ШАРНИРНОЕ ЗВЕНО РАЙЗЕРА
RISER HINGE LINK

Изобретение относится к области подводной добычи углеводородов, а именно к элементам райзера и может быть использовано в качестве устройства для снятия изгибающего момента между райзером для заканчивания и капитального ремонта и устьевым оборудованием в режиме работы внутри водоотделяющей колонны.
На месторождениях, разрабатываемых с применением систем подводной добычи углеводородов, при проведении операций заканчивания, ремонта и сервисного обслуживания используются специализированные суда и полупогружные буровые установки, которые соединяются с устьевым оборудованием с помощью различных систем райзеров.
Так как в процессе работы суда и буровые установки движутся относительно скважины под воздействием волн, течения и ветра, на систему райзера и на устьевое оборудование воздействуют значительные изгибающие моменты, что существенно уменьшает срок службы элементов струны райзера для заканчивания и капитального ремонта, а также устьевого оборудования из-за усталостных повреждений.
Одной из важнейших задач по обеспечению безопасности и увеличению продолжительности срока эксплуатации скважин является уменьшение этих нагрузок.
Подводная часть конструкции жесткой водоотделяющей колонны включает в себя промежуточные секции, превентор и шарнирные компенсаторы (гибкие соединения), установленные в верхней и нижней части колонны. Гибкие соединения применяются для создания углового смещения между колонной и буровой палубой, а также в нижней части над блоком противовыбросового превентора, который крепится над устьем скважины. В результате изгибный момент и напряжения в системе подводных колонных головок уменьшаются. Подробно шарнирные компенсаторы описаны в «Особенности бурения скважин на шельфе», учебное пособие под общей редакцией доктора технических наук, профессора В. Г. Кузнецова - Тюмень: ТюмГНГУ, 2013.
Однако, в некоторых случаях существует необходимость еще больше снизить изгибные нагрузки, действующие на устьевое оборудование. Такая задача актуальна для уже обустроенных скважин, чьи рабочие характеристики усталостной прочности не смогут обеспечить выдерживание нагрузок в новых конкретных условиях. Например, при расконсервации старой скважины, проведении сквозьтрубного разбуривания или перевода разведывательной скважины в добычную (как это произошло на Киринском месторождении).
Для решения этой проблемы требуются дополнительные решения, которые способны обеспечить совместную работу вместе с уже существующими шарнирными гибкими соединениями для компенсации нагрузок.
Так, известно композитное устройство для компенсации нагрузок райзера, отраженное в стандарте Норвегии DNV-RP-F202: Composite Risers, (Recommended practice, Det Norske Veritas, опубл. в октябре 2010 г.). Предлагается композитный компенсатор, состоящий из внутреннего корпуса, внешней оболочки и фланцев. Жесткость внутреннего корпуса обеспечивает сохранение формы, в то время как функция оболочки -воспринимать нагрузки. По сравнению со стальными звеньями райзера, данное устройство обладает меньшей жесткостью на изгиб, а, следовательно, передает существенно меньшие нагрузки на устьевое оборудование.
К недостаткам композитного компенсатора можно отнести то, что он не способен выдерживать высокое давление (например, при плановой разгерметизации). Из-за этого рекомендуется использовать композитные устройства такого типа во время более мягких операций (например, он применяется на добычных райзерах). Также недостатком является значительная стоимость композитного устройства и высокий риск механического повреждения внешней композиционной оболочки при работе внутри водоотделяющей колонны и риск развития аварийной ситуации.
Известен механический упругий соединитель (патент US 20050146137 А1, опубл. 07.07.2005 г.), способный воспринимать нагрузку на райзер. Устройство содержит фланцы, несколько пальцев, которые проходят параллельно осевому направлению соединителя и расположены по окружности фланцев, неподвижное стопорное кольцо, к которому прижимается реакционная поверхность пальца, бегунковое кольцо, расположенное снаружи пальцев и перемещающееся вдоль них с помощью исполнительного механизма. Описываемый упругий соединитель принудительно сгибает водоотделяющую колонну, вместе с находящимся внутри райзером высокого давления.
