СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ОБСЛУЖИВАНИЯ УСТАНОВКИ ДЛЯ НЕФТЯНОЙ СКВАЖИНЫ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF INCREASING SAFETY OF SERVICING INSTALLATION FOR OIL WELL (VERSIONS)

Предпосылки к созданию изобретения
В ходе бурения и обслуживания нефтяных скважин часто случаются аварии, некоторые даже со смертельным исходом, когда установка производит вытягивание (подъем) труб из скважины и опускание труб в ствол скважины, подъем и опускание противовыбросового превентора, клиньев или других стационарных устройств. Обычно, когда установка производит вытягивание с малой глубины и имеет легкий груз, скорость блока является высокой и у оператора имеется мало времени для реагирования на непредвиденные происшествия. В дополнение к проблеме скорости имеется растяжение в системе труб или в бурильной колонне, и, следовательно, когда труба находится в подвешенном состоянии, часто происходят повреждения и аварии.
Когда начинают вытягивание труб из ствола скважины при помощи установки, оператор или бурильщик выбирает наиболее эффективное передаточное отношение для подъема груза на основании веса на крюке и желательной скорости подъема. Чаще всего наиболее высокую скорость вытягивания выбирает не оператор, так как скорость вытягивания (подъема) блока ограничена как мощностью первичного двигателя, так и зубчатой передачей, передающей мощность от двигателя к подъемному механизму. Так как вес груза на крюке, поднимаемого со дна скважины, может быть большим, то обычно оператор, работающий на стандартной установке, начинает подъем груза со дна медленно (двигатель в максимальном режиме, но все еще при медленном движении блока), и когда вес на крюке уменьшается при меньшем числе труб в скважине, то скорость вытягивания или скорость блока будет возрастать. Это в первую очередь связано с тем, что для подъема более легкого груза требуется меньшая мощность.
Бурильная труба, система (колонна) труб и буровые штанги имеют известные модули упругости и испытывают растяжение. Например, если установка имеет систему труб длиной 10000 футов, измеренной на поверхности, которая весит 45000 фунтов и система труб не движется, то индикатор веса покажет 45000 фунтов, если труба весит свободно и вертикально. Нижний конец системы труб будет находиться на расстоянии около 10003 футов от верхнего конца за счет нормального растяжения, когда труба весит свободно и вертикально.
При возникновении сил, воздействующих в дополнение к свободно висящему грузу, например, за счет застревания в скважине, когда нижний конец трубы является неподвижным, а верхний конец движется за счет вытягивания при помощи блока, колонна труб будет удлиняться. Величина дополнительного растяжения может быть определена при помощи следующего уравнения:
1) Растяжение (дюймы) = [Длина трубы в скважине]*[Дифференциал тяги]
[735000]*[Вес трубы]
Когда труба застревает глубоко (на дне) в скважине, то допустимое время реакции оператора существенно превышает допустимое время реакции, когда труба застревает вблизи от поверхности. Например, если труба 2 3/8′′ с весом 4.5 фунта на фут застревает на глубине 10000 футов, то свободновисящий груз составляет 45000 фунтов. Максимальная желательная тяга будет тогда составлять 65000 фунтов, что основано на расчетном значении при 90% пределе текучести новой системы труб. Если оператор установки поднимает дополнительно 20000 фунтов по сравнению со свободновисящим грузом (то есть максимально 65000 фунтов), то полное растяжение в системе труб будет равно
2) S=[10000 футов * 20,000 фунтов избыточной тяги]/[735000*4.5#/ft]=60 дюймов.
Используя это уравнение и применяя его к установке для вытягивания из скважины, можно определить, что почувствует оператор в случае застревания вытягиваемой трубы. Предполагая, что скорость вытягивания установки на этой глубине и при этом весе составляет около 60 футов в минуту или около одного фута в секунду, и зная из уравнения 2, что 20000 фунтов избыточной тяги создает растяжение 60 дюймов, время от момента застревания до достижения 20000 фунтов избыточной тяги может быть вычислено следующим образом:
3) Т=D/V,
где D представляет собой расстояние вытягивания, V - скорость, а Т - время. Зная, что при 20000 фунтах избыточной тяги труба имеет растяжение 60 дюймов или 5 футов и что скорость на этой глубине составляет 1 фут в секунду, время может быть вычислено следующим образом:
4) Т=5/1, или пять секунд.
