СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ НАГНЕТАНИЕМ СМАЗКИ И НАГНЕТАТЕЛЬ СМАЗКИ
CONTROL METHOD OF LUBRICANT INJECTION, AND LUBRICANT INJECTOR

Область техники
Изобретение относится к способу управления нагнетанием смазки в систему подводного доступа и к устройству (нагнетателю смазки), содержащему корпус с установленными в нем блоком управления и насосом для подачи смазки.
Уровень техники
При осуществлении доступа к скважине для добычи углеводородов необходимо изолировать скважину от окружающей среды. Доступ к скважине часто осуществляют с применением талевого каната (в виде гладкого каната, каната с оплеткой или композитного кабеля). Чтобы сохранить повышенное давление в скважине при проведении необходимых операций и избежать выхода углеводородов в окружающую среду, системы подводного доступа используют устьевой сальник, который является частью управляемого бесконтактного уплотнителя (УБУ). УБУ обеспечивает создание динамического уплотнения между кабелем и окружающими его частями скважины, чтобы обеспечить контроль давления и предотвратить утечку скважинных флюидов в окружающую среду. Однако, имея плетеную структуру (подобную тросу), кабель имеет неровную поверхность с выступами и впадинами, которую трудно герметизировать посредством УБУ, когда кабель проходит сквозь него внутрь скважины и из нее. Текущая практика состоит в нагнетании в тело УБУ смазки под давлением, превышающим давление в скважине. При этом необходимо подавать смазку с определенным расходом, чтобы компенсировать ее потери за счет адгезии к поверхности плетеного кабеля при его выходе с обоих концов УБУ (при движении внутрь скважины или из нее). Расход смазки в процессе нагнетания контролируется визуальным наблюдением за герметизирующими кромками УБУ для выявления утечек и мониторинга давления нагнетания.
Данная операция становится весьма сложной при ее осуществлении в подводных условиях, на морской (подводной) скважине. Эта операция предусматривает, в частности, применение подводного оборудования для безрайзерного легкого доступа к скважине (riserless light well intervention, RLWI). При использовании RLWI УБУ становится удаленным узлом, мониторинг которого затруднителен. Это усложняет определение, когда и в каком количестве требуется вводить смазку. Кроме того, с увеличением глубины, на которой находится оборудование, увеличивается длина линии подачи смазки в УБУ и, соответственно, становится все труднее нагнетать вязкую смазку в находящийся на глубине УБУ при приемлемом давлении на поверхности или при приемлемом расходе. Длинные линии подачи смазки и ее высокая вязкость создают еще большие трудности при работе в более глубоких и холодных средах.
Текущая практика нагнетания смазки к подводной скважине требует развертывания линий подачи смазки на поверхности, как это описано в US 4821799. В данном патенте для более эффективного контроля давлений нагнетания предлагается применить аккумулятор.
С нагнетанием смазки в подводный УБУ связана еще одна, более тонкая проблема, состоящая в проникновении воды. Обычно УБУ опускают на трубу лубрикатора (тросового шлюза) вместе с соответствующим инструментом. Однако при выполнении некоторых операций после опускания на талевом канате (тросе) в трубу лубрикатора системы RLWI инструментов, кабеля и др. УБУ функционирует независимо. При опускании узла УБУ на морское дно плетеный кабель проходит через УБУ. Если не подавать смазку под достаточным давлением и с достаточным расходом, чтобы скомпенсировать повышение окружающего давления и потерю смазки, уносимой проходящим кабелем, морская вода может проникнуть у кромок уплотнений УБУ в главную камеру. Если это произойдет, увеличивается риск того, что вода будет способствовать образованию внутри УБУ гидратной пробки (которая затем будет подвергаться воздействию скважинного давления и скважинных флюидов). Это будет препятствовать свободному прохождению кабеля через УБУ.
Раскрытие изобретения
Изобретение охватывает способ и устройство (нагнетатель смазки) для управления нагнетанием смазки в систему подводного доступа. При этом использование для подачи смазки нагнетателя, скомпенсированного по давлению, позволяет нагнетать смазку под давлением, превышающим наружное давление. Наружным давлением в данном случае является скважинное давление или давление воды, окружающей подводную систему, или оба этих давления.