К недостаткам этого устройства можно отнести сложность его установки на уже имеющиеся системы буровой установки, которая требует внесения серьезных конструктивных изменений во многих системах буровой установки, например, в конструкцию противовыбросового превентора (далее - ПВП), а также в конструкцию всего грузоподъемного, транспортировочного, управляющего и прочего оборудования для ПВП. Поэтому, его крайне сложно интегрировать в уже построенную систему. Подобное переоборудование несет множество технических рисков и финансовых затрат
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является механическое гибкое соединение (патент СА 2715162 А1 опубл. 02.06.2015 г.), соединяющее две части райзера, компенсируя между ними угловое смещение. Изобретение относится к соединителям райзера, находящихся под некоторым угловым смещением. Согласно изобретению, соединитель райзера содержит средство для соединения звеньев райзера на расстоянии от опорных поверхностей и средство для создания осевой силы между двумя частями. Гибкое соединение райзера содержит два изогнутых элемента для соединения двух частей райзера параллельно друг другу, когда изогнутые элементы повернуты строго в противоположные стороны; и для соединения под некоторым углом, когда изогнутые элементы повернуты под различными углами друг к другу. Возможность создания некоторого угла изгиба в райзере позволяет уменьшить изгибающие моменты в месте соединения между райзером и устьевым оборудованием.
Недостатком этого устройства является, во-первых, создание изгиба в райзере при нахождении конструкции в выпрямленном состоянии, тем самым усложнение прохождения данного участка райзера через водоотделяющую колонну во время его установки, а также усложнение прохождения внутрискважинного инструмента через данное устройство. Во-вторых, создание дополнительных изгибных нагрузок при осевом натяжении райзера в выпрямленном состоянии. В-третьих, сложность установки на уже имеющиеся системы буровой установки, которая требует внесения серьезных конструктивных изменений в системе управления системой заканчивания и капитального ремонта скважины. В-четвертых, данное устройство невозможно использовать внутри водоотделяющей колонны из-за его габаритов.
Задачей предлагаемого шарнирного звена райзера является снижение накопленных механических усталостных повреждений на устьевое оборудование и, как следствие, увеличение срока эксплуатации и долговечности.
Техническим результатом изобретения является создание устройства, которое позволит снизить изгибные нагрузки на оборудование устья скважины, в частности, на систему подводных колонных головок и на фонтанную арматуру, при этом не требуя переоборудования уже существующего добычной установки. Это позволит увеличить срок эксплуатации устьевого оборудования за счет снижения усталостных повреждений, не прибегая к его дорогостоящему и трудозатратному ремонту, и не прибегая к замене существующих элементов сложной конструкции и значительных размеров.
Решение поставленной задачи достигается за счет того, что в шарнирном звене райзера, включающем гибкое шаровое соединение с уплотнителями, согласно изобретению, полость шара содержит карданов подвес, который воспринимает осевые и радиальные нагрузки от струны райзера, когда шарнирное звено находится в разблокированном состоянии, причем ось качания карданового подвеса располагается ниже верхнего кольцевого превентора; а само гибкое шаровое соединение содержит запирающий механизм, оборудованный гладким патрубком и цилиндром с поршнем, запирающим элементом и пружиной, соединенный с помощью гибкой трубки с обжимным патрубком, который содержит гидравлическую систему управления. Корпус цилиндра при этом имеет один или несколько направляющих стержней, сопрягающихся с обжимным патрубком, которые препятствуют вращательному движению цилиндра относительно райзера. Запирающий механизм выполняет функцию блокировки и герметизации устройства, а также разгрузки карданового подвеса.
Шарнирное звено райзера устанавливается в противовыбросовый превентор вместе с колонной для спуска. Водоотделяющая колонна может наклоняться относительно устья скважины, поворачиваясь вокруг шаровых звеньев (гибких соединений), установленных в верхней и нижней части колонны, а райзер высокого давления, который находится внутри нее во время операций - жестко закреплен и не может наклоняться, чтобы избегать напряжений, поэтому подвержен сильным нагрузкам во время работы.
Предлагаемое устройство позволяет уменьшить изгибные нагрузки на устье скважины (на систему подводных колонных головок и на фонтанную арматуру) за счет обеспечения возможности поворота райзера для заканчивания и капитального ремонта относительно устья скважины во время операций. Такое снижение изгибных нагрузок на оборудование во время операций приводит к снижению накопленных механических усталостных повреждений на устьевое оборудование и как следствие, к увеличению срока эксплуатации и долговечности оборудования.
