БУРОВАЯ УСТАНОВКА, СОДЕРЖАЩАЯ БУРОВУЮ ВЫШКУ И БУРОВУЮ МАШИНУ
DRILLING RIG CONSISTING OF DRILLING DERRICK AND DRILLING MACHINE

Настоящее изобретение относится к буровой вышке с буровой машиной, выполненной с возможностью перемещения относительно буровой вышки в процессе бурения и при установке и извлечении элементов бурильной колонны, как описано в ограничительной части п.1 формулы изобретения. Кроме того, изобретение относится к буровой машине для буровой вышки или так называемого бурового станка, причем указанная машина содержит контроллер, предназначенный для управления функциями буровой машины, как описано в ограничительной части п.9 формулы изобретения.
Известно устройство указанного типа, в котором буровая машина подвешена на тросе, перекинутом через кронблок в верхней части вышки и проходящем вниз и в сторону, к лебедке, обычно лебедке электромеханического типа. Несмотря на то, что такие устройства давно известны, в частности, для бурения на суше, а также для бурения в открытом море, эти известные устройства имеют недостаток, заключающийся в том, что их грузоподъемность и длина хода буровой машины ограничены, что приводит к необходимости частой установки трубных секций, при этом конструкция таких устройств требует большой площади.
Соответственно целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, и устройство согласно изобретению отличается признаками, изложенными в п.1 прилагаемой формулы изобретения.
Дополнительные варианты выполнения устройства изложены в зависимых пунктах 2-8 прилагаемой формулы изобретения.
Буровые машины, предназначенные для использования в буровых вышках или буровых установках общего назначения или для использования с устройством отмеченного выше типа, обычно являются устройствами гидравлического типа, в которых подаваемая от внешнего источника гидравлическая энергия подается в буровой двигатель буровой машины, к клапанам, регулирующим его функции, и к требуемым гидравлическим приводам. Для управления клапанами и, следовательно, двигателями и приводами, на буровой машине установлен контроллер с электронным или электрическим управлением, как правило, называемый блоком PLS (блок программируемого логического контроллера). Контроллер соединен с внешним блоком дистанционного управления с помощью силового кабеля и кабеля управления. Использование указанных кабелей часто усложняет работу на буровой вышке, особенно на площадке установки для бурения в открытом море, рабочее пространство которой ограничено и в которой такие кабели иногда мешают работе с установленным на ней оборудованием, или могут быть повреждены при контакте с оборудованием, в результате чего кабели или их разъемы оказываются полностью или частично неэффективны. Такая же проблема характерна и для оборудования, расположенного на суше. Большие сложности вызывает также использование высоких буровых вышек.
Таким образом, дополнительной целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, связанных с использованием кабелей при обеспечении передачи энергии от внешнего источника к буровой машине в виде либо гидравлической, либо электрической энергии.
Указанная выше буровая машина согласно изобретению отличается признаками, изложенными в п.9 прилагаемой формулы изобретения.
Изобретение более подробно описано ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 представляет собой буровую вышку согласно изобретению, причем буровая машина находится во взаимодействии с буровыми трубами;
фиг.2 представляет собой типовую буровую машину;
фиг.3 представляет собой схему несущей рамы для буровой машины, применяемой на буровой вышке;
фиг.4-7 представляют собой буровую вышку в некоторых положениях эксплуатации;
фиг.8 представляет собой модификацию частей исполнительного механизма варианта выполнения, показанного на фиг.1-7;
фиг.9-17 представляют собой последовательность операций работы буровой вышки согласно изобретению;
фиг.18 представляет собой упрощенную схему гидравлических соединений;
фиг.19 представляет собой первый вариант выполнения буровой машины согласно изобретению;
фиг.20 представляет собой второй вариант выполнения буровой машины согласно изобретению.