В соответствии с одним своим аспектом изобретение пригодно для использования совместно с системой управления доступом и увеличением дебита (СУДУД), которая является полностью электрической или электрогидравлической и которая может содержать процессор, способный обрабатывать информацию и, в частности, регистрировать давление окружающей морской воды, давление внутри УБУ и ниже УБУ (т.е. давление в скважине). Как уже упоминалось, назначение смазки и УБУ состоит в формировании динамического уплотнения, которое обеспечивает создание внутри УБУ давления смазки, которое слегка превышает давление окружающей среды над скважиной или внутри нее. Выполнение этого условия требует нагнетания смазки с некоторым эмпирически определяемым и визуально контролируемым расходом. В подводных условиях обеспечение требуемого давления нагнетания усложняется длиной линии подачи смазки, идущей к находящемуся в подводном положении УБУ, так что расход определяется, по существу, путем угадывания. Часто это приводит к подаче слишком большого количества смазки, чтобы гарантированно обеспечить компенсацию при неизвестных реальных условиях.
Устранение линии подачи смазки соответствует основному принципу (использовать не более 3 линий), установленному заявителем настоящего изобретения для реализации систем RLWI в глубоководных условиях. Сокращение или исключение линий, идущих с поверхности к подводному оборудованию системы RLWI, существенно упрощает операции на глубинах более 500 м. При этом изобретение делает систему в целом нечувствительной к глубине, поскольку устраняет линию смазки, которая имеет “конечную” длину и которая при ее использовании определяет предельную операционную глубину системы.
Таким образом, преимуществом изобретения является то, что архитектура системы нечувствительна к глубине. Это снимает проблемы, связанные с определением расхода при подаче вязкой (консистентной) смазки на большие расстояния (т.е. при повышенном давлении, создаваемом насосом, расположенным на поверхности), и устраняет ущерб от потерь смазки вследствие применения экологически приемлемых сортов смазки, нагнетаемых при намного меньших дифференциальных давлениях благодаря осуществлению мониторинга. Изобретение позволяет также устранить линию, выходящую в воду. Это улучшает управление линиями и критично для глубоководных операций (на глубинах более 500 м).
Согласно изобретению обеспечивается создание способа управления нагнетанием смазки в систему подводного доступа, содержащую аккумулятор смазки, скомпенсированный по давлению. Способ по изобретению предусматривает, что давление в скважине и давление жидкости, окружающей указанную систему, считываются аккумулятором. Благодаря этому аккумулятор создает давление нагнетания смазки, превышающее оба указанных давления. При этом система подводного доступа содержит корпус, в котором находится модуль нагнетания, содержащий электродвигатель, насос и аккумулятор для подачи смазки, а способ включает операции обеспечения связи с датчиком наружного давления, получения сигналов от указанного датчика и управления насосом для регулирования давления нагнетания смазки с его установкой на уровне, превышающем наружное давление.
В соответствии с одним аспектом изобретения датчик наружного давления может определять давление окружающей среды, например давление морской воды. В соответствии с другим аспектом датчик наружного давления может определять устьевое давление.
Согласно одному из аспектов изобретения модуль нагнетания в первом режиме присоединяют к системе управления доступом для получения команд от находящейся на поверхности станции управления. Во втором режиме может быть обеспечено автономное функционирование указанного модуля с отсоединением его от СУДУД. В одном из вариантов питание в автономном режиме осуществляют от батареи, установленной в корпусе.
Согласно другому аспекту изобретения обработку сигналов от датчика давления осуществляют в системе управления доступом. Согласно еще одному аспекту обработку сигналов от датчика давления можно осуществлять в процессоре указанного модуля. Смазку можно удалять с подводного оборудования и возвращать ее в аккумулятор для подачи смазки.
Изобретение относится также к нагнетателю смазки для нагнетания смазки в систему подводного доступа, содержащему корпус с аккумулятором смазки и гибкий трубопровод нагнетания смазки, подведенный к указанной системе. Нагнетатель смазки согласно изобретению выполнен скомпенсированным по давлению и способным обеспечивать давление, превышающее скважинное давление и/или давление снаружи системы подводного доступа. Он содержит насос с приводным электродвигателем, подсоединенный к гибкому трубопроводу нагнетания смазки, по меньшей мере, один датчик давления, определяющий скважинное давление и/или давление снаружи скважины, а также блок управления нагнетанием, управляющий различными компонентами для придания нагнетателю скомпенсированности по давлению. Согласно одному аспекту изобретения нагнетатель может быть скомпенсирован по давлению с помощью аккумулятора с пассивной компенсацией по давлению. Согласно другому аспекту нагнетатель содержит подведенную к аккумулятору линию пополнения смазки, подключаемую к дистанционно управляемому аппарату. Еще в одном аспекте нагнетатель может содержать устройство удаления смазки, связанное с подводной системой, и линию возврата смазки в нагнетатель. Нагнетатель может содержать также второй насос со вторым электродвигателем.