Трудностью в решении задачи изобретения является то, что внутренний диаметр противовыбросового превентора составляет около 470 мм, поэтому конструктивное размещение в нем гибкого соединения, описанного, например, в учебном пособии «Особенности бурения скважин на шельфе», уменьшенного до необходимых размеров, не является рабочим вариантом: площадь всех несущих и уплотнительных поверхностей уменьшится в разы, при этом нагрузка останется прежней, что повлечет разрушение гибкого соединения.
Предлагаемое в изобретении шарнирное звено райзера решает эту задачу и способно работать при стандартных рабочих нагрузках и давлениях в райзере. При этом устройство содержит механизм блокировки и герметизации, который выполняет следующие функции: - блокирует шарнирное звено райзера в выпрямленном положении;
- создает дополнительный герметичный барьер на пути пластового флюида, способный выдерживать максимально возможное давление внутрискважинной жидкости;
- разгружает карданов подвес на шарнирном звене райзера и берет на себя осевые, а также частично радиальные усилия, передающиеся от райзера.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами:
на фиг. 1 приведена принципиальная схема устройства шарнирного звена райзера;
на фиг. 2 показано расположение шарнирного звена райзера в устройстве колонны для спуска;
на фиг. 3 показана схема шарнирного звена райзера во время работы режима аварийной самоблокировки шарнирного звена райзера;
на фиг. 4 изображена модель устройства шарнирного звена райзера в разрезе.
Шарнирное звено райзера предназначено для снижения механических изгибающих нагрузок в режиме работы системы доступа в скважину с использованием противовыбросового превентора и водоотделяющей колонны, передающихся от струны райзера на колонну для спуска, и далее на устьевое оборудование.
На фиг. 1 приведена схема шарнирного звена райзера, который устанавливается на адаптер колонны для спуска 1 и фиксируется с помощью гайки 2. Основным узлом шарнирного звена райзера является карданов подвес 3. Он позволяет райзеру наклоняться относительно колонны для спуска, но при этом передает вращательный момент и осевое усилие от гладкого патрубка 4 к адаптеру колонны 1.
Между гайкой 2 и гладким патрубком 4 установлено уплотнение 5, которое является первичным барьером на пути внутрискважинной жидкости, когда шарнирное звена райзера находится в разблокированном состоянии. Вторичным барьером при этом является верхний кольцевой превентор ПВП. Для перевода шарнирного звена райзера в заблокированное состояние между гладким патрубком 4 и воронкой гайки 2 вводится полиуретановый запирающий элемент 6, закрепленный на поршне 7.
Поршень 7, а также пружина 8, предназначенная для его автоматического закрытия, установлены внутри цилиндра 9, который в свою очередь подвижен в продольном направлении относительно гладкого патрубка 4. Управляющие гидравлические сигналы подаются на цилиндр 9 от обжимного патрубка 10 с помощью гибких трубок 11. Для того, чтобы исключить вращение цилиндра 9 относительно обжимного патрубка 10 между ними устанавливается как минимум один направляющий стержень 12.
Позицией 13 обозначена полость открытия запирающего механизма; позицией 14 - полость закрытия запирающего механизма. В обжимном патрубке 10 предусмотрены устройство 15 для подключения шлангокабеля шарнирного звена райзера и устройство 16 для подключения шлангокабеля колонны для спуска и обеспечения подачи управляющих сигналов и гидравлической жидкости на ее узлы.
На фиг. 2 схематически показано расположение шарнирного звена райзера во всей системе устройства колонны для спуска, где:
17 - водоотделяющая колонна;
18 - верхний кольцевой превентор;
19 - шарнирное звено райзера;
20 - нижний кольцевой превентор;
21 - колонна для спуска;
22 - фонтанная арматура;
23 - райзер высокого давления;
24 - гибкая муфта водоотделяющей колонны;
25 - механизм блокировки и герметизации;
26 - шарнир;
27 - обжимной патрубок колонны для спуска.
