СЛАБАЯ ПЕРЕМЫЧКА С ЭЛЕКТРОННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ПО КОМБИНИРОВАННОЙ НАГРУЗКЕ
ELECTRONICALLY CONTROLLED WEAK LINK AGAINST COMBINED LOAD

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к защитному устройству для аварийного отсоединения райзера или шланга, в общем относящемуся к системам райзеров для геотехнических мероприятий в скважине, системам райзеров для заканчивания/капремонта и т.д. Технология/концепция может также применяться для эксплуатационных райзеров, включающих в себя гибкие райзеры, а также морских отгрузочных систем и других систем райзеров или шлангов, используемых в настоящее время в море.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Обычные системы отсоединения райзера основаны либо на запускаемой оператором системе аварийного разъединения, требующей активного вмешательства оператора (нажатия кнопки) или на автоматических системах разъединения на основе слабой перемычки, устанавливаемой в систему райзера, выполненной с возможностью механического разрушения в аварийной ситуации до разрушения каких-либо других критических компонентов. Такие системы разъединения, в общем, именуются "слабыми перемычками".
Главным предназначением слабой перемычки является защита барьера (барьеров) скважины или другой критической конструкции (конструкций), стыкующейся с райзером, в аварийных ситуациях, таких как блокировка компенсатора вертикальной качки или потеря позиционирования буровой установки, что может быть обусловлено потерей якоря (волочение якоря), дрейфом, где буровая установка или корабль дрейфует от площадки, при выходе из строя силового оборудования буровой установки или корабля или снос в ситуации, где система динамического позиционирования на буровой установке или корабле выходит из строя по какой-либо причине, обуславливая снос корабля с площадки в непредсказуемом направлении. В таких аварийных ситуациях операторы имеют весьма ограниченное время для обнаружения возникновения аварии и запуска системы высвобождения райзера от скважины или другой критической конструкции (конструкций), прикрепленных к райзеру. В таких аварийных ситуациях, где у оператора нет времени для реагирования на аварию, слабая перемычка должна обеспечивать защиту целостности барьера (барьеров) скважины или другой критической стыкующейся конструкции (конструкций).
Когда райзер соединяется с оборудованием устья скважины, фонтанная арматура (или нижний блок райзера с фонтанной арматурой) устанавливается на оборудование устья скважины и крепится к нему. Система райзера при этом крепится к скважине на морском дне нижним концом. Верхний конец райзера обычно подвешивается на так называемом компенсаторе 1 вертикальной качки и/или системе натяжения райзера на верхнем конце, как показано на Фиг. 1. Система натяжения райзера прикладывает сверху силу натяжения к райзеру 2 и соединяется с компенсатором 1 вертикальной качки, который компенсирует относительное перемещение по вертикали между судном 3 (например, буровой установкой или кораблем), перемещающимся на волнах, и райзером, закрепленным на морском дне 4. Система 1 компенсатора вертикальной качки, в общем, основана на комбинации гидравлических поршней и пневматических аккумуляторов (не показано). Гидравлические поршни принудительно перемещаются вверх и вниз с помощью гидравлического силового блока для компенсации вертикального перемещения судна 3 на волнах. Пневматические аккумуляторы соединяются с данной системой и используются для поддержания относительно постоянного натяжения в системе. Это выполняют, подвешивая райзеры к цилиндрам, опирающимся на столб сжатого воздуха, где давление устанавливается согласно нагрузке в системе. Объем пневматических аккумуляторов и ход цилиндров должны при этом определять гистерезис перемещения и, следовательно, натяжение в системе при вертикальном перемещении судна 3 на волнах.
Блокирование компенсатора относится к сценарию, где система компенсации вертикальной качки выходит из строя, обуславливая стопорение цилиндров компенсатора вертикальной качки и неспособность компенсировать перемещение по вертикали между райзером 2 и судном 3, см. Фиг. 2. В результате могут возникать защемляющие нагрузки и силы чрезмерного натяжения в райзере 2. Такие защемляющие нагрузки могут обуславливать повреждения барьера 5 (барьеров) скважины или другой стыкующейся конструкции (конструкций). Слабая перемычка в райзере 2 должна при надлежащем конструктивном исполнении защищать барьер 5 (барьеры) скважины от повреждения в варианте возникновения блокирования компенсатора. Вместе с тем, одна проблема состоит в том, что во время нормальной работы судно 3 можно позиционировать в некотором операционном окне над скважиной на морском дне 4. Это дает относительный угол α между судном 3 и скважиной на морском дне 4. Данный угол α означает, что любая растягивающая нагрузка в райзере 2 должна также обуславливать изгибающие моменты в барьере (барьерах) скважины 5. Для надлежащей защиты барьера 5 (барьеров) скважины в варианте блокировки компенсатора вертикальной качки слабая перемычка должна высвобождаться до повреждения барьера 5 (барьеров) скважины объединенной нагрузкой от натяжения райзера и изгибающего момента вследствие смещения судна 3.
Потеря позиции возникает, когда судну 3 не удается поддерживать свое положение в заданных границах над оборудованием устья скважины. Стоящие на якоре суда 3 обычно сталкиваются с потерей позиции, обусловленной потерей одного или нескольких якорей. Для судов с динамическим позиционированием, потерю позиции в нормальных условиях обуславливает отказ системы динамического позиционирования или ошибка оператора, что приводит к уводу судна 3 от нужной позиции. В сценарии дрейфа судно либо не имеет достаточной мощности, чтобы оставаться в своем положении в данных погодных условиях, или силовая установка судна вышла из строя и судно должно дрейфовать по направлению ветра, волн и течений. Все такие аварийные ситуации дают в результате чрезмерное смещение судна 3 относительно барьера 5 (барьеров) скважины, см. Фиг. 3. Когда судно перемещается в положение за пределами допустимых границ, получившийся в результате угол α райзера в комбинации с натяжением райзера должен наводить высокие изгибающие моменты в нижней и верхней части райзера 2. Кроме того, при увеличении относительного расстояния между судном 3 и барьером (барьерами) скважины 5 на морском дне цилиндр компенсатора вертикальной качки должен завершать ход для компенсации иным способом увеличения натяжения. Затем компенсатор 1 вертикальной качки должен завершать ход, что приводит к быстрому увеличению натяжения в райзере. Когда такое происходит, относительный угол α между барьером (барьерами) скважины 5 на морском дне 4 и судном 3 должен значительно увеличиваться, и быстрое увеличение натяжения должно обуславливать высокие изгибающие моменты в барьере 5 (барьерах) скважины, см. Фиг. 3.
