслуживания скважины. В альтернативных вариантах реализации аспекты манипулятора могут быть адаптированы для использования только в одной из этих операций или в любом из их сочетаний. Например, в одном альтернативном варианте реализации не требуется транспортировка манипулятора, а вместо этого требуется развертывание на буровой площадке, например на вышке. Другой альтернативный вариант реализации может заключаться в использовании аспектов манипулятора такими способами, которые подходят для подъема и поддержки инжектора гибких труб во время бурения, причем кран или другую конструкцию используют для поддержки инжектора гибких труб во время эксплуатации. Или, наоборот, кран может быть использован для подъема и удержания инжектора во время бурения, а аспекты манипулятора могут быть использованы для способствования маневрированию инжектором гибких труб на противовыбросном превенторе (ВОР), и/или поддержания инжектора и противовыбросного превентора (ВОР) во время обслуживания скважины.
[0032] Предшествующее описание является только приведенным в качестве примера вариантами реализации. Изменения и модификации в раскрытых вариантах реализации могут быть осуществлены без отклонения от изобретений, раскрытых посредством примеров. Термины, используемые в настоящем описании, если обратное явно не указано, следует понимать в их обычном и традиционном значении, причем они не ограничены подробностями изображенных конструкций или раскрытых вариантов реализации.