На фиг.1 показана буровая вышка 1 с буровой машиной 2, которая выполнена с возможностью перемещения относительно указанной вышки в процессе бурения и при установке элементов 3 бурильной колонны. Буровая вышка содержит по меньшей мере три, но предпочтительно четыре расположенных на расстоянии друг от друга параллельных вертикальных стойки 4-7, которые внизу присоединены к полу 8 буровой установки или основанию 9, а вверху присоединены к общей раме 10.
Буровая машина 2 подвешена к опорной раме 11 на поперечном валу 12, расположенном в опорной раме. Как правило, нижняя часть буровой машины выполнена с возможностью изменения угла наклона относительно верхней части, но буровая машина также может быть выполнена с возможностью изменения угла наклона относительно опорной рамы, например относительно поперечной балки 12. Опорная рама имеет, например, треугольную, прямоугольную или квадратную форму. В иллюстративных целях выбрана квадратная конфигурация, как показано на фиг.3. В углах опорной рамы имеются направляющие 13, 14, 15, 16, предназначенные для взаимодействия с возможностью скольжения с соответствующей стойкой 4, 5, 6, 7, а средства 17, 18 предназначены для перемещения с возможностью управления опорной рамы вдоль стоек до заданного уровня. Более конкретно, указанные средства образованы парой телескопических исполнительных механизмов 17, 18, каждый из которых проходит вверх между смежной соответствующей парой стоек 4, 7 и стоек 5, 6. Исполнительный механизм состоит по меньшей мере из трех телескопических частей, а в проиллюстрированном примере имеется четыре части, а именно 17', 17'', 17''', 17'''' и 18', 18'', 18''', 18''''.
В приведенном неограничительном примере данные телескопические части 17', 17'', 17''', 17'''' и 18', 18'', 18''', 18'''' имеют диаметр соответственно 700 мм, 600 мм, 500 мм и 400 мм, а длина каждой части составляет примерно 12 метров, хотя это не является ограничением. Исполнительные механизмы предпочтительно являются известными гидравлическими механизмами с известным режимом работы, и в данном случае их физический размер соответствует задачам, для которых он должен быть рассчитан. Например, грузоподъемность каждого исполнительного механизма может составлять 300-400 т, что может потребоваться в случае извлечения длинной бурильной колонны из скважины при замене бурового долота или при необходимости прекращения бурения из-за неудачной попытки бурения. Таким образом, возможная длина хода исполнительных механизмов обеспечивает при необходимости установки дополнительных буровых труб в бурильную колонну соединение по меньшей мере двух трубных элементов 3 бурильной колонны, как показано на фиг.6, когда первый элемент 3' поднимают из участка 19 хранения трубных элементов бурильной колонны, а затем немного опускают для ввинчивания в секцию 21' бурильной колонны, которая выступает вверх из пола буровой установки, после чего из того же участка 19 для хранения труб достают следующий элемент 3'' бурильной колонны, приподнимают и затем опускают для ввинчивания в верхний конец элемента 3' (не показан на фиг.6), после чего операцию бурения можно продолжить с использованием бурильной колонны, наращенной с помощью элементов 3' и 3'', как показано на фиг.7. В качестве рабочей текучей среды для исполнительных механизмов могут использоваться по сути известные рабочие жидкости для исполнительных механизмов данного типа. Так как работы на буровых установках на суше и в открытом море часто выполняются во время года с низкой температурой, может использоваться, например, масло для гидравлических систем, обладающее антифризными свойствами. Одним из примеров подходящих рабочих жидкостей может являться рабочая текучая среда на основе гликоля.
Если пол 9 буровой установки расположен, например, на уровне около 8 метров над фундаментной рамой или основанием буровой вышки, то соответственно первая часть 17', 18' выступает над полом 9 буровой установки примерно на 4 метра.
Кроме того, целесообразно, чтобы бурильные трубы 3, применяемые для наращивания, лежали подготовленными на участке 19 для хранения труб, который расположен ниже пола 8 буровой установки, так что при подъеме труб для прикрепления к буровой машине 2 их тянут по наклонной плоскости 20, установленной между полом 8 и участком 19 для хранения труб.