Для защиты барьера 5 (барьеров) скважины в упомянутых аварийных ситуациях требуется отсоединение с помощью слабой перемычки райзера 2 от барьера 5 (барьеров) скважины перед превышением допустимой нагрузки барьера 5 (барьеров) скважины от объединенного натяжения и изгиба, см. Фиг. 6.
Превышение допустимой нагрузки барьера 5 (барьеров) скважины может приводить к повреждению оборудования устья скважины, повреждению внутри скважины, повреждению райзера 2 и т.д., все указанное рассматривается, как серьезная аварийная ситуация с высоким риском для персонала и окружающей среды.
Повреждение барьера 5 (барьеров) скважины может оборачиваться дорогостоящим и длительным ремонтом, дорогостоящими задержками вследствие остановки эксплуатации, и последнее, самое важное, риском для персонала и риском загрязнения окружающей среды, выбросов, взрывов, пожаров и т.д. Конечным следствием повреждения барьера скважины является полномасштабный подводный выброс нефти и газа из коллектора, бесконтрольно напрямую вытекающих в океан. Если скважинный предохранительный клапан выходит из строя или повреждается при аварии, отсутствует другое средство глушения скважины, кроме бурения новой боковой скважины глушения поврежденной скважины.
Проблема существующих конструкций слабых перемычек состоит в необходимости как выполнения всего набора проектных требований (коэффициентов безопасности, и т.д.) во время нормальной эксплуатации системы, так и обеспечения отсоединения системы в аварийной ситуации.
Самые обычные концепции слабой перемычки используют разрушение конструкции компонента или компонентов. Типичные конструктивные исполнения включают в себя фланцы с болтами, выполненными с возможностью разрыва при некоторой нагрузке, или трубную секцию со станочной обработкой на коротком отрезке длины, обуславливающей управляемый обрыв райзера в данном месте.
Самые обычные слабые перемычки, которые используют в настоящее время, срабатывают только благодаря силам натяжения, т.е. заданную слабую перемычку выполняют с возможностью разрыва при некоторой, заданной растягивающей нагрузке. Вместе с тем, в возникающих аварийных ситуациях действуют не только растягивающие силы. В случае, например, дрейфа должны возникать значительные изгибающие моменты, в барьере 5 (барьерах) скважины в дополнение к растягивающим силам. Даже в сценарии блокировки компенсатора вертикальной качки, изгибающие моменты, действующие на барьер 5 (барьеры) скважины могут являться значительными вследствие смещения буровой установки/судна в допустимом операционном окне. Нет ничего необычного в ограничении работы погодными условиями, поскольку слабая перемычка может выдерживать только некоторое смещение судна при нормальной эксплуатации, как показано обычным графиком работы на Фиг. 4. Способность судна сохранять свое рабочее место над скважиной должна уменьшаться с увеличением ветровой и волновой нагрузки, и нормальные изменения положения буровой установки над скважиной должны увеличиваться. Если смещение превосходит некоторый предел, слабая перемычка не должна защищать барьер 5 (барьеры) скважины в варианте блокировки компенсатора вертикальной качки. Поэтому, возможность слабой перемычки разрушаться вследствие изгиба может воздействовать на погодное окно операции.
2
Кроме того, внутреннее давление в райзере, которое может изменяться от атмосферного до 10000 фунт/дюйм (70 МПа) или выше, имеет значительное воздействие на нагрузки, испытываемые райзером 2, барьером 5 (барьерами) скважины и слабой перемычкой.
Когда внутреннее давление больше наружного давления, компонент райзера должен испытывать увеличенные силы аксиального растяжения и окружного растяжения. Силу аксиального растяжения, обусловленную избыточным внутренним давлением, часто именуют нагрузкой на концевые заглушки [N]=(внутренняя площадь × избыточное внутреннее давление). Внутреннее давление, обуславливающее выход трубы из строя благодаря окружному растяжению, именуют давлением разрыва.
Действие внутреннего давления обуславливает дилемму в конструкциях слабых перемычек, основанных на потере несущей способности:
1. Слабому звену должны быть приданы размеры для работы при полном давлении с нормальными коэффициентами запаса.
2. Прочность на растяжение и изгиб барьера (барьеров) скважины уменьшаются внутренним давлением.
3. Для некоторых операций барьер (барьеры) скважины должны находиться под избыточным давлением, но райзер со слабой перемычкой не должен находиться под избыточным давлением.
4. В аварийной ситуации слабая перемычка должна высвобождаться до повреждения барьера (барьеров) скважины, даже когда барьер (барьеры) скважины находится под избыточным давлением и слабая перемычка не находится под избыточным давлением.
Выполнение условия по п. 4, указанного выше, часто является проблемным для проектирования слабой перемычки, основанной на потере несущей способности, поскольку поле допуска между минимальной прочностью при нормальной эксплуатации и максимальной разрушающей нагрузкой в аварийной ситуации становится слишком широким. В некоторых случаях в системах, работающих под высоким давлением, может являться практически невозможной спроектировать слабую перемычку, основанную на потере несущей способности.
