БЛОК ПРОТИВОВЫБРОСОВЫХ ПРЕВЕНТОРОВ И СИСТЕМА ПИТАНИЯ
BLOWOUT PREVENTERS UNIT AND POWER SUPPLY SYSTEM

Изобретение относится к блоку противовыбросовых превенторов (задвижек), содержащему компоненты блока противовыбросовых превенторов, имеющие средство электропривода противовыбросового превентора для приведения в действие по меньшей мере одного соответствующего противовыбросового превентора (ПВП) и по меньшей мере с одним устройством аккумулирования кинетической энергии для подачи энергии и аккумулирования энергии.
Обычно бурильные колонны, собранные из бурильных штанг, применяютcя в глубоком бурении для достижения подземных залежей нефти и/или природного газа. На конце бурильной колонны оборудуют бурильную головку для разрушения породы с истиранием, например, шарошечное долото или алмазное долото (долото PDC). Бурильные штанги имеют внутренний диаметр от приблизительно 51 мм (2 дюйма) до приблизительно 1,22 м (48 дюймов) и длину обычно 9,1 м (30 футов) или приблизительно 14 м (46 футов). Бурильную колонну собирают из соединенных бурильных штанг. Диаметр бурильных штанг бурильной колонны, в настоящее время применяемых для бурения, зависит от глубины бурения. Бурильные штанги скрепляют бурильными замками, при этом сотни бурильных штанг должны соединяться друг с другом для достижения глубин тысяч метров. При этом достигают максимальной глубины приблизительно до 12000 м от поверхности грунта. На входе в скважину отливают бетонный фундамент для крепления скважины. Из скважины выступает участок бурильной колонны, который соединяется с мачтовым краном (краном с подвесной стрелой) или так называемым дерриком, соответственно, для удержания бурильной колонны и возможно также для приведения ее в действие, например, с помощью верхнего привода. Во время бурения строят скважины отличающегося диаметра и глубины, в которые спускают соответствующую трубную обсадную колонну и в которых выполняют бетонирование цилиндрической кольцевой стенки для крепления скважины в отливке, для удержания бурильных штанг в нужном положении и их направления. Кроме того, трубы обсадной колонны служат также для предотвращения обрушения горной породы или предотвращения поступления грунтовых вод. Обычно скважина состоит из многочисленных трубных колонн отличающихся диаметров и длины. При этом диаметры трубных колонн уменьшаются от глубин вблизи поверхности в направлении к большим глубинам.
2
Во время бурения бурильная головка разрушает с истиранием материал горной породы, который в общем находится под ней. Обычно, материал горной породы подается насосом вдоль свободного цилиндрического кольцевого пространства ствола, проходящего вокруг бурильных штанг от забоя скважины до устья скважины. Для данной цели промывочая жидкость, обычно вода/нефть с глиной и/или баритом, подается насосом через бурильные штанги под высоким рабочим давлением приблизительно до 2000 бар (30000 фунт/дюйм, 200 МПа), которая выходит на бурильной головке и выдавливает материал горной породы (вверх) в направлении к устью скважины. При этом промывочная жидкость служит для стабилизации скважины, охлаждения и смазки бурильной головки, удаления материала горной породы и удаления материала горной породы из оконечности скважины.
Вследствие высокого потребления нефти и природного газа человечеством, растет потребность эксплуатации все глубже залегающих и/или весьма трудно достижимых запасов, при этом сегодня извлечение нефти/природного газа из подземных запасов на глубинах 2000 м - 4000 м является рутинным. В частности, бурение на морском дне (подводное бурение), которое выполняется с буровых судов или морских буровых платформ/искусственных островов для бурения, применяют для эксплуатации новых запасов нефти и/или природного газа. В сравнении с глубоким бурением на суше, глубокое бурение на морском дне создает значительные технические трудности, поскольку забуривание скважины может происходить на глубине 4500 м (15000 футов) под водой. На такую большую глубину прямой доступ человека является невозможным, при этом требуется применение дистанционно-управляемых систем. Данные системы подвержены ошибкам, и их замена требует больших затрат времени. Дополнительно, в условиях воздействия соленой морской воды и высокого давления на морском дне общий износ механических частей, которые необходимы для бурения, увеличивается. Механические части подвергаются ускоренной коррозии и/или амортизации. Бурение также предпринимают в водоемах с пресной водой, однако такое бурение является менее распространенным, чем глубокое бурение на морском дне, и служит в основном исследовательским целям, но не эксплуатации нефтяных залежей и/или залежей природного газа.
В процессе бурения и эксплуатации скважины имеется опасность выброса, т.e. неуправляемого выхода материала, например, нефти, газа, почвы, воды, горных пород или другого материала, если, например, быстрое изменение давления возникает во время бурения или эксплуатации скважины. Данное возникает в частности в процессе бурения, когда бурильная головка вскрывает нефтяные или газовые залежи. Для предотвращения выброса, который приводит к серьезным повреждениям экологии и потере запасов, в практической работе применяют противовыбросовые превенторы (ПВП).
Противовыбросовые превенторы (ПВП) являются известной техникой и служат для регулирования давления и для закрытия скважины в случае выброса. Обычно блок, состоящий из отличающихся противовыбросовых превенторов, устанавливают на нулевой отметке начала скважины. Блоки противовыбросовых превенторов могут весить до 1000 т и достигать высоты до 20 м. Блоки противовыбросовых превенторов в общем содержат напорные трубы, которые могут производить давление на материал в скважине или сбрасывать давление из скважины для регулировки давления в скважине и при этом, например, обеспечивать управляемое бурение или эксплуатацию для добычи нефти и/или газа из скважины. Блоки противовыбросовых превенторов различных типов применяютcя во время бурения скважины и во время эксплуатации скважины. Противовыбросовые превенторы для бурения имеют время эксплуатации приблизительно 6 месяцев и подлежат проверке после эксплуатации. В варианте глубоководного морского бурения блок противовыбросовых превенторов в целом должен подниматься для данной цели с морского дна на поверхность. Для добычи также можно применять более простую конструкцию, например, устьевую фонтанную арматуру/устьевую эксплуатационную арматуру. Устьевая фонтанная арматура имеет гораздо большее время работы, до 25 лет. Устройство и число противовыбросовых превенторов в блоке противовыбросовых превенторов определяет максимальную глубину бурения, поскольку обычно противовыбросовый превентор, адаптированный для каждого диаметра трубы, применяемой во время бурения, имеется в блоке противовыбросовых превенторов.
Противовыбросовые превенторы могут иметь вид плашечных противовыбросовых превенторов или универсальных противовыбросовых превенторов. Плашечные противовыбросовые превенторы обычно содержат две противоположно расположенных плашки, тиски или задвижки, которые могут перемещаться относительно друг друга. Универсальные противовыбросовые превенторы обычно включают в себя кольцевой упругий элемент, который может иметь множество кольцевых сегментов, которые можно усиливать металлическими сегментами и которые могут смещаться так, что образуют герметичное уплотнение с помощью своих контактных поверхностей. В зависимости от конструктивного решения и, в частности, в зависимости от вида тисков, плашечные противовыбросовые превенторы могут служить для полного срезания, уплотнения или сдавливания бурильной штанги бурильной колонны, проходящей вдоль оси скважины в противовыбросовый превентор, для противодействия давлению материала, проходящего вверх из скважины. Обычно несколько противовыбросовых превенторов размещают в блоке противовыбросовых превенторов, при этом противовыбросовые превенторы, расположенные ближе к залежи, обычно выполнены с возможностью охвата и уплотнения бурильных штанг, а противовыбросовые превенторы, расположенные дальше от залежи, оборудованы для отделения бурильной колонны и герметизации скважины. Универсальные противовыбросовые превенторы могут закрываться с регулированием уровня герметичности и выполняются с возможностью достижения герметизации скважины или уплотнения вокруг бурильных штанг. Противовыбросовые превенторы и дополнительные компоненты блока противовыбросовых превенторов обычно управляются и приводятся в действие с помощью гидравлического оборудования. Для данной цели в противовыбросовые превенторы подается под давлением гидравлическая текучая среда, которая может приводить в действие противовыбросовые превенторы, смещая или сжимая плашки и/или кольцевые упругие элементы известным способом, например, открывая или закрывая их.
Обычный блок противовыбросовых превенторов имеет на своем конце, обращенном к скважине, соединительный узел устьевого оборудования, который служит для герметичного закрытия самой верхней обсадной колонны из муфтовых труб (обсадная труба направления), короткий участок которой выступает из бетонного пола устья скважины, и при этом соединения блока противовыбросовых превенторов со скважиной. Для данной задачи соединительный узел устьевого оборудования имеет обычно диаметр больше, чем у обсадной трубы направления, и снабжен сегментами зажимной конусной втулки, расположенными на внутренней окружности. Если соединительный узел устьевого оборудования устанавливают на обсадной трубе направления, сегменты зажимной конусной втулки могут прижиматься под давлением в упор к соединительному узлу блока, который установлен на конце обсадной трубы направления, для обеспечения герметичного уплотнения. В случае выхода из строя блока противовыбросовых превенторов или если блок противовыбросовых превенторов подлежит рутинной замене, соединительный узел устьевого оборудования должен открываться для обеспечения удаления блока противовыбросовых превенторов из скважины и заменяться новым блоком противовыбросовых превенторов или, в случае подготовки к эксплуатации, устьевой фонтанной арматурой.
Сверху соединительного узла устьевого оборудования следуют один или множество противовыбросовых превенторов с трубными плашками для уплотнения соответствующих труб отличающихся диаметров. Противовыбросовые превенторы с трубными плашками имеют противоположно расположенные плашки с выемками, которые соответствуют диаметру бурильной штанги. Если противовыбросовый превентор с трубными плашками активируется, противоположно расположенные плашки перемещаются друг к друг до охвата ими с уплотнением бурильной штанги с диаметром, соответствующим выемке. В зависимости от глубины бурения, разное число противовыбросовых превенторов с трубными плашками размещают с установкой друг на друга.
Сверху противовыбросовых превенторов с трубными плашками следует противовыбросовый превентор со срезающими плашками, который оборудуют для срезания бурильных штанг бурильной колонны. Для данной цели плашки противовыбросовых превенторов со срезающими плашками имеют срезающие кромки, которыми можно срезать бурильные штанги на манер ножниц. Предпочтительно, противовыбросовый превентор со срезающими плашками также служит для срезания бурильной штанги с одновременной герметизацией отверстия бурильной штанги. В вместе с тем, уплотнение противовыбросового превентора со срезающими плашками не является удовлетворительным, так что часто универсальный противовыбросовый превентор дополнительно ставят на него сверху. Это служит для герметизации отверстия бурильной штанги и/или скважины в целом.
Затем следует дополнительный универсальный противовыбросовый превентор, который служит для герметизации блока противовыбросовых превенторов. Верхний универсальный противовыбросовый превентор соединяется с нижним узлом морского райзера (LMRP).
В частном случае противовыбросового превентора на морском дне за универсальным противовыбросовым превентором следует соединительный узел райзера. Узел предназначен для герметичного соединения райзера. Райзер обычно содержит герметичные стальные трубы, во внутреннее пространство которых направляются бурильная колонна и промывочная жидкость. Внутренний диаметр райзера больше диаметра бурильной колонны и обычно составляет приблизительно 533 мм (21 дюйм).