Другими словами, если система труб застревает в непосредственной близости от дна скважины, оператор имеет около пяти секунд, чтобы реагировать и остановить блоки ранее достижения максимального допустимого тягового усилия 65000 фунтов, то есть при 20000 фунтах избыточного тягового усилия. Само собой разумеется, что чем выше скорость, тем меньше время реакции, отпущенное оператору, однако избыточное тяговое усилие обычно быстро замечается оператором, и поэтому оператор обычно имеет достаточно времени для отключения установки и принятия мер для исключения избыточной тяги.
Застревание на малой глубине по сравнению с застреванием на большой глубине в скважине увеличивает проблемы, стоящие перед оператором бурильной установки и установки для обслуживания скважин. Допустим, что эта же самая труба находится на глубине всего 500 футов, тогда труба имеет свободновисящий груз 2250 фунтов, то есть те же самые 4.5 фунта на фут. Теперь оператор установки имеет больше чем достаточную мощность, чтобы произвести подъем практически на любой скорости, однако при тяговом усилии не более 65000 фунтов, что в данном случае составляет 62750 фунтов избыточной тяги. Используя равенство 1, растяжение трубы в этом примере может быть вычислено следующим образом:
5) S=[500 футов * 62,750 избыточной тяги]/[735000*4.5#/ft.]=9 дюймов.
При условии, что скорость вытягивания легкого груза составляет четыре фута в секунду, используя уравнение 3, время для этого примера нахождения трубы "почти вне скважины" может быть вычислено следующим образом:
6) Т=75/4=1875 секунды для реагирования.
Таким образом, время для перемещения на 9 дюймов, то есть для растяжения от состояния свободновисящего груза до максимального растяжения (3/4 фута), при скорости 4 фута в секунду, составляет 1875 секунды, что существенно меньше, чем когда труба застревает глубоко в скважине. Даже если установка работает с намного меньшим передаточным отношением и если скорость вытягивания замедлить до 1 фута в секунду, то при использовании уравнения 3 для расчета времени можно показать, что оператор все еще не имеет достаточно времени (имеет всего 3/4 секунды) для надлежащего реагирования на ситуацию вытягивания с малой глубины:
7) Т=75/1=3/4 секунды для реагирования.
Таким образом, в том случае, когда установка имеет проблемы в скважине, которые вызывают застревание, и имеется достаточная длина трубы в скважине, то оператор имеет достаточно времени для реагирования. Однако, с другой стороны, если труба является короткой и установка работает на своей максимальной грузоподъемности, то оператор имеет мало времени (или совсем его не имеет) для реагирования и вероятность катастрофического события резко возрастает. Таким образом, существует необходимость в решении этой проблемы, чтобы повысить уровень безопасности установки и персонала и исключить вероятность возникновения таких катастроф.
Краткое изложение изобретения
В соответствии с настоящим изобретением предлагается система, предназначенная для управления скоростью перемещения или для замедления скорости перемещения блока до безопасной скорости, когда установка работает в режиме легкой нагрузки/высокой скорости. Система производит текущий контроль и управление вращающим моментом и мощностью двигателя, обеспечивая их минимальные значения, необходимые для вытягивания (подъема) легкого груза из скважины, без создания избытка вращающего момента, достаточного для того, чтобы вытягивать застрявший груз.