На Фиг. 5 показаны проблемы, связанные с проектированием слабых перемычек, которые основаны на потере несущей способности, например, обычном разрушении ослабленных фланцевых болтов или т.п. На Фигуре показана система, где номинальное натяжение системы в слабом звене составляет 100 т (1 т = 1 тонна = 1000 кгс). Система должна работать под давлением, и действие давления на заглушки увеличивает натяжение до более 200 т, на которое слабая перемычка должна быть рассчитана. В проектировании слабой перемычки должны учитываться коэффициенты запаса и разброс в свойствах материала, таким образом, фактическая прочность части может увеличиться до более 400 т. Слабая перемычка должна в нормальных условиях работы также воспринимать некоторый изгибающий момент, который на показанной фигуре, упомянутой выше, увеличивает конструктивную прочность слабой перемычки до около 500 т. Это означает, что в приведенном выше примере, слабая перемычка, рассчитанная на максимальное рабочее натяжение 100 т и заданный изгибающий момент, не может быть спроектирована с разрушающей нагрузкой меньше 500 т. В некоторых случаях разрыв между расчетной нагрузкой и минимальной возможной разрушающей нагрузкой больше допустимой прочности в барьере (барьерах) скважины, таким образом, требуется уменьшение рабочих показателей, что также уменьшает область рабочих режимов. Как показывают примеры, факт, что слабую перемычку следует проектировать с учетом полного давления, которая при этом должна срабатывать, как слабая перемычка, когда давления в системе нет, должен в системе, работающей под высоким давлением, значительно увеличивать разрыв между рабочей расчетной нагрузкой и минимальной разрушающей нагрузкой в слабой перемычке, основанной на потере несущей способности.
В дополнение к техническим проблемам, связанным с существующими решениями слабых перемычек, основанными на потере несущей способности, имеются также проблемы планирования и стоимости, связанные с обычными системами. Слабая перемычка, основанная на потере несущей способности, требует комплексной программы проверки соответствия для каждого проекта и, в общем, налагает жесткие требования на доставку материалов для контроля свойств материалов частей, выполненных с возможностью разрушения. Данные программы проверки соответствия и дополнительные требования по конкретным свойствам материала часто создают проблемы для графиков выполнения проекта.
На Фиг. 6 показана обычная характеристика прочности для комбинированного нагружения для барьера 5 (барьеров) скважины, образованная прямой линией для которой все коэффициенты запаса в конструкции барьера скважины полностью использованы. Данная линия не представляет потери несущей способности барьера (барьеров) скважины, но указывает вычисленную допустимую прочность барьера 5 (барьеров) скважины. Если комбинированные нагрузки превышают данную линию, гарантия целостности барьера (барьеров) скважины отсутствует, и является вероятным повреждение барьера (барьеров) и возможно возникновение утечки.
На Фиг. 7 показано, как нагрузки в райзере 2 и в барьере 5 (барьерах) скважины развиваются при блокировке компенсатора вертикальной качки, и как данное относится к прочности слабой перемычки райзера и прочности барьера (барьеров) скважины. Фактическая прочность слабой перемычки, определенная потерей несущей способности, показана криволинейной характеристикой прочности для трубы райзера.
Когда возникает блокировка компенсатора вертикальной качки, райзер 2 должен испытывать быстрое увеличение аксиального нагружения, как показано на верхней диаграмме нагрузки. Одновременно, барьер 5 (барьеры) скважины должны испытывать увеличение аксиальной нагрузки, но также и изгибающего момента вследствие смещения буровой установки относительно места скважины, как показано в нижней диаграмме нагрузки, на угол α. Проблема со слабой перемычкой имеющейся конструкции здесь состоит в том, что при некотором смещении буровой установки допустимая нагрузка барьера 5 (барьеров) скважины должна быть превышена до достижения нагрузкой в райзере 2 конструкционной прочности слабой перемычки.
На Фиг. 8 показан аналогичный сценарий потери позиции.
Когда буровая установка 3 теряет свою позицию, нагрузка в райзере 2 должна вначале оставаться постоянной, поскольку компенсатор вертикальной качки должен завершить ход для поддержания постоянной нагрузки в райзере. Когда компенсатор 1 вертикальной качки завершает рабочий ход, натяжение в райзере 2 должно быстро увеличиваться, как показано в верхней диаграмме нагрузки. Нагрузка в барьере 5 (барьерах) скважины должна также оставаться близкой к постоянной, когда компенсатор 1 вертикальной качки завершает ход (должно происходить некоторое увеличение изгибающей нагрузки в барьере (барьерах), и когда компенсатор 1 вертикальной качки останавливается, аксиальная нагрузка в райзере 2 должна быстро увеличиваться, обуславливая очень высокие изгибающие нагрузки в барьере 5 (барьерах) скважины. В таких аварийных ситуациях существующие слабые перемычки, основанные на потере несущей способности в компоненте райзера, должны, в общем, достигать характеристики конструктивной прочности с большой задержкой после превышения расчетной допустимой нагрузки барьера (барьеров) скважины.
ЗАДАЧИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является создание надежного, автономного устройства, которое должно защищать целостность барьера (барьеров) скважины в любой аварийной ситуации, в которой может передаваться чрезмерное натяжение, чрезмерный изгиб или любое чрезмерное комбинированное натяжение и изгиб, которые иначе могут повреждать барьер (барьеры) скважины.
Задачей настоящего изобретения является создание устройства и способа для безопасного, надежного и предсказуемого отсоединения в различных вариантах применения райзера, например системах буровых райзеров, системах райзеров для геотехнических мероприятий, системах райзеров заканчивания/капремонта, гибких эксплуатационных райзеров и шлангов отгрузки, и т.д.
Дополнительной задачей настоящего изобретения является создание устройства и способа безопасного, надежного и предсказуемого отсоединения различных вариантов применения райзеров и шлангов, при этом устройство и способ создают увеличенную рабочую зону для райзера.
Также дополнительной задачей настоящего изобретения является создание устройства и способа с выполнением всех требований проектирования (коэффициенты запаса, и т.д.) для нормальной работы, в то же время обеспечивая надежное отсоединение системы райзера в аварийной ситуации.