Нижний соединительный узел морского райзера (LMRP) составляет еще одну плоскость разъема блока противовыбросовых превенторов, если райзер требуется отделить от блока противовыбросовых превенторов. Такое может потребоваться, если буровое судно должно покинуть свою позицию, например, вследствие дрейфа айсберга в направлении к буровому судну. В таком случае скважину можно герметизировать с помощью блока противовыбросовых превенторов. Буровое судно после отсоединения нижнего узла морского райзера (LMRP) может покинуть свою позицию и позже повторно соединить райзер с блоком противовыбросовых превенторов.
Отказ блока противовыбросовых превенторов недопустим, поскольку потеря герметичности скважины в случае выброса связана со значительными экономическими и экологическими потерями. Поэтому, существуют высокие требования безопасности к блоку противовыбросовых превенторов, в особенности для бурения на морском дне. Применение нескольких дублирующих систем снабжения и безопасности является, таким образом, обязательным. Поэтому блоки противовыбросовых превенторов содержат, кроме собственно противовыбросовых превенторов, линии глушения скважины и штуцерные линии, соединенные с отдельными линиями, которые выполнены с возможностью инжектировать заполняющий материал под высоким давлением в скважину и/или блок противовыбросовых превенторов или уменьшать давление в блоке противовыбросовых превенторов с помощью выпуска материала для обеспечения успешной герметизации скважины в варианте полного или частичного выхода из строя противовыбросового превентора.
Документ US 3,667,721 раскрывает противовыбросовый превентор, содержащий уплотнительный элемент, имеющий упругое уплотнительное средство. Множество металлических смещающих средств может перемещаться со скольжением в упор к искривленной внутренней поверхности кожуха для приведения уплотнительного элемента в герметизирующее положение, в котором уплотнительное средство расположено в упор к управляющему поршню. Уплотнительное средство может находиться в контакте по окружности с искривленной внутренней поверхностью кожуха для образования уплотнения. Уплотнительный элемент может реагировать на изменения диаметра компонентов бурильной колонны с помощью регулирования уплотнительного элемента.
Документ US 2008/0023917 A 1 раскрывает уплотнение и способ изготовления уплотнения для противовыбросового превентора. Уплотнение включает в себя вставку из жесткого материала, расположенную в эластомерном корпусе, в котором по меньшей мере один участок избирательно лишен связи с эластомерным корпусом. На вставку из жесткого материала, которая лишена связи с эластомерным корпусом, может наноситься разделительный состав подобный силикону. Способ содержит генерирование модели уплотнения с анализом методом конечных элементов, где график деформации анализируют на основе условий смещения, и где затем в анализе методом конечных элементов идентифицируют по меньшей мере один участок вставки из жесткого материала, который избирательно лишен связи с эластомерным корпусом. Способ дополнительно содержит изготовление уплотнения с вставкой из жесткого материала, которая избирательно лишена связи с эластомерным корпусом.
Документ US 6,719,042 B2 раскрывает компоновку срезающих плашек для срезания нефтяного райзера. Устройство содержит две скользящие плашки, которые соответственно могут скользить вдоль разных осей плашки, одна из которых имеет верхнее лезвие, и другая имеет нижнее лезвие. Поверхности лезвий плашек сближаются, становясь смежными, когда лезвия для срезания нефтяного райзера перемещаются в направлении друг к другу. Уплотнительная система установлена в выемке в верхней поверхности нижнего лезвия. Уплотнительная система содержит эластомерное уплотнение и исполнительный механизм для уплотнения нижней плоской поверхности верхнего лезвия. Исполнительный механизм перемещается относительно нижнего лезвия для приведения эластомерного уплотнения в напряженное состояние.
Документ US 5,655,745 раскрывает легкий гидравлический противовыбросовый превентор, содержащий корпус противовыбросового превентора, шарнирные плиты и две пары плашек. Корпус противовыбросового превентора имеет отверстия для направления бурильной штанги и, перпендикулярно ему, две наложенные друг на друга противоположно расположенные направляющие, каждую для соответствующей пары плашек. Две крышки соответственно крепятся к корпусу противовыбросового превентора небольшим числом соединительных болтов, которые на виде от оси плашки, расположены перпендикулярно друг другу вдоль непрерывного радиуса или вдоль одной линии. Крышки образуют продолжения направляющих, в каждой из которых, соответственно, функционирует плашка. Гидравлический поршень соответствующей плашки окружен металлическим уплотнением, соответственно. Крышки расположены на шарнирных плитах. Соединительные болты крышек можно отвинчивать и обеспечивать крышкам поворот в шарнире от корпуса с помощью шарнирных плит.
Документ US 7,300,033 B1 раскрывает систему герметизации управляющего устройства противовыбросового превентора содержащую герметизирующий элемент, шток поршня, кожух управляющего устройства, поршень, втулку и стержень герметизации. Шток поршня соединяется одним концом со стержнем герметизации. Кожух управляющего устройства устроен соединенным одним концом с крышкой и вторым концом с головкой. Шток поршня проходит через крышку в кожух управляющего устройства и в нем соединяется с поршнем, имеющим корпус и фланец. Втулка закреплена на спирали в полости поршня и, с помощью фиксирующего стержня, который вращательно закреплен на головке, может смещаться аксиально относительно поршня. Один конец стержня затвора проходит через головку и может функционировать под водой снаружи кожуха управляющего устройства.
Документ WO 02/36933 A1 раскрывает противовыбросовый превентор, включающий в себя отсекающее устройство и соединительный канал. Отсекающее устройство может перемещаться поперечно по отношению к соединительному каналу с помощью приводного устройства. Отсекающее устройство содержит два индивидуально или синхронно управляемых электрических двигателя и зубчатый механизм с автоматической блокировкой. Зубчатый механизм с автоматической блокировкой соединен с возможностью приведения в движение с электрическими двигателями.
Задачей изобретения является создание улучшенного блока противовыбросовых превенторов, в частности для глубокого бурения на морском дне.
Согласно изобретению данную задачу решают с помощью блока противовыбросовых превенторов, содержащего компоненты блока противовыбросовых превенторов, по меньшей мере один из которых включает в себя противовыбросовый превентор и средство электропривода противовыбросового превентора для управления противовыбросовым превентором. Для данной цели энергию для управления противовыбросовым превентором обеспечивают посредством устройства аккумулирования кинетической энергии.
Предпочтительно, устройство аккумулирования кинетической энергии является устройством аккумулирования с центробежной массой. Множество устройств аккумулирования кинетической энергии могут являться устройствами аккумулирования с центробежной массой. Центробежной массой может являться маховик, качающийся стержень, колеблющийся цилиндр или т.п., и предпочтительно является маховик. Устройство аккумулирования кинетической энергии может иметь конструктивное решение в виде комбинации двигателя и генератора и принимать, преобразовывать, аккумулировать и повторно подавать энергию. В частности, устройство аккумулирования кинетической энергии может быть приспособлено для рекуперации энергии. Предпочтительно, устройство аккумулирования кинетической энергии преобразует аккумулируемую кинетическую энергию в электрическую энергию и/или электрическую энергию в кинетическую энергию. В предпочтительном варианте осуществления устройство аккумулирования кинетической энергии, например устройство аккумулирования с центробежной массой, содержит один или множество отличающихся магнитных материалов.
Устройство аккумулирования кинетической энергии, для примера, в виде устройства аккумулирования с центробежной массой, имеет скорости вращения предпочтительно 10000-12000 об/мин и может достигать скоростей до 100000 об/мин. Предпочтительно, устройства аккумулирования кинетической энергии блока противовыбросового превентора работают постоянно с максимальной скоростью вращения для службы в качестве постоянных источников энергии приводного средства противовыбросового превентора или для управления противовыбросовым превентором. Скорости вращения можно измерять с помощью блока управления, соединенного с устройством аккумулирования кинетической энергии. При этом, величина скорости вращения делает возможным определять подачу энергии устройств аккумулирования кинетической энергии, таких, например, как устройства аккумулирования энергии маховика. Для уменьшения или предотвращения высоких механических напряжений на подшипниках качения устройств аккумулирования кинетической энергии, подшипники качения предпочтительно являются магнитными подшипниками вращения. Индукционный тормоз для торможения устройств аккумулирования кинетической энергии является возможным.
Приводное средство противовыбросового превентора может управлять противовыбросовыми превенторами напрямую с помощью кинетической энергии от устройств аккумулирования кинетической энергии или с помощью электропривода, в виде электрических двигателей, которые предпочтительно снабжаются электроэнергией от устройств аккумулирования кинетической энергии.
Предпочтительно, приводные средства противовыбросового превентора содержат редукторы, в частности привод с шпинделем (волновой приводной редуктор), устройства аккумулирования кинетической энергии и/или электропривод. Привод/привода шпинделя или волновой приводной редуктор могут соединяться с шпинделем с ходовым винтом с помощью зубчатых колес. Привод шпинделя с ходовым винтом может соединяться с плашками плашечных противовыбросовых превенторов или кольцевыми упругими элементами универсальных противовыбросовых превенторов и может обеспечивать закрытие и открытие плашек или кольцевых упругих элементов. Привода шпинделя имеют скорости вращения значительно ниже, чем у устройств аккумулирования кинетической энергии и должны соединяться с устройствами аккумулирования кинетической энергии и/или приводными средствами противовыбросового превентора аналогично электрическим двигателям с помощью муфт и зубчатых устройств. Таким образом, центробежные массы устройств аккумулирования с центробежной массой, в являющемся примером варианте осуществления устройств аккумулирования кинетической энергии могут постоянно вращаться и могут постоянно вращаться с высокими оборотами, поскольку они могут отсоединяться от привода шпинделя. Предпочтительно, соответствующие устройства аккумулирования кинетической энергии соединяются с помощью электрoмеханической жестко блокирующей или жестко блокирующей муфты с соответствующим приводом шпинделя (волновой приводной редуктор). Предпочтительно, привода шпинделя имеют стальные роторы и могут усиливаться карбоновым волокном. Привода шпинделя могут также соединяться с приводными средствами противовыбросового превентора, аналогично, например электродвигателю, с помощью муфты и/или зубчатого механизма. Соответствующий привод шпинделя представляет собой предпочтительно зубчатые колеса с автоматической блокировкой, которые в стационарных условиях нельзя реверсировать без приводного средства противовыбросового превентора, аналогично, например электроприводу, или соединяется способом с автоматической блокировкой с соответствующими зубчатыми колесами. Действие автоматической блокировки можно реализовать, например с помощью набора эпициклических шестерен, планетарного зубчатого механизма или т.п. Предпочтительно, автоматическую блокировку обеспечивает червячная передача, содержащая по меньшей мере один червяк, связанный с приводным средством противовыбросового превентора и червячное колесо, связанное с одной из плашек. Червячное колесо может механически соединяться со шпинделем привода. Соединение с автоматической блокировкой привода со шпинделем с зубчатыми колесами можно реализовать для вращения в обоих направлениях.
В предпочтительном варианте осуществления два зубчатых колеса с автоматической блокировкой размещены вокруг зубчатого колеса привода шпинделя с ходовым винтом, которые оборудованы для привода переднего хода и реверсивного привода в приводе шпинделя с ходовым винтом, соответственно. Соответствующее одно из приводных средств противовыбросового превентора, соединенное с зубчатым колесом с автоматической блокировкой, соединено с системой энергоснабжения и управления, например, с Синей или Желтой системой энергоснабжения и управления. В данном тексте, системы обозначенные цветами, Синим и Желтым, являются двумя системами энергоснабжения и управления, пригодными для эксплуатации независимо друг от друга. Применение обозначения, Синего и Желтого, является обычным в промышленности.