Нагнетатель может иметь также две отдельные зоны нагнетания смазки в подводную систему. Согласно одному из аспектов он может быть связан с УБУ. Корпус может быть выполнен в виде автономного модуля нагнетания, прикрепленного к УБУ. Согласно другому аспекту блок управления содержит процессор и запоминающее средство, а нагнетатель может содержать источник электропитания, который может представлять собой батарею или гибкий кабель. Согласно еще одному аспекту нагнетатель может содержать модуль управления операциями по повышению дебита скважины.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение будет описано со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг.1 схематично изображена подводная система доступа, установленная на подводную скважину.
На фиг.2 представлена схема модуля нагнетания смазки при работе в режиме связи с СУДУД.
На фиг.3 представлена схема модуля нагнетания смазки при работе в автономном режиме.
Осуществление изобретения
На фиг.1 схематично изображена подводная лубрикаторная установка согласно изобретению, закрепленная на подводной скважине 5, которая проходит в подземную формацию и снабжена устьевой елкой 6, смонтированной на устье скважины, и выкидной линией, и/или гибким трубопроводом 7, идущим к системе подготовки продукции к транспортированию. Подводная лубрикаторная установка (тросовый шлюз) содержит противовыбросовый превентор 11, трубу 12 лубрикатора и управляемый бесконтактный уплотнитель (УБУ) 13.
Лубрикаторная установка содержит также систему 15 управления доступом и увеличением дебита (СУДУД) с отдельным гибким трубопроводом 17, идущим с поверхности. В известных системах смазка нагнетается по гибкому трубопроводу 17, а затем по линии 23 в УБУ 13, чтобы поддерживать уплотнение вокруг плетеного каната или кабеля относительно окружающей морской воды.
В первом варианте изобретения, представленном на фиг.1, модуль 21 нагнетания смазки связан с УБУ 13 (т.е. прикреплен к нему). В этом варианте линия 23 содержит электрический кабель, который связывает модуль 21 нагнетания смазки с системой 15 СУДУД. Модуль нагнетания смазки, будучи присоединенным к УБУ, может подниматься и опускаться вместе с ним, причем он способен функционировать в автономном режиме. В другом варианте (не изображен) модуль нагнетания смазки выполнен как часть СУДУД. В этом случае линия 23 будет содержать как электрические кабели, так и шланги, причем смазка подается в УБУ именно по этой линии.
Изобретение ставит своей задачей исключить линию нагнетания смазки, идущую с поверхности, заменив ее заполненной смазкой емкостью (аккумулятором), скомпенсированной (скомпенсированным) по глубине. Модуль 21 нагнетания смазки содержит аккумулятор 31 смазки, функционально связанный линией 33 с насосом 35. Выход линии 37 смазки, идущей от насоса, присоединен к УБУ 13. Насос приводится в действие электродвигателем 36. Первый кабель 32 питания соединяет СУДУД с электродвигателем 36, связанным с насосом 35. Линия 37 смазки содержит обратный клапан 43, запорный клапан 44, а также датчик 45 давления и температуры.
Вариант, показанный на фиг.2, содержит также второй насос 38, связанный с электродвигателем 39, к которому подведен отдельный питающий кабель 34. Вторая линия 41 смазки соединяет данный насос с УБУ. Аналогично первой линии вторая линия 41 смазки содержит обратный клапан 46, запорный клапан 47, а также передатчик 48 давления и температуры. Второй насос введен для создания в системе избыточности (резервирования) на случай выхода из строя первого насоса 35. Он также позволяет получить за счет одновременной работы обоих насосов более высокую производительность нагнетания смазки в экстренных ситуациях. Насосы могут использоваться совместно и в тех редких случаях, когда кабель (канат) проходит через УБУ с очень высокой скоростью и может потребоваться больше смазки, чем ее может подать одна группа электродвигатель/насос.