Другой задачей настоящего изобретения является создание слабой перемычки, работающей при максимальном внутреннем давлении и обеспечивающей высвобождение при минимальном внутреннем давлении, также обеспечивающего уравновешенную по давлению слабую перемычку, на работу которой не влияет воздействие внутреннего давления на натяжение и на разрушающую нагрузку, при этом значительно увеличивается область эксплуатационных режимов системы райзера.
Другой задачей изобретения является создание слабой перемычки, где высвобождение не связано с каким-либо видом механического разрушения в слабой перемычке, таким образом, значительно уменьшая необходимость предусматривать в проекте программы квалификации для документирования высвобождающей нагрузки.
Другой задачей изобретения является создание слабой перемычки, где предел высвобождения определяется, как характеристика комбинированного нагружения, которую можно легко корректировать в проектных документах, что не требует новых квалификационных программ. Это должно значительно уменьшать время выполнения заказа для подготовки слабой перемычки для проекта, в сравнении с временем выполнения заказа, требуемым для слабой перемычки, основанной на механическом разрушении.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данные и другие задачи решают с помощью устройства безопасности по независимому п. 1 и способа по независимому п. 17 формулы изобретения. Дополнительные предпочтительные признаки и варианты осуществления изложены в зависимых пунктах формулы изобретения. Например, электронный блок сбора и обработки данных располагается удаленно от высвобождающегося соединения и/или по меньшей мере, одного датчика. Более того, электронный блок сбора и обработки данных соединяется с исполнительным механизмом, который по сигналу должен запускать отсоединение высвобождающегося соединения в колонне райзера или шланга, при этом исполнительный механизм является одной или несколькими следующими позициями: электрический переключатель, электрическое или магнитное высвобождающее устройство подпружиненного надцентрального механизма, электрическое или механическое устройство открытия или закрытия гидравлических клапанов для запуска гидравлического высвобождающего механизма.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Ниже приведено подробное описание предпочтительных вариантов осуществления, со ссылкой на фигуры, на которых показано следующее.
На Фиг. 1 показано судно 3 во время операции капремонта, где жесткий райзер 2 подвешен на компенсаторе 1 вертикальной качки на буровой установке и жестко прикреплен к оборудованию устья скважины (барьеру 5 (барьерам) скважины) на морском дне. Компенсатор 1 вертикальной качки осуществляет ход вверх и вниз, компенсируя перемещение по вертикали судна 3 на волнах.
На Фиг. 2 показана аварийная ситуация, именуемая "блокировка компенсатора вертикальной качки", обуславливающая увеличение натяжения в райзере 2, когда волны поднимают судно вверх. Быстрое увеличение натяжения в райзере должно, в общем, давать в результате чрезмерное комбинированное нагружение барьера 5 (барьеров) скважины.
На Фиг. 3 показана аварийная ситуация, именуемая потерей позиции (вследствие потери якоря, увода или дрейфа), и получающийся в такой ситуации чрезмерный изгиб в барьере (барьерах) скважины после завершения хода компенсатора 1 вертикальной качки.
На Фиг. 4 показана типичная область рабочих режимов судна для операции капремонта. На Фигуре дополнительно показано, как допустимое смещение судна должно быть ограничено для защиты барьера (барьеров) скважины от блокировки компенсатора вертикальной качки, когда используется слабая перемычка на основе разрушения компонента райзера, работающего на растяжение. На Фигуре показано, насколько области рабочих режимов можно увеличивать, если имеется слабая перемычка, которая защищает барьер (барьеры) скважины, при любом типе комбинированного нагружения, вне зависимости от положения судна или давления в системе.
На Фиг. 5 показана проблема проектирования слабой перемычки, выполняющей все критерии безопасности в нормальной работе, но одновременно обеспечивающей надежное высвобождение в аварийной ситуации до повреждения барьера (барьеров) скважины. На Фигуре показана проблема, относящаяся к ширине поля допуска между выполнением слабой перемычкой всех требований проектирования и пределом прочности при разрушении конструкции той же слабой перемычки.
На Фиг. 6 показана типичная определенная характеристика комбинированного нагружения для барьера 5 (барьеров) скважины. Характеристика допустимой нагрузки не представляет фактического разрушения барьера (барьеров) скважины, но указывает расчетную характеристику прочности, использованную для аварийных ситуаций, где все коэффициенты запаса удалены. Когда комбинированная нагрузка в барьере 5 (барьерах) скважины превышает данную характеристику прочности, отсутствует гарантия целостности барьера (барьеров) скважины, и имеется значительный риск повреждения уплотнения или некоторой формы неустранимого повреждения барьера 5 (барьеров) скважины.
На Фиг. 7 показана проблема использования слабой перемычки, основанной на потере несущей способности в компоненте райзера для защиты барьера (барьеров) скважины в варианте блокирования компенсатора вертикальной качки. На Фигуре показано, как комбинированная нагрузка в барьере 5 (барьерах) скважины должна превышать его характеристику прочности до достижения конструкционной прочности слабой перемычки, в общем, вследствие смещения судна 3, обуславливающего угол α, который увеличивает изгибающие нагрузки на барьере 5 (барьерах) скважины.
На Фиг. 8 показана проблема использования слабой перемычки, основанной на потере несущей способности в компоненте райзера для защиты барьера (барьеров) скважины в варианте аварийной ситуации потери позиции. На Фигуре показано, как натяжение райзера 2 остается постоянным до завершения хода компенсатора 1 вертикальной качки. В данной точке натяжение должно увеличиваться быстро, и угол α должен обуславливать высокие изгибающие нагрузки в барьере 5 (барьерах) скважины, обуславливая превышение допустимой нагрузки барьера 5 (барьеров) скважины задолго до достижения потери несущей способности слабой перемычки райзера, выполненной с возможностью выхода из строя при работе на растяжение.