В альтернативном варианте осуществления четыре зубчатых колеса с автоматической блокировкой расположены крестообразно вокруг зубчатого колеса привода шпинделя с ходовым винтом, при этом два из них, соответственно, оборудованы для привода переднего хода привода шпинделя с ходовым винтом, и два из них оборудованы для реверсивного привода шпинделя с ходовым винтом. Соответственно зубчатые колеса с автоматической блокировкой, оборудованные для привода переднего хода и оборудованные для реверсивного привода, соединены с соответствующей системой энергоснабжения и управления, например, Синей или Желтой системой. Для данного варианта осуществления зубчатые колеса с автоматической блокировкой предпочтительно перемещаются в направлении к зубчатому колесу привода шпинделя с ходовым винтом и от него, при этом зубчатые колеса с автоматической блокировкой могут находиться в контакте или не иметь контакта с зубчатым колесом привода шпинделя с ходовым винтом.
В предпочтительном варианте осуществления приводным средством противовыбросового превентора является электрический привод, например, электрический двигатель или т.п. Приводное средство противовыбросового превентора может также являться устройством аккумулирования кинетической энергии или содержать устройство аккумулирования кинетической энергии. Предпочтительно, каждый противовыбросовый превентор соединен с двумя или больше приводными средствами противовыбросового превентора, которые могут управлять работой противовыбросового превентора независимо друг от друга. Компоненты приводного средства противовыбросового превентора или приводное средство противовыбросового превентора полностью может являться заменяемым. В частности, замену приводного средства противовыбросового превентора можно выполнять при нахождении приводного средства противовыбросового превентора в эксплуатации, при этом не требуется прерывания эксплуатации блока противовыбросовых превенторов для замены приводного средства противовыбросового превентора. Подводная замена приводного средства противовыбросового превентора также является возможной.
Предпочтительно, компоненты блока противовыбросовых превенторов пригодны к эксплуатации полностью посредством электричества. Блок противовыбросовых превенторов полностью можно также эксплуатировать с чисто электрическим управлением.
Изобретение включает в себя реализацию чисто электрических систем, заявленных в изобретении, которые в отличие от гидравлической или гибридной электрогидравлической системы в основном известной в существующей технике и обычно находящей применение, являются более простыми, предлагают повышенную безопасность и также содействуют улучшенному обмену информацией. Повышенная безопасность является следствием более высокого резервирования чисто электрической системы безопасности, поскольку работой множества приводных средств противовыбросового превентора можно управлять независимо друг от друга. В частности резервирование для управления работой блока противовыбросовых превенторов является в сравнении с существующей техникой, улучшенным, благодаря возможностям систем аварийного энергоснабжения и систем аварийного управления. Кроме того, электрические части компонентов легче заменить, при этом только части компонента блока противовыбросовых превенторов требуют замены, результатом являются уменьшение объема работ по техническому обслуживанию. Улучшенный обмен информацией становится возможным, поскольку электрические системы могут передавать данные с датчиков и на них; например, эксплуатационную готовность противовыбросового превентора можно протестировать в любое время.
В предпочтительном варианте осуществления блока противовыбросовых превенторов блок противовыбросовых превенторов соединен с двумя или больше независимыми системами энергоснабжения и управления, например Синей системой энергоснабжения и управления и Желтой системой энергоснабжения и управления. Две или больше систем энергоснабжения и управления предпочтительно пригодны к эксплуатации независимо друг от друга. Системы энергоснабжения и управления оборудованы для снабжения компонентов блока противовыбросовых превенторов энергией. Кроме того, системы энергоснабжения и управления могут передавать сигналы данных для измерения параметров и/или управления компонентами блока противовыбросовых превенторов на компоненты блока противовыбросовых превенторов и приема их от компонентов блока противовыбросовых превенторов. Системы энергоснабжения и управления предпочтительно являются чисто электрическими и оборудованы с дублированием, что обеспечивает параллельную работу систем энергоснабжения и управления, а также переключение между разными приводами.
В дополнительном предпочтительном варианте осуществления блок противовыбросовых превенторов соединен одним или несколькими аварийными кабелями с одной или множеством систем аварийного электроснабжения и аварийного управления. Системы аварийного электроснабжения и аварийного управления предпочтительно выполняют функции аналогичные системам энергоснабжения и управления, т.e. системы аварийного электроснабжения и аварийного управления обеспечивают компоненты блока противовыбросовых превенторов по аварийному кабелю энергией и/или передают и принимают сигналы данных для измерения параметров и для управления компонентами блока противовыбросовых превенторов на компоненты блока противовыбросовых превенторов и с них. Аварийные кабели могут, например соединяться с буем, судном, наземной станцией, аппаратом дистанционного управления (подводным аппаратом дистанционного управления - ROV), подводным паротурбинным устройством или т.п., которые либо могут подавать энергию, передавать сигналы данных, принимать сигналы данных или обеспечивать комбинированное выполнение данных функций. Параллельно, также множество систем аварийного питания и аварийного управления может соединяться с блоком противовыбросовых превенторов и принимать данные с блока противовыбросовых превенторов. Предпочтительно, блок противовыбросовых превенторов выполнен так, что системы аварийного питания и аварийного управления соответственно имеют отличающуюся приоритетность, при этом управление в основном осуществляется с помощью одной системы, а другие системы служат, как дополнительные дублирующие аварийные системы. В частности, системы аварийного питания и аварийного управления выполнены с возможностью высвобождения в случае аварии, как в соединительном устройстве оборудования устья скважины (соединительный узел устьевого оборудования), так и в нижнем соединительном узле морского райзера (LMRP). При этом новый блок противовыбросовых превенторов можно установить на оборудование устья скважины, и райзер можно отделить от блока противовыбросовых превенторов. В частности, соединительное устройство оборудования устья скважины (соединительный узел устьевого оборудования) включает в себя дополнительные электрические соединительные узлы, которые могут отключаться для защиты дублирующих систем, если не работающие или короткозамкнутые электрические схемы соединены с ними.
Параллельная работа систем энергоснабжения и управления является дополнительным аспектом изобретения, который можно также реализовать независимо от других аспектов, описанных в данном документе. Параллельная работа систем энергоснабжения и управления предлагает в сравнении с гидравлическими системами, которые могут управляться только одной соответствующей системой и которые также не обеспечивают тестирования функциональности второй гидравлический системы (резервной системы) до отключения первой гидравлической системы, преимущества резервирования и возможности контроля функциональности применяемых систем. Кроме того, это обеспечивает соединение неограниченного числа дополнительных систем аварийного питания и аварийного управления с блоком противовыбросовых превенторов и с его компонентами, что обеспечивает дополнительное резервирование и, таким образом, безопасность.
Предпочтительно, системы энергоснабжения и управления соединены через однополюсную линию, например однополюсный коаксиальный кабель, в котором защитная оболочка является электропроводной в качестве земли, с блоком противовыбросовых превенторов или с компонентами блока противовыбросовых превенторов. Линии можно направлять в стальных трубах для их защиты от внешних воздействий, например падающих предметов, морских организмов или других воздействий окружающей среды. Один соединительный узел располагается на соответствующем конце однополюсной линии электропитания. Соединительные узлы, которые граничат с блоком противовыбросовых превенторов, предпочтительно герметизируют уплотнениями так, что морская вода не может проникнуть в соединительные узлы. Соединительные узлы могут содержать средство нагнетания давления или могут соединяться со средством нагнетания давления, которое создает избыточное давление в соединительных узлах, превышающее внешнее давление, для предотвращения проникновения морской воды. В предпочтительном варианте осуществления однополюсные линии соответственно соединяются с соединительным узлом блока противовыбросовых превенторов и с соединительным узлом системы энергоснабжения и управления. Предпочтительно, только одну линию оборудуют между системой энергоснабжения и управления и блоком противовыбросовых превенторов. В предпочтительном варианте осуществления каждый соединительный узел содержит один или несколько датчиков, оборудованных для оценки функциональности соединительного узла и создания сигнала данных, который может передаваться через однополюсную линию в систему энергоснабжения и управления. Передачу данных через однополюсную линию между компонентами блока противовыбросовых превенторов, датчиками, датчиками соединительных узлов и другими устройствами, установленными на морском дне, которые приспособлены для передачи данных, и системами энергоснабжения и управления и другими устройствами, приспособленными для передачи данных, предпочтительно получают ВЧ модуляцией питающего напряжения, подаваемого через один контакт однополюсной линии. Предпочтительно, питающее напряжение имеет величину 400-600 в. ВЧ модуляция питающего напряжения имеет напряжение ниже питающего напряжения, например, 15 в и более высокую частоту.
В дополнительном предпочтительном варианте осуществления блока противовыбросовых превенторов блок противовыбросовых превенторов соединен с одним или несколькими паротурбинными устройствами. Соединение в данном случае является таким, что паротурбинное устройство может обеспечивать компоненты блока противовыбросовых превенторов и/или блок противовыбросовых превенторов электропитанием, энергия для которого аккумулируется в одном или множестве паровых аккумуляторов паротурбинного устройства в виде перегретого пара под давлением. Паротурбинное устройство оборудовано для управления работой одного или множества противовыбросовых превенторов блока противовыбросовых превенторов, например для их электрического закрытия или открытия. Для обеспечения электрической энергии, один или множество паровых аккумуляторов паротурбинного устройства предпочтительно постоянно заполнены перегретым паром под давлением или постоянно заполняются перегретым паром под давлением, который можно в любое время преобразовать в электрическую энергию с помощью паровой турбины и генератора. Предпочтительно энергия, аккумулируемая в паровом аккумуляторе паротурбинного устройства является достаточной для закрытия, открытия и повторного закрытия противовыбросового превентора. Предпочтительно, паровой аккумулятор снабжен нагревательным элементом, который может работать от энергии источника энергии, установленного снаружи паротурбинного устройства, и который может например нагревать воду в паровом аккумуляторе для генерирования перегретого пара. Предпочтительно, электрическая энергия генерируется на буровом судне на поверхности моря, например, с помощью дизельного генератора, и передается по электрической линии в виде электропитания на паротурбинное устройство, которое может применяться в нагревательном элементе для нагрева и превращения в пар воды. Энергию, аккумулируемую в паре, можно преобразовать в электрическую энергию в любое время, например, с помощью паротурбины и генератора. Также возможно заполнение соответствующего парового аккумулятора перегретым паром с источника пара, установленного снаружи паротурбинного устройства. Измеряющий температуру прибор, например термометр, термопреобразователь или т.п., расположенный в паровом аккумуляторе, может измерять температуру пара, с помощью которой можно определить энергию, аккумулируемую в паровом аккумуляторе. Паровой аккумулятор может являться резервуаром высокого давления, например цилиндрическом резервуаром высокого давления диаметром 0,5 м - 1 м и высотой 2,5 м - 4 м. Паротурбинное устройство предпочтительно оборудуют, как аварийную систему энергоснабжения и могут соединять через однополюсную линию с блоком противовыбросовых превенторов или с одним или множеством компонентов блока противовыбросовых превенторов. Предпочтительно, одно из паротурбинных устройства соединено с компонентом блока противовыбросовых превенторов, который содержит противовыбросовый превентор со срезающими плашками. Линии, проходящие между паротурбинным устройством и дополнительными системами энергоснабжения и управления также возможны, например для энергоснабжения парового аккумулятора и/или для управления паротурбинным устройством.
Паротурбинное устройство для энергоснабжения блока противовыбросовых превенторов на морском дне также представляет концепцию, которую можно реализовать независимо от варианта осуществления блока противовыбросовых превенторов, т.e. паротурбинное устройство также приспособлено для питания электрических компонентов обычного блока противовыбросовых превенторов. Вариант применения для полностью гидравлически управляемого блока противовыбросовых превенторов также возможен, поскольку дополнительные генерирующие давление устройства, которые установлены на морском дне, можно эксплуатировать с помощью энергии одного или множество паротурбинных устройств, в которых генерирующие давление устройства выполнены с возможностью генерирования давления для гидравлической рабочей жидкости, для обеспечения управления гидравлической рабочей жидкостью работой гидравлически управляемого блока противовыбросовых превенторов. Также возможно применение давления самого пара для управления работой компонента противовыбросового превентора.