Расстояние между стойками 4-7 может составлять, например, 4 метра, как показано на фиг.4, хотя, конечно, возможно и другое расстояние, например, расстояние d2 по направлению участка 19 для хранения труб может быть немного больше расстояния d1, проходящего поперечно d2. Стойки могут быть собраны, например, путем свинчивания вместе секций, которые на фиг.5 обозначены номерами позиций 4', 4'', 4'''; 5', 5'', 5'''; 6', 6'', 6''' и 7', 7'', 7''', при этом каждая секция имеет длину, например, 15 м. Предпочтительный поперечный размер может составлять, например, 500 мм. Это позволило бы соответствующим образом защитить секции от коррозии, например, с использованием скользящего покрытия и/или оцинкованного покрытия. Вместе с тем, постоянные перемещения вверх и вниз опорной рамы 11 и возможность использования смазки в стойках 4-7 способствуют уменьшению коррозии. Тем не менее, предпочтительным является использование стоек с максимальной коррозионной стойкостью.
Как показано на чертежах, находясь в положении, изображенном на фиг.1, буровую машину 2 можно отсоединить от части 21' бурильной колонны 21, выступающей через пол 8 буровой установки.
При полной длине хода исполнительных механизмов буровую машину 2 можно подвести прямо к верхней части буровой вышки 1, как показано на фиг.5. Однако сначала необходимо подвести буровую машину вверх до промежуточного уровня, обеспечивающего возможность прикрепления к буровой машине, например, первого элемента 3' буровой трубы 3, как показано на фиг.6, для того, чтобы затем поднять его вверх и прикрепить к части 21' бурильной колонны обычным способом, после чего следующий элемент 3'' бурильной колонны достают, когда буровая машина находится на уровне, который немного выше показанного на фиг.6 уровня, вводится во взаимодействие с буровой трубой 3' и в верхней части вводится во взаимодействие со стандартным креплением буровой трубы буровой машины 2, как показано на фиг.7.
Для упрощения описания на чертежах не показаны грузоподъемное устройство, поворотное устройство и крепежное или зажимное средство, а также погрузочно-разгрузочное оборудование для доставки труб из участка хранения при необходимости прикрепления к бурильной колонне трубных секций 3 или возвращения труб обратно в участок хранения при необходимости отсоединения труб от бурильной колонны. Все указанное оборудование является для специалистов в данной области техники стандартным и понятным, и его более подробное описание не приводится.
Хотя показанная и описанная опорная рама 11 имеет квадратную форму, в которой расстояния d1 и d2 между стойками равны, опорная рама может иметь прямоугольную форму, как указано выше. Опорная рама может также иметь треугольную форму, если она обеспечивает преимущество по соображениям занимаемого места. При этом та часть, два ребра которой сходятся, лежит напротив наклонной плоскости 20, а поперечное ребро, соединяющее их, лежит между стойками 4, 5, при этом стойки 6, 7 фактически объединены с образованием единой стойки. Исполнительные механизмы в данном случае прикреплены к двум указанным ребрам.
Для предотвращения повреждения исполнительных механизмов 17, 18 из-за изгибания при перемещении на максимальную длину хода и обратно целесообразно расположить на каждом соответствующем исполнительном механизме 17 и 18 по меньшей мере два бегунка 22, 23 и 24, 25, как показано на фиг.8, так что, например, бегунок 22 входит во взаимодействие с верхним концом части 17'' исполнительного механизма, бегунок 23 взаимодействует с верхним концом части 17''', бегунок 24 взаимодействует с верхним концом части 18'', а бегунок 25 взаимодействует с верхним концом части 18'''. Каждый бегунок 22-25 у соответствующих концов 22', 22''; 23', 23''; 24', 24'' и 25', 25'' входит во взаимодействие с возможностью скольжения с соответствующими стойками 4, 5 и 6, 7, тем самым повышая устойчивость и надежность направления частей исполнительного механизма.