На Фиг. 9 показано, как настоящее изобретение должно работать для защиты барьера 5 (барьеров) скважины в варианте блокирования компенсатора 1 вертикальной качки. На Фигуре показано, как определяют комбинированную допустимую нагрузку слабой перемычки в пределах прочности барьера 5 (барьеров) скважины. Таким образом, для любой комбинации нагрузок, создаваемой на барьере 5 (барьерах) скважины, изобретение должно обеспечивать управляемое отсоединение райзера до превышения характеристики прочности барьера 5 (барьеров) скважины.
На Фиг. 10 показано, как настоящее изобретение должно работать для защиты барьера 5 (барьеров) скважины в варианте потери судном своей позиции в ситуации увода или дрейфа. На Фигуре показано, как определяют комбинированную допустимую нагрузку слабой перемычки, не превышающую предела прочности барьера 5 (барьеров) скважины. Таким образом, при любой комбинации нагрузки, создаваемой на барьере 5 (барьерах) скважины, изобретение должно обеспечивать управляемое отсоединение райзера до превышения характеристики прочности барьера 5 (барьеров) скважины.
На Фиг. 11 показано сечение варианта осуществления настоящего изобретения с отсоединяющимся соединительным устройством 6, блоком 19 датчиков для измерения комбинированного нагружения в райзере 2, электронным блоком, интерпретирующим информацию с датчиков и проверяющим, находится ли комбинированная нагрузка в райзере в допустимых пределах, и если нет, запускающим последовательность операций отсоединения.
На Фиг. 12 показана последовательность приведения в действие при высвобождении фиксирующего пальца 8, удерживающего кулачковое кольцо 7 соединительного устройства 6 на месте.
На Фиг. 13 показан один возможный вариант осуществления исполнительного механизма 15 для отсоединения высвобождающегося соединительного устройства 6 и некоторые альтернативные высвобождающие механизмы, которые можно применять. В данном возможном варианте осуществления исполнительного механизма 15а, нагруженный пружиной 10 фиксирующий палец 8, который фиксирует соединительное устройство, опирается на надцентральный механизм, уравновешиваемый магнитом или электрическим переключателем. Когда электронный блок 20 обнаруживает, что измеренная комбинированная нагрузка достигает заданной характеристики предела комбинированной нагрузки, переключатель или магнит должен высвобождать надцентральный механизм. Поворот надцентрального механизма должен высвобождать пружину 10, при этом высвобождается фиксирующий палец 8, для запуска отсоединения высвобождающегося соединительного устройства 6. Альтернативные конфигурации исполнительного механизма показаны позицией 15b с электродвигателем для высвобождения фиксирующего пальца 8 и позицией 15с, где фиксирующий палец 8 удаляется гидравлически с помощью открытия клапана с электроприводом, соединенным с заряженным аккумулятором.
На Фиг. 14 показана последовательность отсоединения предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения с момента, где подпружиненный фиксирующий палец 8 высвобождается. Подпружиненный фиксирующий палец вытягивается из кулачкового кольца 7 соединительного устройства силой предварительно сжатой пружины. Когда фиксирующий палец 8 удаляется, кулачковое кольцо 7 должно открываться под действием сил натяжения в системе или с использованием пластинчатой пружины в кулачковом кольце 7. Когда кулачковое кольцо открывается, верхняя и нижняя часть с раструбами труб в соединительном устройстве должны разделяться, поскольку фиксаторы 9 соединительного устройства освобождаются для поворота.
На Фиг. 15 показана в объемном изображении последовательность отсоединения предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения.
На Фиг. 16 показаны альтернативы для отсоединения шлангокабеля управления, когда соединительное устройство отсоединяется в аварийной ситуации. В предпочтительном варианте осуществления изобретения шлангокабель плотно прижимается хомутами к райзеру капремонта с каждой из сторон слабой перемычки с электронным управлением по комбинированному нагружению. Данный способ основан на силе натяжения в системе, обеспечивающей отрыв шлангокабеля, когда соединительное устройство 6 высвобождается. Альтернативное решение для резки шлангокабеля управления показано позицией 14а с использованием надцентрального механизма, который запускается электронным управлением для высвобождения срезающей плашки, нагруженной механической пружиной, удерживаемой на месте надцентральным механизмом. Позиция 14b представляет аналогичное решение, где режущая плашка высвобождается с помощью электродвигателя, поворачивающего диск, удерживающий плашку на месте во время нормальной работы. В позиции 14с использован гидравлический принцип для перемещения срезающей плашки для резки шлангокабеля. В данном случае клапан заряженного аккумулятора, с помощью которого режущая плашка толкается к шлангокабелю, открывается с помощью электрического управления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Устройство безопасности согласно настоящему изобретению реагирует на изгибающие силы в системе райзера в дополнение к растягивающим силам. Кроме того, устройство согласно настоящему изобретению предпочтительно осуществляет мониторинг суммарной комбинированной нагрузки, включающей в себя действие растяжения, изгиба, внутреннего давления и/или температуры. Мониторинг всех данных параметров может непрерывно осуществлять автономный электронный блок 20, который оценивает комбинированную нагрузку на систему и обеспечивает сохранение комбинированной нагрузки в заданных допустимых пределах. Электронный блок 20 сравнивает комбинированную нагрузку оценки с заданной характеристикой, ограничивающей комбинированное нагружение, разработанной для защиты барьера 5 (барьеров) скважины, которая должна определяться вычисленным соотношением между комбинированной нагрузкой на месте слабой перемычки и значением характеристики допустимой комбинированной нагрузки для барьера (барьеров) скважины. Если измеренная комбинированная нагрузка превышает заданную характеристику предела для барьера 5 (барьеров) рассматриваемой скважины, электронный блок 20 должен запускать отсоединение высвобождающегося соединительного устройства в райзере.