Преимущество изобретения заключается в том, что любой электрический ток, в частности также электрический ток, генерируемый на поверхности моря с помощью дизельного генератора, можно подавать в паротурбинное устройство с последующим преобразованием в тепловую энергию в виде пара, т.e. высокие требования не предъявляются к качеству тока, например, частоте, стабильности напряжения или аналогичным свойствам. Пар может применятьcя в паротурбинном устройстве для генерирования электрической энергии, которая может применятьcя для эксплуатации блока противовыбросовых превенторов. Поскольку паротурбинное устройство и паровой аккумулятор, включенные в состав, размещены на морском дне, риск выхода из строя, обусловленный повреждением линии между источником энергии и блоком противовыбросовых превенторов значительно уменьшается.
В предпочтительном варианте осуществления множество устройств аккумулирования кинетической энергии размещают и соединяют между собой в компоненте блока противовыбросовых превенторов или в приводном средстве противовыбросового превентора. Например, смежные устройства аккумулирования кинетической энергии или все устройства аккумулирования кинетической энергии можно объединять. Предпочтительно, устройства аккумулирования кинетической энергии могут передавать энергию, в форме кинетической или электрический энергии, на другое устройство аккумулирования энергии или принимать с другого устройства аккумулирования кинетической энергии. Устройства аккумулирования кинетической энергии также могут передавать аккумулируемую энергия на другое приводное средство противовыбросового превентора или устройство аккумулирования кинетической энергии другого компонента блока противовыбросовых превенторов и/или принимать ее с другого приводного средства блока противовыбросовых превенторов или устройства аккумулирования кинетической энергии другого компонента противовыбросового превентора. В таком варианте все объединенные устройства аккумулирования кинетической энергии могут служить хранилищем энергии для управления противовыбросовыми превенторами, приводными средствами противовыбросового превентора и/или компонентами блока противовыбросовых превенторов. Это увеличивает безопасность, поскольку на месте работы имеются дублирующие устройства аккумулирования энергии, из которых, в случае нарушения работы одного из устройств аккумулирования кинетической энергии или частичного или в целом повреждения соединения с системой энергоснабжения и управления, все равно возможен прием энергии с помощью другого устройства аккумулирования кинетической энергии для управления работой части или всего блока противовыбросовых превенторов.
В дополнительном предпочтительном варианте осуществления противовыбросовый превентор, компонент блока противовыбросовых превенторов или приводное средство противовыбросового превентора содержит один или множество датчиков силы и/или датчиков положения. Датчики силы предпочтительно выполнены с возможностью измерeния силы, действующей на плашки плашечных противовыбросовых превенторов или на кольцевые упругие элементы универсальных противовыбросовых превенторов и создания сигнала данных, содержащего данные измерений (данные силы), который могут передаваться, например через однополюсную линию, в систему энергоснабжения и управления. Датчики положения предпочтительно выполнены с возможностью измерeния положения плашек плашечных противовыбросовых превенторов или кольцевых упругих элементов универсальных противовыбросовых превенторов и создания сигнала данных, содержащего данные измерений (данные положения), которые могут передаваться через однополюсную линию в систему энергоснабжения и управления. С помощью данных измерений система управления может точно управлять противовыбросовыми превенторами и регулировать их так, что, по меньшей мере можно получить оптимальное сочетание степени износа и действия уплотнения.
Дополнительным аспектом изобретения поэтому является улучшенное и/или более точное управление противовыбросовыми превенторами блока противовыбросовых превенторов, которое является особенно предпочтительным для так называемого "спуска инструмента в скважину под давлением" и "спускоподъемных операций под давлением", соответственно. В данном тексте "спуск инструмента в скважину под давлением" понимается, как выталкивание бурильных штанг бурильной колонны из скважины, когда имеется проявление давления на забое в скважине, при этом противовыбросовый превентор герметизирует ствол вокруг диаметра бурильной штанги. Предпочтительно, противовыбросовые превенторы с трубными плашками применяютcя для "спуска инструмента в скважину под давлением". В частности, применение чисто электрических противовыбросовых превенторов или противовыбросовых превенторов с датчиками силы и/или положения для "спуска инструмента в скважину под давлением" является также предпочтительным для блоков противовыбросовых превенторов для глубокого бурения на суше.
Применение датчиков положения и/или силы для сбора данных измерений во время "спуска инструмента в скважину под давлением" с помощью противовыбросовых превенторов блока противовыбросовых превенторов является также идеей, которую можно реализовать независимо от конструктивного решения конфигурации блока противовыбросовых превенторов, т.e. можно также применить в обычных блоках противовыбросовых превенторов, имеющих по меньшей мере электрические линии.
Компоненты блока противовыбросовых превенторов или блоки противовыбросовых превенторов можно соединять с системой энергоснабжения и управления с помощью двух или больше устройств защиты от перегрузки по току. Устройства защиты от перегрузки по току и соединительные узлы можно заделывать в массивные трубы или стержни, которые служат для предотвращения механических повреждений.
Предпочтительно, первое устройство защиты от перегрузки по току расположено между участком линии на стороне системы снабжения и соединительным узлом с компонентом блока противовыбросовых превенторов или блоком противовыбросовых превенторов. Второе устройство защиты от перегрузки по току предпочтительно расположено между соединительным узлом и одним компонентом блока противовыбросовых превенторов или внутренней линией блока противовыбросовых превенторов. Устройства защиты от перегрузки по току предпочтительно выполнены с возможностью прерывания линии электропитания в случае чрезмерно высокой силы тока для заданного временного интервала и защиты при этом электрических цепей. Устройство защиты от перегрузки по току может являться, например, плавким предохранителем, линейным аварийным выключателем, их комбинацией или т.п., которые прерывают линию временно или постоянно. Первый и второй устройства защиты от перегрузки по току могут иметь отличающиеся уровни защиты. Первое устройство защиты от перегрузки по току защищает однополюсную линию, предпочтительно прерывая линию при силе тока, например, 100 A. Второе устройство защиты от перегрузки по току защищает компонент блока противовыбросовых превенторов, в частности приводное средство противовыбросового превентора, например, электрический привод, от силы тока, например, 50 A. Предпочтительно, первое устройство защиты от перегрузки по току размыкает электрическую цепь при силе тока, которая выше силы тока срабатывания второго устройства защиты от перегрузки по току.
В дополнительном предпочтительном варианте осуществления система энергоснабжения и управления и компоненты блока противовыбросовых превенторов или блок противовыбросовых превенторов соединены через линии, которые включают в себя полупроводниковые переключатели. Полупроводниковыми переключатели могут размыкать или замыкать электрическую цепь между системой энергоснабжения и управления и компонентами блока противовыбросовых превенторов или блоком противовыбросовых превенторов. Механические переключатели также возможны, однако они имеют более короткий эксплуатационный ресурс и являются менее надежными, чем полупроводниковые переключатели.
В предпочтительном варианте осуществления электрический приводным средством противовыбросового превентора содержит два или больше устройств аккумулирования кинетической энергии. Предпочтительно, устройства аккумулирования кинетической энергии для управления работой противовыбросового превентора выполнены с возможностью управления работой противовыбросового превентора или выполнены с возможностью подачи энергии для управления работой противовыбросового превентора. Устройства аккумулирования кинетической энергии можно соединять последовательно, при этом они могут обмениваться энергией друг с другом. В особенности предпочтительно вращение одного из устройств аккумулирования кинетической энергии (устройство аккумулирования энергии переднего хода) в первом направлении и вращение другого устройства аккумулирования энергии (реверсивное устройство аккумулирования энергии) в направлении обратном первому направлению. Устройства аккумулирования кинетической энергии, вращающиеся в первом направлении (устройства аккумулирования энергии переднего хода), предпочтительно приспособлены и выполнены с возможностью генерирования привода переднего хода плашек плашечных противовыбросовых превенторов или упругих элементов универсальных противовыбросовых превенторов, который приводит к закрытию противовыбросового превентора. Устройства аккумулирования кинетической энергии, вращающиеся в направлении противоположном первому направлению (реверсивные устройства аккумулирования энергии) приспособлены и выполнены с возможностью генерирования реверсивного привода плашек плашечных противовыбросовых превенторов или упругих элементов универсальных противовыбросовых превенторов, что приводит к открытию противовыбросового превентора. Множество устройств аккумулирования кинетической энергии может также вращаться в первом направлении или в направлении противоположном первому направлению. Предпочтительно, больше устройств аккумулирования кинетической энергии вращается в первом направлении, поскольку привод переднего хода с помощью устройств аккумулирования энергии переднего хода и при этом закрытие противовыбросового превентора и срезание бурильной штанги в общем требует больше энергии, чем открытие противовыбросового превентора, которое делает возможным реверсивный привод с помощью реверсивных устройств аккумулирования энергии. Источники кинетической энергии можно также выполнить так, что направление их вращения во время ввода энергии можно корректировать, при этом каждое устройство аккумулирования кинетической энергии может служить как устройство аккумулирования энергии переднего хода, так и реверсивное устройство аккумулирования энергии.
В предпочтительном варианте осуществления блока противовыбросовых превенторов блок противовыбросовых превенторов включает в себя в качестве компонентов верхний универсальный противовыбросовый превентор (верхний универсальный ПВП), соединительный узел райзера, нижний универсальный противовыбросовый превентор (нижний универсальный ПВП), противовыбросовый превентор со срезающими плашками (ПВП со срезающими плашками), заданное число противовыбросовых превенторов с трубными плашками (ПВП с трубными плашками), соответствующими глубине скважин, и соединительный узел оборудования устья скважины и блока противовыбросовых превенторов (соединительный узел устьевого оборудования). Блок противовыбросовых превенторов может также включать в себя множество компонентов противовыбросового превентора. Вариант осуществления является особенно предпочтительным для бурения на морском дне, при этом блок противовыбросовых превенторов расположен сверху скважина на морском дне и соединен с помощью соединительного узла райзера с буровым судном или морской буровой платформой, которые установлены на поверхности моря или воды. В дополнительном варианте осуществления, например, для применения на суше, блок противовыбросовых превенторов может имеют только универсальный противовыбросовый превентор и может не иметь устройства соединительного узла райзера (соединительный узел райзера).
Предпочтительно, все компоненты блока противовыбросовых превенторов электрическими и/или имеющими электрическое управление. Компоненты блока противовыбросовых превенторов могут также по меньшей мере частично управляться с помощью кинетической энергии, т.e. кинетической энергия с устройств аккумулирования кинетической энергии.
Ниже изобретение описано более подробно с помощью схематично показанных являющихся примерами вариантов осуществления. На фигурах показано следующее.
На фиг. 1 схематично показан блок противовыбросовых превенторов, установленный на морском дне, с подключенными системами энергоснабжения и управления.
На фиг. 2 схематично показана электрическая цепь блока противовыбросовых превенторов, установленного на морском дне, с подключенными системами энергоснабжения и управления.
На фиг. 3 показан альтернативный блок противовыбросовых превенторов с подключенными системами энергоснабжения и управления.
На фиг. 4 показаны с увеличением системы энергоснабжения и управления, Синие, на левой стороне фиг. 3.
На фиг. 5-10 показаны различные режимы работы систем энергоснабжения и управления.