Системой можно управлять вручную, или система может срабатывать автоматически, когда нагрузка на крюке падает ниже некоторого заранее установленного значения. В рабочем состоянии система устанавливает максимальную скорость (об/мин) двигателя, чтобы вытягивать груз из скважины, и информирует оператора, что имеется максимальное передаточное отношение для подъем груза. Система включает установленный в трансмиссии соленоид, который сбрасывает давление в магистрали цилиндра муфты блокировки, удерживая систему в режиме проскальзывания и вне режима блокировки (запирания). Система дополнительно подает питание на DTL (Digital Torque Limiting) двигателя для ограничения выходной мощности двигателя. Наконец, система может также ограничивать воздушное давление на диафрагме муфты подъемного механизма системы труб, чтобы удерживать систему в безопасном режиме. Эта система применима ко всем используемым в поле установкам, в том числе (но без ограничения) к буровым установкам и к установкам для обслуживания скважин.
Подробное описание предпочтительных вариантом изобретения
В соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения ограничивают имеющуюся мощность двигателя при вытягивании легкого груза. Установка, которая производит вытягивание (подъем) системы труб или бурильной колонны, нуждается в некотором расчетном количестве мощности как для вытягивания груза на крюке, так и для питания трубных ключей, чтобы развинчивать систему труб. Само собой разумеется, что большая мощность в л.с. требуется для вытягивания системы труб длиной 5000 футов, чем системы труб длиной 500 футов, на одной и той же скорости. Большинство установок, которые в настоящее время работают в поле, позволяют подавать 400 л.с. на подъемный механизм. Это является оптимальным при вытягивании (подъеме) системы труб, находящихся глубоко в скважине, но может быть опасным при работе на малой глубине, так как имеется слишком большая мощность, так что если происходит неожиданное событие, то это может привести к перегрузке оборудования и к возможной аварии.
Известная установка, которая поднимает систему труб длиной 1000 футов, использует вращающий момент, составляющий меньше чем 550 фунт-сила-фут. Эта же установка, вытягивающая систему труб длиной 5000 футов, использует вращающий момент 2500 фунт-сила-фут. Скорость вытягивания диктует реальную мощность, используемую двигателем. Следует иметь в виду, что когда установка работает при вытягивании с малой глубины и нуждается только во вращающем моменте, составляющем 550 фунт-сила-фут, то избыток вращающего момента не используют для осуществления задачи вытягивания, и он создает избыточную тягу или перенапряжения в трубе. Таким образом, ограничение мощности, подводимой к подъемному механизму, только мощностью, необходимой для создания вращающего момента, необходимого для вытягивания системы труб, повышает уровень безопасности персонала установки. Тогда, например, если пакер висит в устье скважины, то двигатель и гидротрансформатор будут выключены ранее момента, когда перенапряжения могут возникнуть в системе труб.
Ограничение вращающего момента может быть осуществлено в современных двигателях (серий 60 или других марок EDC типа) за счет поворота переключателя, который производит перестройку структуры топливной карты. Этот процесс называют "DTL", что является акронимом от "Digital Torque Limiting" («Цифровое ограничение вращающего момента»). Для компьютера, который управляет двигателем, DTL означает всего только команду на изменение (уменьшение) подачи топлива в двигатель. Компьютер двигателя в нормальном режиме подает соответствующее количество топлива в двигатель, чтобы получить его желательную скорость (об/мин). В режиме DTL подачу топлива в двигатель сокращают, в результате чего двигатель может иметь желательную скорость (об/мин), но с уменьшенным выходным вращающим моментом. Режим DTL, который включают тогда, когда нагрузка на крюке падает ниже заданного минимального значения, может обеспечивать некоторую защиту компонентов установки и персонала и предупредить катастрофическое событие.
Другой вариант настоящего изобретения предусматривает ограничение давления воздуха в муфте барабана. Муфта трубного барабана обеспечивает механическую связь между вращающимися компонентами приводной кинематической цепи и подъемным механизмом. Обычно эта воздушная муфта барабана приводится в действие воздушным давлением, превышающим 100 psi (фунт на квадратный дюйм). Так как муфта барабана обычно представляет собой муфту фрикционного типа, то полная приложенная сила всегда является максимальной, что снижает до минимума проскальзывание муфты. Снижение до минимума проскальзывания является желательным при вытягивании тяжелых грузов. Однако когда нагрузка является легкой, то проблема проскальзывания муфты больше не стоит. Наоборот, если труба застревает в скважине, отсутствие проскальзывания создает проблему вместо того, чтобы приносить пользу.