Один вариант осуществления слабой перемычки с электронным управлением по комбинированному нагружению согласно настоящему изобретению содержит трубу 18 датчика с электронным блоком 20 сбора и обработки данных, который интерпретирует условия комбинированного нагружения в трубе 18 датчика. Ограничивающую комбинированную нагрузку в трубе датчика разрабатывают для обеспечения целостности барьера (барьеров) скважины (см. Фиг. 9 и Фиг. 10) и задают вводом в электронный блок сбора и обработки данных. Если комбинированная нагрузка в трубе 18 датчика превышает определенный допустимый предел, блок должен активировать механический, электрический или гидравлический пусковой механизм, который должен отсоединять высвобождающееся соединительное устройство 6 в райзере 2.
Принцип стандартного соединительного устройства можно модифицировать с использованием высвобождающего механизма 11 с применением шарнирного и разрезного кулачкового кольца 7 и подпружиненного фиксирующего пальца 8, показанных на Фиг. 11-Фиг. 16. Фиксирующий палец 8 может также снабжаться исполнительным механизмом с использованием гидравлического устройства любого подходящего вида. Разрезное кулачковое кольцо 7 является предварительно-натягиваемым для соединения фиксаторов 9 соединительного устройства с достаточной силой, как для конструктивного исполнения нормального соединительного устройства. Для соответствия функции отсоединения разрезное кулачковое кольцо 7 шарнирно соединяется в двух или более местах. Понятно, что шарниров может быть больше или меньше, например 3, 4, 5, 6, или некоторое другое подходящее число. По меньшей мере, один из шарниров соединяется с помощью находящегося в напряженном состоянии фиксирующего пальца 8. Фиксирующий палец 8 находится в напряженном состоянии под действием достаточной силы, что обеспечивает возможность уборки фиксирующего пальца из разрезного кулачкового кольца 7, когда разрезное кулачковое кольцо 7 находится под действием предварительного натяжения с максимальной расчетной нагрузкой. Согласно одному варианту осуществления фиксирующий палец 8 находится в напряженном состоянии под действием нагруженной механической пружины 10. Альтернативно можно использовать находящуюся под избыточным давлением гидравлическую систему с клапанами с электронным управлением. Уборка фиксирующего пальца 10 с помощью только электрического управления может являться другим вариантом. Несколько альтернативных принципов уборки фиксирующего пальца показаны на Фиг. 12. Фиксирующий палец 8 скрепляет разрезное кулачковое кольцо 7, пока фиксирующий палец 8 находится на месте. Для отсоединения райзера 2, фиксирующий палец 8 в разрезном кулачковом кольце 7 высвобождается с помощью высвобождения механической пружины 10, альтернативно, с помощью открытия гидравлического клапана или любым другим подходящим способом уборки фиксирующего пальца 8. Фиксирующий палец 8 затем вытягивается и освобождается от разрезного кулачкового кольца 7, которое должно затем раскрываться под действием силы натяжения в системе. Фиксаторы 9 соединительного устройства, которые скрепляют фланцы двух секций райзера, затем освобождаются для поворота, и натяжение в райзере 2 должно обеспечивать разведение торцевых поверхностей 11 секций райзера, и райзер 2 отсоединяется от скважины. Радиальные пружины (не показано) можно включать в состав разрезного кулачкового кольца 7 для обеспечения открытия разрезного кулачкового кольца 7, когда фиксирующий палец 8 убирается. Понятно, что высвобождающийся фиксирующий механизм (не показано) можно использовать вместо фиксирующего пальца 8. Последовательность отсоединения показана на Фиг. 14 и Фиг. 15.
В случае развертывания линии 12 шлангокабеля вдоль райзера, например в вариантах применения для капремонта с использованием райзера капремонта, высвобождение шлангокабеля обеспечивается применением хомутов 13, плотно прижимающих шлангокабель непосредственно над и под соединительным устройством со слабой перемычкой с электронным управлением по комбинированному нагружению, как показано на Фиг. 16. Это должно обеспечивать концентрированную нагрузку/деформацию в шлангокабеле 12 на месте соединительного устройства. Концентрация напряжения должна обуславливать отрыв шлангокабеля 12, когда соединительное устройство со слабой перемычкой с электронным управлением по комбинированному нагружению высвобождается. Отрыв шлангокабеля 12 должен инициировать последовательность остановки, предохраняя барьер 5 (барьеры) скважины. Для конструктивных исполнений шлангокабеля, не подходящих для отрыва с приложением аксиальных нагрузок, можно использовать механизм с подпружиненной срезающей плашкой для срезания шлангокабеля. Срезающую плашку можно запускать исполнительным механизмом, аналогичным используемому для высвобождения фиксирующего пальца 8. Альтернативные конфигурации такой срезающей плашки для срезания шлангокабеля показаны на Фиг. 16.
Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, как показано на Фиг. 11, труба 18 датчика может содержать секцию трубы, обработанную на металлорежущем станке, например, снабженную тремя отдельными и полными блоками 19 аппаратуры. Блоки 19 аппаратуры могут, например, содержать несколько тензометров, несколько термометров и/или несколько манометров или комплект тензометров для измерения окружного напряжения используемых для оценки внутреннего заброса давления. Каждый блок 19 измерительной аппаратуры должен быть закреплен на окружности трубы 18 датчика, но может также крепиться в альтернативных конфигурациях. Электронный блок 20 сбора и обработки данных должен постоянно осуществлять мониторинг сигналов с датчиков в каждом (например, три или больше) блоке 19 измерительной аппаратуры на трубе 18 датчика.
Согласно одному варианту осуществления, сигналы могут обрабатываться системой голосования для обеспечения интерпретирования системой только функционирующих датчиков. Сигналы должны дополнительно использоваться в алгоритме, разработанном для мониторинга комбинированного нагружения в трубе. Измерения давления должны использоваться в алгоритме для обеспечения штатной работы устройства, если райзер не находится под избыточным давлением или если райзер находится под проектным избыточным давлением. Электронный блок 20 сбора и обработки данных может быть выполнен согласно приемлемому уровню эксплуатационной пригодности и безопасности (SIL) по требованиям соответствующих органов для обеспечения удовлетворительной надежности системы. Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, электронный блок может быть выполнен согласно требованиям SIL2 для обеспечения удовлетворительной надежности системы, но более высокие или более низкие уровни показателей безопасности можно выбирать согласно необходимости, требованиям и/или предпочтениям.