В качестве альтернативы смазка может удаляться с кабеля на его выходе из УБУ и возвращаться в контейнер в составе модуля. Это иллюстрируется на фиг.2 линией 52 возврата смазки, ведущей в емкость 54. При таком выполнении смазка не будет выпускаться в окружающую среду. Однако настоящее изобретение способно обеспечить точный контроль расхода смазки, чтобы минимизировать ее использование, так что количества смазки, сбрасываемые в море, будут очень малы
В дополнение, может быть предусмотрена линия 22 пополнения смазки, подключаемая к дистанционно управляемому аппарату (ДУА), чтобы пополнять в случае необходимости количество смазки в емкости, например, при проведении работ большой длительности.
В процессе функционирования система СУДУД отслеживает давление снаружи, в УБУ и в скважине и компенсирует потери смазки, периодически включая первый насос 35 или оба насоса 35, 38, подающие смазку в УБУ. Давление в смазке тщательно отслеживается, и насос (насосы) регулируется (регулируются) так, чтобы создавать очень маленький дифференциал давления между УБУ и скважиной.
Тщательное отслеживание давления in situ минимизирует потребность в смазке, поскольку позволяет поддерживать минимальное дифференциальное давление. В этих условиях становится практичным применить подводную емкость вместо того, чтобы пользоваться завышенными оценками требуемого объема смазки и пытаться подать этот объем по линии подачи смазки. Поддерживание минимального дифференциального давления уменьшает также количество смазки, проходящей между уплотнительных элементов УБУ в скважину и/или в окружающую среду. Смазка от двух насосов 35 и 38 может нагнетаться в УБУ в двух зонах (при открывании одной или обеих линий смазки, чтобы компенсировать скорость кабеля и соответствующую потерю смазки). Имеется также третья линия 51 нагнетания смазки, проходящая ниже УБУ и служащая в случае необходимости для лучшего управления дифференциальным давлением между УБУ и скважиной.
Во втором варианте изобретения, показанном на фиг.3, модуль нагнетания смазки снабжен собственным блоком 60 управления, сконфигурированным как автономная версия системы управления. Автономный блок 60 управления содержит процессор и запоминающее средство (не изображены) и предпочтительно питается от батареи 62. При таком выполнении управление электрическими узлами вынесено из системы СУДУД при сохранении функций мониторинга (отслеживания) и управления нагнетанием смазки в УБУ. Данный вариант обеспечивает упрощение конструкции узла УБУ, т.к. устраняет необходимость в подводных электрических соединениях в составе линии 23 (фиг.1), после того как УБУ был отдельно спущен на дно и присоединен к остальной части системы безрайзерного доступа (RLWI). Кроме того, подобная автономность придает данному блоку еще два новых свойства. Во-первых, при опускании узла УБУ на морское дно он осуществляет независимый мониторинг повышения давления морской воды и может производить настройку путем нагнетания смазки в УБУ под давлением, лишь слегка превышающим давление окружающей среды, чтобы предотвратить проникновение морской воды в полость УБУ и избежать проблем, связанных с отложением гидратов. Батарейное питание обеспечивает автономность блока управления. Во-вторых, если надводное судно должно уйти и/или произойдет разрыв кабеля вне УБУ с отключением системы управления, поддержание давления внутри УБУ за счет нагнетания смазки будет продолжаться (пока это позволяет батарейное питание) даже при отключении остальной части СУДУД.
Еще один аспект изобретения связан с самой смазкой. Текущая практика состоит в применении какой-либо консистентной смазки на основе нефтяных масел (нефтяной смазки), обладающей достаточной сцепляемостью, чтобы удерживаться на поверхности уплотнений УБУ и шероховатой наружной поверхности кабеля, создавая псевдогладкую поверхность на плетеном кабеле. Однако такой подход создает свою собственную “утечку в окружающую среду”, когда покрытый смазкой кабель выходит из верхней части УБУ в процессе подъема кабеля (каната). Кроме того, окружающая среда в виде морской воды может иметь температуру, составляющую всего 4°C, что может приводить к возрастанию вязкости смазки или к ее затвердеванию. Чтобы смягчить эту проблему, изобретение предусматривает замену нефтяной смазки на смазку на основе рыбьего жира с существенным уменьшением вязкости и устранением выбросов углеводородов в окружающую среду.
Изобретение было описано применительно к неограничивающим вариантам его осуществления. Однако специалисту должно быть понятно, что в эти варианты могут быть внесены различные изменения и модификации, не выходящие за пределы объема изобретения, определенного в прилагаемой формуле.