На фиг.9-17 показана буровая вышка 26 с буровой машиной 27, которая выполнена с возможностью перемещения относительно буровой вышки в процессе бурения и при установке и извлечении трубных элементов 28 бурильной колонны. В приведенном примере буровая вышка 26 содержит четыре расположенных на расстоянии друг от друга параллельных вертикальных стойки 29-32, которые внизу прикреплены к полу 33 буровой установки или основанию 34, а вверху прикреплены к общей раме 35. Буровая машина 27 установлена в опорной раме 35, которая в данном примере имеет U-образную или П-образную форму, хотя возможны и другие формы, как например, в предыдущих примерах. На свободных концах 35', 35'' опорной рамы и в ее углах 35''', 35'''' имеются направляющие, предназначенные для вхождения во взаимодействие с возможностью скольжения с соответствующей одной стойкой 29-32. Пара телескопических исполнительных механизмов 36, 37 предусмотрена для перемещения с возможностью управления опорной рамы 35 вдоль стоек 29-32 до заданного уровня. Каждый исполнительный механизм 36, 37 проходит вверх между соответствующей парой 29, 31 и 30, 32 смежных стоек.
На фиг.1-8 более подробно показано, что исполнительные механизмы имеют по меньшей мере три телескопические части, установленные с возможностью перемещения относительно друг друга. Каждый исполнительный механизм 36, 37 внизу прикреплен к полу 33 буровой установки или основанию 34, а вверху прикреплен к нижней стороне опорной рамы 35.
Как показано на фиг.1-8, по меньшей мере две телескопические части каждого исполнительного механизма имеют бегунки, которые входят с возможностью скольжения во взаимодействие со смежной парой стоек. В варианте выполнения, показанном на фиг.9-17, с возможностью скольжения во взаимодействие со стойками 29-32 входят U-образные или П-образные бегунки 38, 39, присоединенные к телескопическим частям 36', 36'', 36''' и 37', 37'', 37''' соответствующих исполнительных механизмов 36, 37. Бегунки обеспечивают хорошую устойчивость буровой вышки от воздействия изгибающего момента и препятствуют перемещению стоек 29-32 относительно друг друга.
На фиг.9 показано, что буровая машина 27 находится вверху буровой вышки 26, и бурильная колонна 28' подвешена к буровой машине 27. В процессе выполнения работ бурильная колонна 28', а следовательно, и буровая машина 27 перемещаются вниз, как показано на фиг.10 и фиг.11, и кроме того, при этом исполнительные механизмы 36, 37 сжимаются, а бегунки 38, 39 перемещаются вниз одновременно с опорной рамой 35. В нижнем положении буровой машины 27, которое показано на фиг.12, опорная перекладина 40 наклонена вверх так, чтобы поддерживать новый трубный элемент 28 бурильной колонны, подлежащий прикреплению к верхней части бурильной колонны 28'. Одновременно, как показано на фиг.13, опорная рама 35 перемещена немного вверх для обеспечения наклона буровой машины 27 с целью приема нового трубного элемента 28 бурильной колонны. Предусмотрен известный захватный крюк 41, 42, часть которого представляет собой устройство 41, установленное на полу 33 буровой установки и выполненное с возможностью перемещения вверх от пола, а также назад и вперед относительно буровой машины 27, а часть представляет собой устройство 42, размещенное на буровой машине 27 и предназначенное для захвата трубного элемента 28 бурильной колонны и его прикрепления к буровой машине 27. Как показано на фиг.16, затем буровая машина 27 вместе с вновь прикрепленным трубным элементом 28 бурильной колонны и со связанной опорной рамой 35 перемещаются вверх с помощью исполнительных механизмов 36, 37, при этом бегунки 38, 39 также следуют вдоль стоек 29-32. При этом нижняя часть трубного элемента 28 бурильной колонны скользит вдоль концевой верхней части опорной перекладины 40 и, в конце концов, сходит с ее конца, так что свисает прямо вниз от буровой машины 27 и может быть захвачена устройством 41 с обеспечением дальнейшего закрепления к верхнему концу бурильной колонны 28'.