Согласно настоящему изобретению данные измерений, относящихся, по меньшей мере, к данным растягивающих нагрузок, изгибающих нагрузок, нагрузок от внутреннего давления и температуры, могут непрерывно или с перерывами принимать и обрабатывать с помощью электронного блока (20) сбора и обработки данных. Кроме того, электронный блок (20) сбора и обработки данных непрерывно или с перерывами определяет комбинированную нагрузку в колонне (2) райзера или шланга, и сравнивает определенную комбинированную нагрузку с заданной допустимой комбинированной нагрузкой барьера (5) (барьеров) скважины или другой стыкующейся структуры (структур).
Характеристика высвобождения, два примера которой даны на Фиг. 9 и Фиг. 10, может вводиться в электронный блок 20 для каждого конкретного месторождения или проекта. Таким образом, устройство безопасности согласно настоящему изобретению подходит для работы на любом месторождении, поскольку характеристику высвобождения можно разрабатывать для каждой индивидуальной площадки и варианта применения.
Блок 19 измерительной аппаратуры на трубе 18 датчика служит для сбора данных внутреннего давления, изгибающего момента и аксиального натяжения индикаторной трубы слабой перемычки. Для этого требуются следующие датчики согласно одному возможному варианту осуществления:
- Для резервирования рекомендованы 3 независимых измерительных секции.
Каждая измерительная секция может содержать:
- 4 точки измерения деформации, включающие в себя многорешеточные тензодатчики, установленные, например, на отметках 0°, 90°, 180° и 270° по периметру окружности трубы 18 датчика. Каждая точка должна содержать тензометры, как для аксиального, так и для окружного направления.
- Температурный датчик (датчики).
- Электронный блок сбора и обработки данных содержащий:
- Логическую схему для обработки данных измерений деформации и температуры с каждой измерительной секции упомянутой выше;
- Систему голосования для выбора между измерительными секциями.
Примеры каждого этапа, необходимого для реализации одного варианта осуществления настоящего изобретения, описаны ниже. Понятно, что конкретные этапы и способы выведения различных результатов можно изменять и что специалист в данной области техники, воспользовавшийся идеями изобретения, может посчитать нужным упростить, переписать, добавить или исключить некоторые условия и/или параметры в следующих примерах уравнениях и этапах.
1. Преобразование измеренной относительной деформации в напряжение:
Поверхность трубы, где установлены тензометры, находится в условиях плоского напряжения. Следующие уравнения применяются для преобразования местной деформации и температуры на наружной поверхности в местное напряжение:
s
где σ - осевое напряжение,
θ
σ - окружное напряжение,
s
ε - осевая деформация,
θ
ε - окружная деформация,
Е - модуль Юнга,
ν - коэффициент Пуассона,
α - коэффициент теплового расширения,
ΔТ - разность с расчетной температурой.
Данные уравнения должны описывать ситуацию с постоянной температурой по сечению. Влияние на напряжение изменений температуры должно компенсироваться в алгоритме, основанном на измерениях температуры температурным датчиком (датчиками).
2. Преобразуют поверхностное напряжение в давление, натяжение и изгибающий момент
Следующие уравнения можно использовать для преобразования напряжения на поверхности трубы в действующее натяжение, внутреннее давление и изгибающий момент (индекс 0°, 90°, 180° и 270° указывает положение по окружности):
3. Функции обнаружения отказа и критерии высвобождения слабой перемычки
Для установления логического сигнала, дающего пределы отказа/отсутствия отказа, можно использовать функции обнаружения отказа. Данные функции обнаружения отказа можно запускать по одной нагрузке или комбинации различных нагрузок, в зависимости от существующих ограничений в оборудовании. Следующие объединенные функции обнаружения отказа можно использовать:
s
где F - суммарный коэффициент запаса (заданный оператором или нормами и правилами),
max
T - максимально допустимое натяжение в слабом звене (обычно устанавливается для прочности на растяжение ограничивающего компонента барьера),
max
M - максимальный допустимый изгибающий момент в слабом звене (обычно устанавливается для прочности на изгиб ограничивающего компонента барьера).
max
max
Высвобождение должно запускаться, когда функция обнаружения отказа превышает 1. В общем, T и M должны закладываться в проект и должны вводиться в алгоритм слабой перемычки для конкретной системы оборудования устья скважины для определения приемлемого предела высвобождения для скважины.
Измерительную аппаратуру райзера можно выполнить с использованием серийно выпускаемых и имеющихся в продаже любых подходящих измерительных устройств. Измерения могут быть основаны либо на системах измерения локальных деформаций на поверхности райзера или системах измерения смещения/деформации конструкции райзера на определенном отрезке длины.
Натяжение в системе обычно измеряется тензометрами, которые закреплены на поверхности райзера и измеряют деформацию на поверхности райзера. Тензометры, в общем, основаны на измерении изменений в электрическом сопротивлении в материале при изменении длины и/или формы фланцевых патрубков, показанных на фигурах, при деформации материала.
Натяжение можно также измерять с помощью измерения общего удлинения райзера на заданном участке длины. Это можно выполнить, измеряя изменения токопроводности в предварительно натянутом электрическом проводе, оптически, с помощью лазерных систем или с помощью других серийно выпускаемых и имеющихся в продаже систем.
Изгибающий момент в райзере может быть получен объединением измерений деформаций вокруг сечения райзера для отделения деформаций изгиба от аксиальных деформаций в трубе.
Альтернативно, кривизну в секции райзера заданной длины можно измерять напрямую с помощью измерения изменений в электропроводности специально разработанных стержней измерения кривизны.
Давление в трубе можно измерить с помощью обычного манометра, измеряющего внутреннее давление в райзере. Альтернативно, давление можно получить с помощью измерения окружной деформации в трубе с использованием тензометров.
Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, традиционные тензометры используются для всех измерений, что в настоящее время является наиболее надежным для долговременных измерений. Если или когда другие измеряющие деформацию устройства окажутся более надежными или более надежными для долговременных измерений, их можно также использовать для выполнения необходимых измерений.
Что касается деталей устройства разрезного кулачкового кольца 7, фиксаторов 9 соединительного устройства и высвобождающего механизма 10, имеется несколько альтернативных решений согласно настоящему изобретению. Например, исполнительный механизм может быть выполнен с возможностью давать мгновенное высвобождение при силе до 80 т. Представляется, что силу 80 т должен, как правило, развивать заранее нагруженный пружинный механизм. Альтернативно данную силу может также развивать гидравлический исполнительный механизм или даже электродвигатель. Для высвобождения фиксирующего пальца 8, один из следующих принципов можно использовать (как также показано на Фиг. 12):
- Электрический переключатель или магнит, который высвобождает надцентральный механизм, который запускает высвобождение при силе 80 т.
- Электродвигатель, который освобождает фиксирующий палец 8.
- Гидравлическая система, которая открывает гидравлический клапан, при этом прикладывая гидравлическое давление от заранее заряженного аккумулятора для высвобождения фиксирующего пальца 8.
Слабая перемычка с электронным управлением по комбинированному нагружению согласно настоящему изобретению может также находить другие варианты применения. Для обычной пробной эксплуатации (продолжительное испытание работы скважин) с помощью бурильных труб или райзера капремонта слабую перемычку можно применять также для эксплуатационных райзеров. Для разгрузочных шлангов слабая перемычка с электронным управлением по комбинированному нагружению согласно настоящему изобретению должна быть выполнена для соответствующих аварийных ситуаций для конкретного применения. Вместе с тем, те же принципы для объединения электронных измерений в формулу комбинированного нагружения, которое постоянно сравнивают определенным пределом, и для запуска высвобождения соединительного устройства, когда необходимо, являются, в общем, применимыми. Следует отметить, что, в частности, для отгрузочных систем центром внимания в нормальных условиях является оснащение клапанами соединительного устройства для предотвращения загрязнения потоком из шланга в ситуации отсоединения. Данное не требуется для райзера капремонта, поскольку высвобождение слабой перемычки должно являться самым последним средством предотвращения аварий гораздо большего масштаба.
Настоящее изобретение предлагает ряд возможных преимуществ в сравнении с обычными решениями, используемыми в настоящее время. Области рабочих режимов могут значительно увеличиваться во время операций заканчивания/капремонта, поскольку статическое смещение в операции больше не действует на возможность слабых перемычек по защите барьера (барьеров) скважины, см. Фиг. 4. Каждый поставщик может, в принципе, определять соответствие установленным требованиям одной слабой перемычки, которую можно использовать в любой системе заканчивания/капремонта и настройки высвобождения можно устанавливать для каждого конкретного проекта. Увеличение области рабочих режимов является особенно важным для операций капремонта, выполняемых с судна с динамическим позиционированием, но должно также применяться к судам, стоящим на якорях.
В случае блокирования компенсатора 1 вертикальной качки, создающего чрезмерный изгиб в барьере 5 (барьерах) скважины при смещении буровой установки, допустимое смещение является обычно ограниченным. Со слабой перемычкой по комбинированному нагружению согласно настоящему изобретению, данное ограничение может быть снято, и слабая перемычка должна защищать барьер (барьеры) скважины в любой ситуации комбинированных нагрузок. Таким образом, слабая перемычка по комбинированному нагружению согласно настоящему изобретению должна также охватывать чрезмерное смещение судна и, таким образом, должна защищать барьер (барьеры) скважины во всех аварийных ситуациях, требующих мгновенного отсоединения райзера капремонта.
Уровень безопасности во время операций заканчивания/капремонта, в частности с судов с динамическим позиционированием, должен быть улучшен значительно, поскольку для слабой перемычки по комбинированному нагружению согласно настоящему изобретению осуществляется мониторинг и учитываются точные комбинированные нагрузки, возникающие в райзере 2 и барьере 5 (барьерах) скважины. Слабая перемычка по комбинированному нагружению согласно настоящему изобретению способна защищать барьер 5 (барьеры) скважины в варианте блокирования компенсатора, дрейфа судна или увода судна или любой комбинации данных ситуаций.
Слабая перемычка по комбинированному нагружению согласно настоящему изобретению не основана на потере несущей способности в каком-либо компоненте и поэтому не зависит от конкретных партий материала, нуждающихся в определении соответствия установленным требованиям проекта. Такое определение соответствия установленным требованиям проекта является дорогостоящим, затратным по времени и ненадежным. Со слабой перемычкой по комбинированному нагружению согласно настоящему изобретению жесткие схемы определения соответствия установленным требованиям проекта можно выполнять с помощью неразрушающего контроля.
Для слабой перемычки по комбинированному нагружению согласно настоящему изобретению учитывается нагружение натяжения и изгибающие нагрузки, а также любая комбинация данных нагрузок с большей точностью, чем у существующих конструкций слабых перемычек, которые в основном подходят только для растягивающих нагрузок или только для изгибающих нагрузок.
Для слабой перемычки по комбинированному нагружению согласно настоящему изобретению используется давление в системе в расчете комбинированного нагружения. Таким образом, больше не является проблемой выполнение всех проектных требований, когда система находится под избыточным давлением и, одновременно, обеспечение безопасного высвобождения, когда система не находится под избыточным давлением.
Настройки высвобождения слабой перемычки по комбинированному нагружению согласно настоящему изобретению можно регулировать с помощью функциональности "нажатия кнопки" и не полагаться на работу по проектированию конструкции или изготовление новых компонентов при использовании в новом проекте с новыми критериями проектирования.
Слабую перемычку по комбинированному нагружению согласно настоящему изобретению можно электронно испытывать на палубе для обеспечения полной функциональности на палубе непосредственно перед использованием.