На фиг. 11-16 показаны детали распределительного устройства питания и связи, включающего в себя блок управления.
На фиг. 17 схематично показан являющийся примером вариант осуществления компонента блока противовыбросовых превенторов в виде противовыбросового превентора с трубными плашками соединенного с приводным средством противовыбросового превентора.
На фиг. 18 показаны обычные силы, требуемые для работы срезающей плашки.
На фиг. 19 схематично показан первый являющийся примером вариант осуществления приводного средства противовыбросового превентора.
На фиг. 20 схематично показан второй являющийся примером вариант осуществления приводного средства противовыбросового превентора.
На фиг. 21 показано, что устройство аккумулирования энергии маховика содержит две центробежных массы.
На фиг. 22-26 показаны различные варианты осуществления приводного средства противовыбросового превентора с применением механических муфт и механического редуктора.
На фиг. 27 и 28 показан альтернативный вариант осуществления приводного средства противовыбросового превентора.
На фиг. 29 схематично показан являющийся примером вариант осуществления паротурбинного устройства.
На фиг. 30 показана зарядка подводного устройства аккумулирования энергии.
На фиг. 1 показан чисто электрический блок 10 противовыбросовых превенторов установленный на морском дне с подключенными Синей 12 и Желтой 14 системами энергоснабжения и управления. Блок 10 противовыбросовых превенторов специально сконструирован для эксплуатации во время бурения. Структура блока 10 противовыбросовых превенторов, начинающаяся от оборудования 16 устья скважины, установленного на морском дне, и продолжающаяся в направлении к надводным Синей 12 и Желтой 14 системам энергоснабжения, описана ниже в данном документе.
Блок 10 противовыбросовых превенторов соединен с обсадной трубой направления (не показано), которая выступает из оборудования 16 устья скважины, соединительным узлом 18 устьевого оборудования и блока превенторов, расположенным сверху на оборудовании 16 устья скважины. Соединительный узел 18 устьевого оборудования имеет сегменты зажимной конусной втулки (не показано), которыми соединительный узел 18 устьевого оборудования охватывает обсадную трубу направления под давлением и обеспечивает герметичное закрытие. Соединительный узел 18 устьевого оборудования соединен на левой стороне с линией Синей системы 12 энергоснабжения и управления и на правой стороне с линией Желтой системы 14 энергоснабжения и управления. Все из следующих компонентов блока противовыбросовых превенторов также соединены с двумя системами энергоснабжения и управления Синей 12 и Желтой с помощью линий, которые не в явной форме упомянуты ниже в данном документе. Соединение с обеими Синей 12 и Желтой 14 системами энергоснабжения и управления обеспечивает работу с дублированием компонентов блока противовыбросовых превенторов; в частности если одна из Синей 12 и Желтой 14 систем энергоснабжения и управления или их линия повреждена и выходит из строя, управление работой компонентов блока противовыбросовых превенторов может продолжать другая Синяя 12 или Желтая 14 система энергоснабжения и управления.
Нижний противовыбросовый превентор 20 с трубными плашками расположен сверху соединительного узла 18 устьевого оборудования. Первое промежуточное пространство 22 между соединительным узлом 18 устьевого оборудования и нижним противовыбросовым превентором 20 с трубными плашками соединено с штуцерной линией 26 с помощью штуцерного клапана 24. Штуцерная линия 26 может выпускать суспензию, такую, например как смесь материала горной породы, глинистого бурового раствора, воды и нефти, которая выходит во время работы снизу от оборудования устья скважины из первого промежуточного пространства 22 для уменьшения давления на отрезке основной линии, которая установлена в блоке 10 противовыбросовых превенторов и в котором производится бурение.
Нижний противовыбросовый превентор 20 с трубными плашками включает в себя две противоположно расположенные плашки, ползуны или тиски 28 с вырезом 30, который выполнен соответствующим наибольшему диаметру применяемых бурильных штанг 32 (см. фиг. 3). При эксплуатации нижний противовыбросовый превентор 20 с трубными плашками может закрываться и с уплотнением охватывать бурильную штангу 23, или может открываться для обеспечения соединения первого промежуточного пространства 22 со вторым промежуточным пространством 34 блока 10 противовыбросовых превенторов. Второе промежуточное пространство 34 с помощью задвижки 36 линии глушения скважины соединено с линией 38 глушения скважины, которая выполнена с возможностью выдавливания суспензии, например, из материала горной породы, глинистого бурового раствора, воды, цемента, грязи или т.п. под давлением во второе промежуточное пространство 34 и при этом генерирования противодавления, действующего на материал, приходящий во время эксплуатации снизу из скважины или закрытия скважины.
Сверху второго промежуточного пространства 34 расположен средний противовыбросовый превентор 40 с трубными плашками который выполнен с возможностью уплотнения среднего диаметра трубы применяемых бурильных штанг 32, и который за исключением уменьшенного выреза 30 является идентичным нижнему противовыбросовому превентору 20 с трубными плашками.
Сверху среднего противовыбросового превентора 40 с трубными плашками расположено третье промежуточное пространство 42, соединенное с штуцерной линией 26 с помощью дополнительного штуцерного клапана 24'. Через третье промежуточное пространство 42 суспензия может также выпускаться с помощью штуцерной линии 26 для уменьшения давления в блоке 10 противовыбросовых превенторов.
Сверху третьего промежуточного пространства 42 расположен верхний противовыбросовый превентор 44 с трубными плашками, который выполнен с возможностью уплотнения наименьшего диаметра трубы применяемых бурильных штанг 32, и который за исключением уменьшенного выреза 30 является идентичным среднему противовыбросовому превентору 40 с трубными плашками.
В зависимости от максимальной глубины бурения разное число противовыбросовых превенторов с трубными плашками может устанавливаться в блоке 10 противовыбросовых превенторов. Увеличенная глубина требует больше противовыбросовых превенторов с трубными плашками, поскольку большее число отличающихся диаметров бурильных штанг должно применятьcя для бурения скважины.
Сверху верхнего противовыбросового превентора 44 с трубными плашками расположено четвертое промежуточное пространство 46, соединенное с линией 38 глушения скважины с помощью задвижки 36’ линии глушения скважины. Задвижка 36’ линии глушения скважины, аналогично другой задвижке 36 линии глушения скважины и штуцерным клапанам 24 и 24', управляется с помощью двух соответствующих Желтого 48 и Синего 50 блоков управления клапанами, работающих независимо друг от друга, т.e. Желтый 48 и Синий 50 блоки управления клапанами могут регулировать открытое положение задвижки 36’ линии глушения скважины. В данном являющемся примером варианте осуществления задвижки 36, 36’ линии глушения скважины и штуцерные клапаны 24, 24' являются шиберными затворами, которые либо полностью открыты или закрыты. Также является возможным применение клапанов, который могут частично открываться или закрываться. Желтый Блок 48 управления клапанами соединен с Желтой системой 14 энергоснабжения и управления, и Синий блок 50 управления клапанами, соединен с Синей системой 12 энергоснабжения и управления. При этом задвижками 36 и 36’ линии глушения скважины и штуцерными клапанами 24 и 24' можно дистанционно управлять с помощью Желтой 14 и Синей 12 систем энергоснабжения и управления. Соединение штуцерной линии 26 и линии 38 глушения скважины с буровым судном или морской буровой платформой обеспечивает дополнительно управление линий 26 и 28, например, с помощью регулирования давления в них нагнетательными насосами (не показано).
Противовыбросовый превентор 52 со срезающими плашками расположен сверху четвертого промежуточного пространства 46. Противовыбросовый превентор 52 со срезающими плашками отличается от противовыбросовых превенторов 20, 40 и 44 с трубными плашками конструктивным решением и формой плашек 28. Противоположно расположенные плашки 28 превентора 52 со срезающими плашками имеют небольшое смещение по высоте относительно друг друга и имеют срезающие кромки, которые могут срезать бурильные штанги 32, как ножницы. Во время закрытия противовыбросового превентора 52 со срезающими плашками плашки 28, расположенные противоположно и со смещением по высоте относительно друг друга, перекрываются вдоль оси плашки, при этом бурильная штанга 32, установленная между плашками 28, может срезаться.
Когда сработавший противовыбросовый превентор 52 со срезающими плашками в эксплуатации срезал бурильную штангу 32, открытый конец срезанной бурильной штанги 32 выступает в четвертое промежуточное пространство 46. Соединение между линией 36 глушения скважины и четвертым промежуточным пространством 46, расположенное непосредственно под противовыбросовым превентором 52 со срезающими плашками, выполнено с возможностью герметизации внутреннего пространства бурильной штанги 32 с суспензией, при этом установленные ниже противовыбросовые превенторы 20, 40 и 44 с трубными плашками выполнены с возможностью уплотнения кольцевого пространства вокруг бурильной штанги 32. Для данной цели штуцерная линия 24 может выпускать суспензию из первого промежуточного пространства 22 и/или третьего промежуточного пространства 42 для уменьшения давления в указанных местах.
Противовыбросовый превентор 52 со срезающими плашками содержит сверху от нижней плашки 28 морскую воду, которая может создавать давление на нижнюю сторону верхней плашки 28 для создания герметичного уплотнения. Обычно, такое уплотнение не является достаточным для создания герметичного уплотнения для материала, вытекающего из скважины, по данной причине нижний кольцевой противовыбросовый превентор 54 установлен сверху противовыбросового превентора 52 со срезающими плашками.
Нижний универсальный противовыбросовый превентор 54 служит для герметичного закрытия отверстия бурильной штанги и/или в целом скважины. Для данной цели, нижний универсальный противовыбросовый превентор 54 содержит кольцевой упругий элемент с множеством кольцевых элементов, усиленных металлическими сегментами (не показано). Кольцевые элементы нижнего универсального противовыбросового превентора 52 могут смещаться так, создают герметичное закрытие с помощью своих контактных поверхностей. В частности, давление кольцевых сегментов упругого элемента друг на друга приводит к деформaции и сжатию упругого элемента в зависимости от давления. Упругий элемент может при этом либо охватывать бурильную штангу 32 любого диаметра и герметизировать часть скважины вокруг бурильной штанги 32 или также герметизировать в целом скважину.
В данном варианте осуществления блок 10 противовыбросовых превенторов установлен на морском дне; поэтому соединительный узел 56 райзера расположен сверху нижнего универсального противовыбросового превентора 54. Соединительный узел 56 райзера выполнен с возможностью герметичного соединения с райзером. Герметичные стальные трубы образуют райзер, во внутреннем пространстве которого могут проходить бурильная колонна и промывочная жидкость. Внутренний диаметр райзера составляет в данном варианте осуществления приблизительно 533 мм (21 дюйм), при этом бурильная колонна и следовательно также бурильные штанги 32 имеют максимальный внутренний диаметр приблизительно 476 мм (18¾ дюйма). Райзер и бурильные штанги могут также иметь большие внутренние диаметры, однако, свободный внутренний диаметр райзера всегда больше наружного диаметра бурильных штанг 32.
Сверху соединительного узла 56 райзера расположен верхний универсальный противовыбросовый превентор 58, который выполнен с возможностью герметизации блока 10 противовыбросовых превенторов.
Райзер можно снимать с блока 10 противовыбросовых превенторов, при этом буровое судно или морская буровая платформа могут сменить свою диспозицию, что может, например, потребоваться при дрейфе айсбергов в направлении к буровому судну или морской буровой платформе.