Чтобы можно было создавать проскальзывание муфты во время работы с легкими грузами, может быть установлена вторая воздушная магистраль питания муфты. Основную магистраль, которая в настоящее время имеется на всех установках, следует использовать для подачи всего воздуха на диафрагму муфты, когда производят вытягивание тяжелых грузов. Вторая воздушная магистраль, которая включается при помощи простого клапана с электромагнитным управлением, когда нагрузка на крюке падает ниже заданного минимального значения, проходит через регулятор давления, установленный выше по ходу от диафрагмы муфты. Если давление на выходе регулятора ограничить, например, величиной 40 psi, то муфта будет проскальзывать, когда нагрузка на крюке превышает 40000 фунтов, что повышает уровень безопасности в том случае, когда труба неожиданно застревает.
Еще один вариант настоящего изобретения предусматривает введение проскальзывания в гидротрансформатор. Двигатель подводит мощность к подъемному механизму через гидротрансформатор, трансмиссию и затем через зубчатая передачу, которая приводит в движение цепи, и, наконец, подъемный механизм. Когда установку используют для подъема тяжелых грузов, двигатель дросселируется и вращает турбонасос. Энергия флюида от этого турбонасоса передается через статор на рабочее колесо турбины, рабочее колесо турбины затем вращает вал турбины, который, в свою очередь, приводит в движение зубчатый редуктор, вращающий выходной вал, который передает энергию двигателя на подъемный механизм. Двигатель запускают на холостом ходу, и затем он наращивает скорость (об/мин), подводя больше энергии к турбине через насос. Сначала имеется большое проскальзывание между насосом и турбиной, однако когда выходной вал турбины набирает скорость и двигатель достигает высокой скорости (об/мин), имеется меньшая необходимость в таком проскальзывании. Когда двигатель достигает высокой скорости (об/мин), датчик турбонасоса или трубка Пито обнаруживает высокое давление, вызванное высокими оборотами двигателя, и затем перемещает флюид на поршень, концентрический с валом турбины, который приводит в действие муфту блокировки. Когда муфта блокировки срабатывает, двигатель непосредственно подключается к валу турбины, который осуществляет привод не имеющей проскальзывания трансмиссии и зубчатой передачи. Когда трансмиссия блокируется, гидротрансформатор (датчик проскальзывания) исключается из контура, в результате чего образуется прямое механическое соединение между двигателем мощностью 400 л.с. и подъемным механизмом без проскальзывания.
Управление гидротрансформатором и удержание системы в состоянии отсутствия блокировки во время подъема легких грузов может позволить обеспечивать проскальзывание установки, в результате чего вводится дополнительный уровень безопасности, когда производят вытягивание последних труб системы труб из скважины. Во время нормальной работы установки, то есть при вытягивании тяжелых грузов, флюид от двигателя, приводящий в действие турбонасос, запускает систему блокировки, которая работает ориентировочно при 90 psi. Когда давление флюида насоса достигает некоторого заданного значения, флюид прикладывает давление, блокирующее нажимные пластины муфты, так что после подачи давления на пластины блокировка включается. Имеется выпускной канал на внешней стороне корпуса трансмиссии, который обычно имеет маркировку "передний регулятор давления." Ввод нормально закрытого клапана с электромагнитным управлением в этот канал и включение этого клапана, когда необходимо проскальзывание (то есть при подъеме легких грузов), позволяет флюиду давления блокировки возвращаться в резервуар для флюида, что удерживает гидротрансформатор вне режима блокировки. Если этот клапан не включен, трансмиссия и гидротрансформатор работают нормально и переходят при необходимости в режим блокировки.
Несмотря на то что были описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят за рамки формулы изобретения.