Понятно, что, в частности, на начальной стадии направленного вверх перемещения буровой машины требуется обеспечить подачу значительного объема текучей среды в единицу времени и при высоком давлении, что также потребует использования мощных и скоростных гидравлических насосов для того, чтобы эффективно и с достаточной скоростью перемещать буровую машину и бегунки, в дополнение к весу телескопических частей исполнительного механизма.
Следовательно, целесообразно предусмотреть гидравлический аккумулятор 43, как показано на схеме на фиг.18, который заряжается, когда общая длина исполнительных механизмов уменьшается по мере перемещения буровой машины вниз в ходе операции бурения, так что гидравлический насос 44, который подает находящуюся под давлением текучую среду в исполнительные механизмы 36, 37, в таком случае принимает текучую среду, которая находится под давлением. Показаны питающие линии 45, 46, проходящие от аккумулятора 43 через насос 44 к исполнительным механизмам 36, 37, и обратные линии 47, проходящие от исполнительных механизмов 36, 37 через насос 50 к аккумулятору 43. Показанные на чертеже регулируемые клапаны 49, 49' преимущественно могут быть выполнены с возможностью отключения соединений с исполнительными механизмами, при этом, конечно, кроме показанных клапанов можно использовать и дополнительные, например, однопроходные клапаны 49'', 49'''.
На фиг.19 и 20 показана буровая машина 51 для буровых вышек, причем указанная машина содержит контроллер 52, предназначенный для управления функциями буровой машины. Согласно изобретению контроллер 52 выполнен с возможностью беспроводного управления от внешнего блока 53 дистанционного управления, имеющего антенну 53', при этом контроллер 52 соединен с несколькими технологическими гидравлическими регулирующими клапанами с электрическим управлением, расположенными в клапанном узле 54. Контроллер оборудован антенной 52'.
Контроллер 52 питается электрической энергией на основе передаваемой по кабелям 55 от внешнего источника к буровой машине 51 электрической энергии или передаваемой по линиям 56 гидравлической энергии.
В случае, когда буровой двигатель 57 буровой машины 51 является электрическим и когда передаваемая от внешнего источника энергия с помощью кабелей 55 распределяется в буровой двигатель 57 буровой машины, контроллер 52 и технологические регулирующие гидравлические клапаны 54, на буровой машине установлен электрический или гидравлический генератор 58, 58', обеспечивающий гидравлическое давление с помощью технологических регулирующих гидравлических клапанов 54 с электрическим управлением, соединенных с контроллером 52, в гидравлических исполнительных механизмах 59-65 буровой машины. Такие исполнительные механизмы могут быть предназначены, например, для оборудования регулирования, закрепленного на буровой машине, или для регулирования вращающего усилия буровой машины.
В другом случае, когда буровой двигатель 66 буровой машины 51 является гидравлическим и когда передаваемая от внешнего источника гидравлическая энергия с помощью гидравлических линий 56 распределяется в буровой двигатель 60 буровой машины, технологические регулирующие гидравлические клапаны 54 и исполнительные механизмы 59, 59', на буровой машине 51 установлен гидравлический или электрический генератор 67, предназначенный для передачи энергии к контроллеру 52, а также соединенным с контроллером технологическим регулирующим гидравлическим клапаном 54 с электрическим управлением, которые соединены с гидравлическими исполнительными механизмами 59-65.
В данном случае необходимая прокладка кабелей от внешнего источника питания (электрического или гидравлического) выполнена простым, недорогим и эффективным способом, при этом обеспечено более надежное и простое соединение между блоком 53 дистанционного управления и контролером 52.