Сверху верхнего универсального противовыбросового превентора 58 расположен нижний узел морского райзера, LMRP 60. Узел 60 морского райзера (LMRP) выполнен с возможностью герметизации райзера. После герметизации блока 10 противовыбросовых превенторов универсальными противовыбросовыми превенторами 54 и 58, райзер можно выводить из блока 10 противовыбросовых превенторов, и буровое судно может менять свою позицию. Позже буровое судно может вновь занимать свою позицию на поверхности моря над блоком 10 противовыбросовых превенторов и райзер может соединяться с блоком противовыбросовых превенторов с помощью соединительного узла 56 райзера.
Кроме функции герметизации нижний узел 60 морского райзера (LMRP) может выполнять другие функции, например защиты электрических цепей, разъема между Синей 12 и Желтой 14 системами энергоснабжения и управления, и блоком 10 противовыбросовых превенторов, или другие функции, известные специалисту в данной области техники. В данном варианте осуществления узел 60 морского райзера (LMRP) включает в себя блок 62 управления LMRP, который выполнен с возможностью соединять или отсоединять Синюю 12 и Желтую 14 системы энергоснабжения и управления, и другие Синюю 64 и Желтую 66 системы аварийного энергоснабжения и аварийного управления, соединенные с блоком 62 переключения LMRP, для подключения к блоку 10 противовыбросовых превенторов и отключения от него с помощью переключателей. Системы аварийного энергоснабжения и аварийного управления могут, например, содержать подводные аппараты с дистанционным управлением, буи, судна и наземные станции. В данном варианте осуществления, линии соединены с буями 64 и 66 (см. фиг. 2). Блок 62’ управления может также располагаться в блоке 10 противовыбросовых превенторов (см. фиг. 2). Блоки 62 и 62’ управления могут также располагаться как в нижнем узле 60 морского райзера (LMRP), так и в блоке 10 противовыбросовых превенторов.
Синяя 12 и Желтая 14 системы энергоснабжения и управления, соединены с нижним узлом 60 морского райзера (LMRP) с помощью однополюсной линии 70, соответственно. Линия может также являться многополюсной. В частности, Синюю 12 и Желтую 14 системы энергоснабжения и управления можно эксплуатировать независимо друг от друга, а также параллельно.
Синяя система 12 энергоснабжения и управления содержит микропроцессорный блок 72 и блок 74 микроконтроллера, который выполнен с возможностью управления нижним узлом 60 морского райзера (LMRP) и компонентами блока противовыбросовых превенторов, такими как противовыбросовые превенторы 20, 40, 44, 52, 54 и 58, соединительные узлы 18 и 56 и Синие блоки 50 управления клапанами, которые управляют клапанами 24, 24' и 36, 36' штуцерной линии 26 и линии 38 глушения скважины.
Желтая система 14 энергоснабжения и управления может являться идентичной Синей системе 12 энергоснабжения и управления, или содержать, например, Желтый источник 76 энергии, Желтый микропроцессорный блок 78, Желтый первый блок 80 микроконтроллера, который управляет первой частью компонентов блока противовыбросовых превенторов, Желтый второй блок 82 микроконтроллера, который управляет второй частью компонентов блока противовыбросовых превенторов, и Желтый блок 84 управления, который с помощью переключателей может обеспечивать соединения между индивидуальными компонентами противовыбросового превентора и Желтой системой 14 энергоснабжения и управления.
Синяя 12 и Желтая 14 системы энергоснабжения и управления могут также включать в себя индивидуальный микроконтроллер для управления каждым компонентом блока противовыбросовых превенторов.
Синяя система 12 энергоснабжения и управления дополнительно соединена дополнительной линией с подводным аккумулятором энергии, который является Синим паротурбинным устройством 86. Синее паротурбинное устройство 86 снабжается электроэнергией Синей системой 12 энергоснабжения и управления и аккумулирует электрическую энергию в виде пара в паровом аккумуляторе 88 (см. фиг. 6). Синее паротурбинное устройство 86 соединено с блоком 10 противовыбросовых превенторов с помощью линии электроснабжения компонентов блока противовыбросовых превенторов. Энергия пара, которую аккумулирует паровой аккумулятор 88, может в любое время преобразовываться в электрическую энергию с помощью паровой турбины 90 и генератора 92, в составе паротурбинного устройства 86. Электрическая энергия делает возможным управление компонентами блока противовыбросовых превенторов даже если однополюсная линия 70 между блоком 10 противовыбросовых превенторов и Синей системой 12 энергоснабжения и управления повреждена и/или вышла из строя. Желтая система 14 энергоснабжения и управления также соединена дополнительной линией с Желтым паротурбинным устройством 94, которое идентично Синему паротурбинному устройству 86. Синее 86 и Желтое 94 паротурбинные устройства служат системами аварийного энергоснабжения.
На фиг. 2 показана электрическая схема Синей 12 и Желтой 14 систем энергоснабжения и управления с блоком 10 противовыбросовых превенторов. Обе электрические схемы систем энергоснабжения и управления являются идентичными и дублирующими для реализации работы блоков противовыбросового превентора даже если одна из Синей 12 или Желтой 14 систем энергоснабжения и управления выходит из строя.
Однополюсная линия 70 соединена с Синим источником 76' энергии и направляется по герметичной стальной трубе 96 с морской буровой платформы 98 на блок 62’ управления. Герметичная стальная труба 96 защищает однополюсную линию 70 и одновременно служит дополнительной линией, что делает возможным замкнуть цепь.
Блок 62’ управления включает в себя переключающий блок 100 управления, который выполнен с возможностью управления переключателями 102, которые могут обеспечивать соединение между системами энергоснабжения и управления и компонентами блока противовыбросовых превенторов. Переключающий блок 100 управления может замыкать один или несколько переключателей 102, для соединения одной или множества систем энергоснабжения и управления с одним или несколькими компонентами блока противовыбросовых превенторов. Переключатeли 102 в данном варианте осуществления являются полупроводниковыми переключателями, механические переключатели также являются возможными, но не предпочтительными вследствие их короткого эксплуатационного ресурса. Линии, проходящие через замкнутые переключатели 102, могут передавать электрическую энергию и сигналы данных с одной или множества систем энергоснабжения и управления на компоненты противовыбросового превентора, индивидуально выбранные переключающим блоком 100 управления, и передавать сигналы данных с компонентов блока противовыбросовых превенторов на одну или множество систем энергоснабжения и управления.
Сигналы данных могут, например, включать в себя команды управления, измеренные величины или т.п.
Сигналы данных получают ВЧ модуляцией питающего напряжения с помощью одного контакта однополюсной линии 70. Питающее напряжение предпочтительно имеет величину 400-600 В. ВЧ модуляция питающего напряжения имеет напряжение ниже питающего напряжения, например 15 В, и более высокую частоту.
В показанном варианте осуществления дополнительно к Синей системе 12 энергоснабжения и управления, также показаны еще две аварийных системы, которые соединены с блоком 62' управления. Буй 64 служит в качестве системы аварийного энергоснабжения и аварийного управления и может, альтернативно или дополнительно к Синей системе 12 энергоснабжения и управления, соединяться с компонентами блока противовыбросовых превенторов. Паротурбинное устройство 86 служит в данном варианте осуществления системой аварийного энергоснабжения и может также альтернативно или дополнительно соединяться с компонентами блока противовыбросовых превенторов. Применение паротурбинного устройства 86, как аварийной системы управления, также возможно при дополнительной передаче сигналов данных для управления компонентами блока противовыбросовых превенторов через отдельную линию, по которой паротурбинное устройство 86 снабжается электроэнергией с морской буровой платформы 98.
Возможны дополнительные системы аварийного энергоснабжения и аварийного управления, для примера, спасательные суда, наземные станции или подводные станции. Системы аварийного энергоснабжения и аварийного управления можно эксплуатировать параллельно Синей 12 и Желтой 14 системам энергоснабжения и управления или альтернативно можно применять при авариях. Предпочтительно, системы аварийного энергоснабжения и аварийного управления имеют дополнительные дублирующие линии, проходящие к блоку 10 противовыбросовых превенторов. Линии могут, например, соединяться с соединительным узлом 18 устьевого оборудования для обеспечения высвобождения узла при авариях.
За переключателями 102 блока 62’ управления расположены устройства 104 защиты от перегрузки по току созданные для прерывания соединения в варианте перегрузки по току для защиты компонентов блока противовыбросовых превенторов и/или систем энергоснабжения и управления.
Также возможно соединение одной или множества дополнительных однополюсных линий с блоком 10 противовыбросовых превенторов. Предпочтительно, однополюсная линия соединяется с устройством на соединительном узле оборудования устья скважины (соединительный узел устьевого оборудования), аналогично решению блока 62’ управления и может соединять или отсоединять электрические схемы с помощью переключатeлей, например, для отсоединения линии не работающей или коротко замкнутой электрической цепи.
Соединение системы энергоснабжения и управления с компонентом блока противовыбросовых превенторов осуществляется с помощью однополюсного соединительного узла 106, который вставляется в гнездо контакта 108 соединителя компонента блока противовыбросовых превенторов. В показанном варианте осуществления соединительный узел 106 соединен с контактом 108 соединителя приводного средства 110 противовыбросового превентора. Приводное средство 110 противовыбросового превентора включает в себя блок 112 управления двигателя 114 и зубчатое колесо 116 с автоматической блокировкой.
На фиг. 3 представлен альтернативный блок противовыбросовых превенторов, соединенный с системами энергоснабжения и управления. В дополнение компонентам, показанным на фиг. 2, показан аварийный порт 200 для подводного аппарата дистанционного управления (аварийный порт ROV), с которым может входить в контакт подводный аппарат дистанционного управления для обеспечения таким образом аварийного энергоснабжения. Работа системы энергоснабжения и управления описана ниже в качестве примера и показана на фиг. 4-10.
На фиг. 4 показаны с увеличением системы энергоснабжения и управления, Синяя с левой стороны фиг. 3. На фиг. 4-10 показано энергоснабжение приводного средства 110 противовыбросового превентора, например, противовыбросовых превенторов 20, 40, 44, 54 или 58 в разных ситуациях. Энергоснабжением управляет распределяющее устройство 62 питания и связи (блок управления).
На фиг. 5 показано что вначале после установки блока противовыбросовых превенторов электроэнергия с морской буровой платформы или буровой установки 98 подается через распределяющее устройство 62 питания и связи на устройства 86.1 и 86.2 аккумулирования энергии, которые предпочтительно являются паротурбинными устройствами. При этом устройства 86.1 и 86.2 аккумулирования энергии заряжаются. Дополнительно, устройства 142 аккумулирования энергии маховика на каждом приводном средстве 110 противовыбросового превентора заряжаются энергией, при этом соответствующие центробежные массы приводятся во вращение с высокой скоростью.
После того, как все устройства 86.1, 86.2 и 142 аккумулирования энергии заряжены, распределительное устройство 62 питания и связи осуществляет переключение в режим нормальной эксплуатации. В данном режиме нормальной эксплуатации снабжение блока противовыбросовых превенторов осуществляется с морской буровой платформы 98. Все устройства аккумулирования энергии снабжаются энергией в малом объеме для поддержания их в полностью заряженном состоянии.
На фиг. 6 показано, что в случае разрыва линии электропитания между морской буровой платформой и распределительными устройствами 62 электропитания и связи электропитание можно подавать с помощью вспомогательного судна снабжения или буя 64. При этом все подводные устройства аккумулирования энергии можно поддерживать в полностью заряженном состоянии.
На фиг. 8 показан случай, где обе линии снабжения между морской буровой платформой 98 и буем 64 разорваны, энергоснабжение можно получить через порт 200 подводного аппарата дистанционного управления. В таком варианте все подводные устройства аккумулирования снабжаются только энергией, достаточной для их поддержания в полностью заряженном состоянии.
Если все обычные линии энергоснабжения нарушены или разорваны, распределительное устройство 62 питания и связи переключается в аварийный режим, в котором подводные устройства 86.1 и 86.2 аккумулирования энергии, которые являются паротурбинными устройствами, раскрытыми ниже и показанными на фиг. 34-36, применяютcя для обеспечения работы устройств 142 аккумулирования энергии маховика приводного средства 110 противовыбросового превентора, см. фиг. 9.
В случае, если подводные устройства 86.1 и 86.2 аккумулирования энергии полностью разряжены, энергия берется из устройств 142 аккумулирования энергии маховика приводного средства 110 противовыбросового превентора. Устройства 142 аккумулирования энергии маховика разряжаются одно за другим до полной разрядки последнего устройства 142 аккумулирования энергии маховика. Таким образом, работа распределительного устройства 62 питания и связи и блока 112 управления двигателями приводного средства 110 противовыбросового превентора (cм. фиг. 18) обеспечивается энергоснабжением до момента, когда не остается энергии в системе, которая может обеспечивать какое либо неуправляемое перемещение любого из противовыбросовых превенторов 20, 40, 44, 54 или 58. Таким образом, управление блоком противовыбросовых превенторов поддерживается до последней минуты, перед тем, как блок противовыбросовых превенторов становится полностью нерабочим.
Распределительное устройство 62 питания и связи содержит блок управления, который управляет всеми соединенными блоками согласно командам принимаем с морской буровой платформы. В случае разрыва соединения с морской буровой платформой 98 распределительное устройство 62 питания и связи переключается в аварийный режим и приводит все соединенные блоки, подобные приводному средству 110 противовыбросового превентора в безопасное положение.
На фиг. 11-16 показаны альтернативные варианты осуществления однополюсной или коаксиальной линии 70 электропитания, включающей в себя линию 71 передачи данных. Как уже отмечалось для показанного на фиг. 2, линия 70 энергоснабжения между морской буровой платформой 98, буем 64 или 66 или подводными устройствами 86 и 94 аккумулирования энергии является предпочтительно однополюсной, с использованием морской воды, как второго проводника. Вместо применения многополюсного кабеля связи передачу данных между морской буровой платформой 98 и распределительным устройством 62 электропитания и связи осуществляют с помощью модема и одной линии 71 передачи данных. В вариантах осуществления, показанных на фиг. 16, 18, 19, 20 и 21, данные электрически передаются через коаксиальную линию электропитания, а в варианте осуществления фиг. 17, линия 71 передачи данных является световодом.
В вариантах осуществления фиг. 16, 18, 19, 20 и 21, полюсная линия 70 снабжения является коаксиальной линией, и таким образом обеспечивает электрическую передачу данных с помощью электрического модема.
Модем предпочтительно имеет скорость передачи данных 1 Мбит/с и служит для передачи команд и данных измерений.
По условиям техники безопасности электропитание подается по пяти параллельным линиям, каждая линия имеет диод, последовательно соединенный с плавким предохранителем или другим устройством защиты. Каждый плавкий предохранитель откалиброван на четверть мощности питания. Таким образом, выход из строя одного диода должен обуславливать проход всей мощности питания через соответствующий плавкий предохранитель, который при этом должен сгореть. Альтернативно, как показано на фиг. 18, 19 и 20, можно оборудовать дополнительные переключатели параллельно каждому диоду на данных линиях электропитания, которые соединяют распределительное устройство 62 питания и связи либо с подводным аккумулятором 86 энергии или устройством аккумулирования энергии маховика. С помощью переключателей устройства аккумулирования энергии можно заряжать.
На фиг. 17 схематично показан противовыбросовый превентор 118 с трубными плашками, применяемый, например, в блоке 10 противовыбросовых превенторов, таких как противовыбросовые превенторы 20, 40 или 44 с трубными плашками. Противовыбросовый превентор 118 соединен с помощью однополюсной линии 70 с Синей системой 12 энергоснабжения и управления и с помощью однополюсной линии 70' с Желтой системой 14 энергоснабжения и управления. Однополюсная линия 70 питает приводное средство 110 противовыбросового превентора с помощью скользящего контакта 120 электроэнергией и может производить обмен сигналами данных с приводным средством 110 противовыбросового превентора с помощью скользящего контакта 120. Дополнительно, однополюсная линия 70 соединена с датчиком 122 положения, который выполнен с возможностью измерeния положения плашки 28 противовыбросового превентора 118 и генерирования сигнала данных положения, который содержит данные положения плашки 28. Сигнал данных положения может передаваться с помощью однополюсной линии 70 в систему 12 энергоснабжения и управления. Вместо датчика 122 положения или в дополнение к нему противовыбросовый превентор 118 может также включать в себя датчик давления и/или датчик силы для измерения давления или силы, которая действует на плашку 28. Датчик силы может в частности применяться при "спуске инструмента в скважину под давлением" для уменьшения износа материала плашек 28 противовыбросовых превенторов 118.
Дублирующее второе приводное средство 110 противовыбросового превентора и дублирующий второй датчик 122’ положения соединены с Желтой системой 14 энергоснабжения и управления с помощью однополюсной линии 70'. Противовыбросовый превентор 118 таким образом включает в себя дублирующую систему, которая может управлять работой противовыбросового превентора 118, если другая система неработоспособна. Противовыбросовый превентор 118 может также включать в себя, например, четыре приводных средства противовыбросового превентора, из которых предпочтительно одна пара соединена с Синей системой 12 энергоснабжения и управления и другая пара с Желтой системой 14 энергоснабжения и управления. Дополнительные дублирующие приводные средства противовыбросового превентора также возможны.
Приводное средство 110 противовыбросового превентора фиксируется к корпусу противовыбросового превентора 118 с помощью блокирующего устройства 124. Блокирующее устройство 124 можно разблокировать для замены приводного средства 110 противовыбросового превентора. Данное в частности возможно под водой и во время эксплуатации противовыбросового превентора 118, например, с помощью подводного аппарата дистанционного управления (ROV). Во время замены приводного средства 110 противовыбросового превентора приводное средство 110’ противовыбросового превентора может брать на себя управление противовыбросовым превентором 118, при этом без перерыва обеспечивается управление работой противовыбросового превентора 118.
Кроме блокирующего устройства 124 приводное средство 110 противовыбросового превентора содержит блок 112 управления двигателя, выполненный с возможностью управления двигателем 114, и дополнительными компонентами приводного средства 110 противовыбросового превентора. Для данной цели блок 112 управления двигателя может принимать управляющие сигналы с блока 74 микроконтроллера Синей системы 12 энергоснабжения и управления, которые могут передаваться в блок 112 управления двигателя с помощью однополюсной линии 70. Двигатель 114 может соединяться с зубчатым колесом 116 с автоматической блокировкой с помощью электрoмеханической жестко блокирующей муфты 126. Если двигатель 114 соединен с зубчатым колесом 116 с автоматической блокировкой с помощью муфты 126, зубчатое колесо 116 с автоматической блокировкой передает крутящий момент с двигателя 114 на зубчатое колесо 128 плашки, которое приводит в действие шпиндель 130 с ходовым винтом либо для закрытия или для открытия плашки 28 посредством ввинчивания шпинделя 130 с ходовым винтом в резьбу 132 плашки или вывинчивания из нее. Выведение двигателя 118 из сцепления с зубчатым колесом 116 с автоматической блокировкой с помощью электрoмеханической жестко блокирующей муфты 126 делает возможным поддержание двигателя 114 продолжительное время в работающим, в частности если плашка 28 противовыбросового превентора 118 не должна перемещаться. Указанное обеспечивает готовность двигателя 114 к работе в любое время с функциональной возможностью перемещения плашки 28 противовыбросового превентора 118.
На фиг. 18 показаны обычные силы, требуемые для работы срезающей плашки. Вначале, до входа в контакт с трубой обеих плашек 28 требуемая сила является весьма небольшой. Затем, сила, требуемая для перемещения плашки 28 медленно увеличивается в процессе деформирования трубы. В конечном итоге (см. фиг. 18, позиция 5) самая большая сила требуется для срезания трубы.
На фиг. 19 показаны детали первого варианта осуществления приводного средства 110 противовыбросового превентора. Однополюсная линия 70 снабжает приводное средство 110 противовыбросового превентора электроэнергией и обеспечивает передачу данных в Синюю систему 12 энергоснабжения и управления и из нее. Для данной цели однополюсная линия 70 соединена с блоком 112 управления двигателями. Блоки 112 управления двигателями соединяются с шкивами 134 двигателя-генератора и электромагнитными муфтами 136 сцепления, соответственно. В цилиндрическом пространстве вокруг блока 112 управления двигателями, шкивов 134 двигателя-генератора и электромагнитных муфт 136 сцепления расположены центробежные массы 140, закрепленные на подшипниках 138 качения. В данном варианте осуществления центробежные массы 140 имеют форму диска и выполнены из железа. Центробежные массы 140 могут также иметь другую форму, например форму маховика, форму с колеблющимся цилиндром, форму с качающимся стержнем или т.п., и выполняться из другого металлического материала или содержать один или множество металлических материалов. Подшипники 138 качения могут, например, являться шарикоподшипниками или магнитными подшипниками вращения для уменьшения трения и износа центробежных масс 140.
Шкивы 134 двигателя-генератора выполнены с возможностью ускорeния центробежных масс 140 с помощью питания шкивов 134 двигателя-генератора блока 112 управления двигателями электрическим током или придания им отрицательного ускорения, применяя шкивы 134 двигателя-генератора как генератор, при этом электрический ток генерируется в шкивах 134 двигателя-генератора. Центробежная масса 140 служит при этом устройством 142 аккумулирования энергии маховика, которое заряжается с помощью электрической энергии и аккумулирует электрическую энергию в виде кинетической энергии, т.e. устройство 142 аккумулирования энергии маховика является устройством аккумулирования кинетической энергии. Поскольку устройство 142 аккумулирования энергии маховика может вновь преобразовывать кинетическую энергию аккумулируемую с помощью шкива 134 двигателя-генератора обратно в электрическую энергию, устройство 142 аккумулирования энергии маховика здесь служит в качестве комбинации двигатель-генератор.
Для управления работой противовыбросового превентора 118 в первом направлении, например, приводом 144 переднего хода, крутящий момент вращающегося в направлении по часовой стрелке устройства 142 аккумулирования энергии маховика может передаваться на вал 146 с помощью электромагнитных муфт 136 сцепления. Вал 146 соединен с помощью муфты и устройства 148 с зубчатым колесом 116 автоматической блокировкой и может осуществлять привод зубчатого колеса автоматической блокировкой. Зубчатое колесо 116 с автоматической блокировкой осуществляет привод зубчатого колеса 128 плашки с помощью крутящего момента, вращающего в направлении по часовой стрелке зубчатое колесо 128 плашки, при этом шпиндель 130 с ходовым винтом ввинчивается в резьбу 132 плашки и при этом закрывает плашку 28 (см. фиг. 3).
Для открытия плашки 28 применяетcя крутящий момент с вращением против часовой стрелки другого устройства 142 аккумулирования энергии маховика. Реверсивный привод 150 при этом вращает зубчатое колесо 116 с автоматической блокировкой против часовой стрелки, колесо передает крутящий момент вращения против часовой стрелки на зубчатое колесо 128 плашки. Зубчатое колесо 128 плашки при этом вывинчивает ходовой винт 130 со шпинделем из зубчатого колеса 128 плашки, обеспечивая открытие плашки 28 (см. фиг. 3).
В показанном варианте осуществления два из устройств 142 аккумулирования энергии маховика служат приводом 144 переднего хода и одно устройство 142 аккумулирования энергии маховика служит реверсивным приводом 150. Привод 144 переднего хода требует более высокого крутящего момента для закрытия плашки 28, поскольку промывочная жидкость, суспензия и/или бурильная штанга 32 может присутствовать между плашками 28, данную бурильную штангу требуется срезать для закрытия плашек 28. Больше трех устройств 142 аккумулирования энергии маховика могут также располагаться в приводном средстве 110 противовыбросового превентора. Предпочтительно, больше устройств 142 аккумулирования энергии маховика оборудуют для привода 144 переднего хода, чем для реверсивного привода 150.
Блоки 112 управления двигателями дополнительно выполнены с возможностью измерения скорости вращения устройств 142 аккумулирования энергии маховика и передачи измерения в качестве сигнала данных в систему Синяя 12 энергоснабжения и управления. Устройства 142 аккумулирования энергии маховика в данном варианте осуществления выполнены с возможностью непрерывной работы приблизительно с 10000-12000 об/мин для обеспечения функциональной возможности привода плашек 28 противовыбросового превентора 118 в любое время. По скорости вращения можно оценить энергию, аккумулируемую в соответствующем устройстве 142 аккумулирования энергии маховика, которая имеется для управления работой противовыбросового превентора 118. Устройства 142 аккумулирования энергии маховика, имеющие конструктивное решение объединенного двигателя и генератора, могут регенерировать электрическую энергию и передавать электрическую энергию в виде электропитания на другие устройства 142 аккумулирования энергии маховика, в частности также на другие компоненты блока противовыбросовых превенторов.
На фиг. 20 показаны детали второго варианта осуществления приводного средства 110 противовыбросового превентора. Однополюсная линия 70 в данном случае соединена с кожухом 152 приводного средства 110 противовыбросового превентора. Кожух 152 выполнен из стали, однако, может также выполняться из другого электропроводного материала. С помощью кожуха 152 и однополюсной линии 70 блок 112 управления двигателя соединен с Синей системой 12 энергоснабжения и управления. Блок 112 управления двигателя управляет шкивом 134 двигателя-генератора и соединен с электромагнитными муфтами 136 сцепления с помощью индуктивной муфты 154. Аналогично варианту осуществления фиг. 4, центробежная масса 140, закрепленная на подшипниках качения, расположена в цилиндрическом пространстве вокруг блока 112 управления двигателя, шкива 134 генератора, индуктивной муфты 154 и электромагнитных муфт 138 сцепления.
В отличие от варианта осуществления фиг. 4, вал 146 в варианте осуществления фиг. 5 соединен только с электромагнитными муфтами 136 сцепления. Блоки 112 управления двигателями и шкивы 134 двигателя-генератора соединены неподвижно с кожухом 152. Крутящий момент, аккумулируемый в виде кинетической энергии, может передаваться в любое время с центробежных масс 140 устройств 142 аккумулирования энергии маховика на вал 146 с помощью электромагнитных муфт 136 сцепления. В таком варианте вал 146 может работать, осуществляя привод переднего хода или реверсивный привод с помощью электромагнитных муфт 136 сцепления. В данном случае также зубчатое колесо 116 с автоматической блокировкой может принимать крутящий момент через муфты и средство 148 с автоматической блокировкой с помощью вала 146 для приведения в действие при этом зубчатого колеса 128 плашки, которым шпиндель 130 с ходовым винтом ввинчивается в или вывинчивается из резьбы 132 плашки.
Чисто гидравлический противовыбросовый превентор со срезающими плашками требует аккумулирования энергии, превышающей в пять раз энергию, требуемую для деформирующей резки трубы, в гидравлическом аккумуляторе давления. В отличие от указанного, устройство аккумулирования энергии маховика требует аккумулирования только объема энергии, в итоге требуемого для срезания трубы.
На фиг. 21 показано, что устройство аккумулирования энергии маховика содержит два центробежные массы, массу 140 маховика для срезания и массу 141 маховика для реверса. Масса 140 маховика для срезания применяетcя для обеспечения переднего хода срезающей плашки 28, а масса 141 маховика для реверса может применятьcя для убирания срезающей плашки 28.
На фиг. 22-26 показаны различные варианты осуществления приводного средства 110 противовыбросового превентора с применением механических муфт 126 и механического редуктора. Вариант осуществления фиг. 29 во многом соответствует варианту осуществления, показанному на фиг. 17.
На фиг. 27 и 28 показан альтернативный вариант осуществления приводного средства противовыбросового превентора, в котором масса маховика или центробежная масса 140 напрямую действует на гидравлический насос 220, соединенный с поршнем 222 в гидравлическом цилиндре 224, корпусом которого является центробежная масса 140. Вращение центробежной массы 140 применяется для осуществления механического привода насоса 120 и, таким образом, обеспечения перекачки насосом 220 гидравлической рабочей жидкости 226 (например, масла) из первой камеры 228 цилиндра 224 во вторую камеру 230 или наоборот. Подача насосом гидравлической рабочей жидкости обуславливает перемещение поршня 222 в цилиндре 224 и при этом приведение в действие плашки 28. Таким образом, приведение в действие срезающей плашки 28 возможно без механической муфты или механического редуктора.
Центробежная масса 140 вращается вокруг оси 232, что может удерживать зубчатое колесо 234 или другое механическое средство на месте и что создает силу противодействия механического привода для насоса 220. Ось 232 может либо крепиться к кожуху 236 приводного средства 110 противовыбросового превентора (см. фиг. 27) или к срезающей плашке (см. фиг. 28).
Центробежная масса 140 может получать ускорение способом, аналогичным показанному на фиг.19 и описанному выше.
На фиг. 29 показаны детали варианта осуществления паротурбинного устройства 86. В нижней части паротурбинного устройства 86 присутствует вода 156, которую можно подавать насосом в паровой аккумулятор 88 с помощью нагнетательного насоса 158. В паровом аккумуляторе 88, перегретый пар под давлением 162 генерируется из воды с помощью нагревательного элемента 160. Для исключения неоправданной потери требуемой энергии, аккумулированной в температуре пара 162, паровой аккумулятор 88 окружен теплоизоляцией 164. Пар 162 непрерывно нагревается с помощью нагревательного элемента 160 для постоянного поддержания пара 162 при высокой температуре и высоком давлении. Во время работы паротурбинного устройства, т.e. если требуется аварийное энергоснабжение, открывается паровая задвижка 166, что обеспечивает работу пара 162 из парового аккумулятора 88 в паровой турбине 90, при этом вырабатывается электрическая энергия в генераторе 92, соединенном с паровой турбиной 90. Электрический ток вырабатываемый таким способом в генераторе 92, можно подавать по линии 168 в блок 10 противовыбросовых превенторов или в компонент блока противовыбросовых превенторов для управления его работой. Пар 162 конденсируется на холодной наружной стенке 170 и с помощью конденсационного аппарата 172, превращаясь в воду накапливается в нижней части паротурбинного устройства 86.
На своем верхнем конце паротурбинное устройство 86 соединено с однополюсной линией 70, которая проходит в Синюю систему 12 энергоснабжения и управления. Однополюсная линия 70 передает электрическую энергию и сигналы данных в блок 174 управления паровой установки. Нагревательный элемент 160 питается электрической энергией в виде электрического тока с блока 174 управления паровой установки, при этом нагревательный элемент 160 не налагает особых требований к качеству электрического тока, его питающего. В частности, нагревательный элемент 160 может питаться электрическим током, генерируемым с помощью дизельного генератора на морской буровой платформе 98. Блок 174 управления паровой установки управляет нагнетательным насосом 158, нагревательным элементом 160 и паровой задвижкой 166. С помощью термопреобразователя, например термометра или т.п., можно определить температуру и при этом также энергию, аккумулированную паром (не показано). Паровой аккумулятор 88 в данном варианте осуществления выполнен с возможностью непрерывного аккумулирования достаточной энергии для закрытия, открытия и повторного закрытия противовыбросового превентора 118, в частности противовыбросового превентора 52 со срезающими плашками, в любое время. Паровой аккумулятор может также аккумулировать больше энергии, например, для функциональной возможности управления множеством противовыбросовых превенторов.
На фиг. 30 показана зарядка подводного устройства 86 аккумулирования энергии. Вначале, устройство 86 аккумулирования энергии полностью разряжается. Зарядка выполняется с помощью электрического нагрева воды в паровом аккумуляторе 88.
Перечень ссылочных позиций
10 Блок противовыбросовых превенторов
12 Синяя система энергоснабжения и управления
14 Желтая система энергоснабжения и управления
16 Оборудование устья скважины
18 Соединительный узел устьевого оборудования
20 Нижний противовыбросовый превентор с трубными плашками
22 Первое промежуточное пространство
24 Штуцерный клапан
26 Штуцерная линия
28 Плашка
30 Вырез
32 Бурильная колонна (труба)
34 Второе промежуточное пространство
36 Задвижка линии глушения скважины
38 Линия глушения скважины
40 Средний противовыбросовый превентор с трубными плашками
42 Третье промежуточное пространство
44 Верхний противовыбросовый превентор с трубными плашками
46 Четвертое промежуточное пространство
48 Желтый блок управления клапанами
50 Синий блок управления клапанами
52 Противовыбросовый превентор со срезающими плашками
54 Нижний универсальный противовыбросовый превентор
56 Соединительный узел райзера
58 Верхний универсальный противовыбросовый превентор
60 Нижний узел морского райзера (LMRP)
62 Блок управления, Распределительное устройство питания и связи
64 Синяя система аварийного энергоснабжения и аварийного управления
66 Желтая система аварийного энергоснабжения и аварийного управления
70 Однополюсная линия питания
71 Линия передачи данных
72 Микропроцессорный блок
74 Блок микроконтроллера
76 Источник энергии
78 Желтый микропроцессорный блок
80 Желтый первый блок микроконтроллера
82 Желтый второй блок микроконтроллера
84 Желтый блок управления
86 Синее паротурбинное устройство
88 Паровой аккумулятор
90 Паровая турбина
92 Генератор
94 Желтое паротурбинное устройство
96 Герметичная стальная труба
98 Морская буровая платформа
100 Переключающий блок управления
102 Переключатeли
104 Устройство защиты от перегрузки по току
106 Соединительный узел
108 Контакт соединительного узла
110 Приводное средство противовыбросового превентора
112 Блок управления двигателя
114 Двигатель
116 Зубчатое колесо
118 Противовыбросовый превентор
120 Скользящий контакт
122 Датчик положения
124 Блокирующее устройство
126 Муфта
128 Зубчатое колесо плашки
130 Шпиндель с ходовым винтом
132 Резьба плашки
134 Шкив двигателя-генератора
136 Электромагнитная муфта сцепления
138 Подшипник качения
140 Центробежная масса
141 Масса маховика для реверса
142 Устройство аккумулирования энергии маховика
144 Привод переднего хода
146 Вал
148 Муфта и устройство с автоматической блокировкой
150 Реверсивный привод
152 Кожух
154 Индуктивная муфта
156 Вода
158 Нагнетательный насос
160 Нагревательный элемент
162 Пар
164 Изоляция
166 Паровая задвижка
168 Линия
170 Наружная стенка
172 Конденсационный аппарат
174 Блок управления паровой установки
200 Порт энергоснабжения подводного аппарата дистанционного управления (аварийный порт ROV)
220 Насос
222 Поршень
224 Цилиндр
228 Первая камера
230 Вторая камера
232 Ось
234 Зубчатое колесо
236 Кожух.