Шарнирное звено райзера работает следующим образом. В рабочем режиме предлагаемое устройство дает возможность райзеру высокого давления поворачиваться вокруг шарнира, компенсируя возникновение нагрузок, в то же время водоотделяющая колонна наклоняется относительно устья скважины, поворачиваясь вокруг шарового сочленения гибкой муфты 24, что в сумме приводит к уменьшению изгибных нагрузок на устье скважины (фиг. 2).
Ось качания карданового подвеса 3 располагается ниже верхнего кольцевого превентора 18 (фиг. 2). Во время штатной работы, когда давление внутрискважинных флюидов не превышает 3,5 МПа (что составляет около 90% времени штатной работы шарнирного звена райзера), пластовый флюид поступает в промысловую полость шарнирного звена райзера, где располагается карданов подвес 3, и удерживается внутри райзера уплотнением 5. Входное отверстие должно располагаться ниже шарового уплотнения.
Опционально уплотнение 5 может быть рассчитано на 5 МПа. Осевая нагрузка от струны райзера при этом полностью передается через карданов подвес 3 на адаптер колонны для спуска 1. Допуски механизма шарнирного звена райзера подобраны таим образом, что шаровые поверхности гайки 2 и гладкого патрубка шарнирного звена райзера 4 не передают никакой нагрузки от струны райзера, и являются только уплотнительными поверхностями. Вторичным барьером для пластового флюида является верхний кольцевой превентор 18.
Для проведения операций, при которых давление внутри промыслового ствола шарнирного звена райзера превышает 3,5 МПа (вплоть до 69 МПа) в его конструкции предусмотрен механизм блокировки и одновременной герметизации устройства. Его основной элемент - это запирающий элемент 6, например, полиуретановый, располагающийся на поршне 7. Когда необходимо провести операции с подачей в промысловый канал райзера давления более 3,5 МПа, давление из полости 13 сбрасывается, уменьшается преднатяжение струны райзера до около нулевого значения и закрываются нижний кольцевой превентор 20 и верхний кольцевой превентор 18. Уплотняющий элемент нижнего кольцевого превентора 20 упирается с огромным усилием в обжимной патрубок колонны для спуска, центрируя его относительно канала ПВП. Уплотняющий элемент верхнего кольцевого превентора делает тоже самое с обжимным патрубком шарнирного звена райзера 10. При этом происходит «выпрямление» райзера относительно колонны для спуска. После чего подается давление в полость 14 и запирающий элемент 6 входит в зазор между гладким патрубком шарнирного звена райзера 4 и гайкой 2. При этом он одновременно заклинивает устройство в «выпрямленном положении» и герметизирует его.
Цилиндр 9 подвижен относительно гладкого патрубка 4, и при перемещении поршня 7 вниз, он движется в верх и цепляется специальными выступами внизу его корпуса с соответствующими выступами на гайке 2. Таким образом нагрузка от усилия поршня 7 не передается на карданов подвес 3, а идет на гайку 2. Более того, за счет заклинивания запирающего элемента 6 относительно гладкого патрубка 4, часть усилия от струны райзера передается не через карданов подвес 3, а также сферические поверхности вокруг уплотнения 5, а через гайку 2, поршень 7 и цилиндр 9. Это необходимо, чтобы компенсировать возрастающие нагрузки на разрыв внутри струны райзера за счет подаваемого внутрь огромного давления. Из-за ограничения в размерах, невозможно сделать карданов подвес 3 достаточно большим и мощным, чтобы выдерживать пиковые нагрузки в течение всего срока службы, но так как во время этих нагрузок механизм наклона стопорится, и часть нагрузок идет мимо этого механизма - то шарнирное звено райзера будет исправно и корректно работать.
На случай потери во время операций гидравлического давления в линиях управления шарнирного звена райзера, внутри обжимного патрубка 10 предусмотрена система гидрораспределителей, которая обеспечивает аварийную блокировку механизма шарнирного звена райзера. При потере давления в линиях управления, происходит сброс рабочей жидкости из полости 13. При этом пружины 8 загоняют запирающий элемент 6 между уплотнительными поверхностями, создавая начальную герметизацию. Для открытия гидрораспределителя давление в водоотделительной колонне должно быть, как минимум в два раза больше, чем в линии отключения резервного управления.
Из-за ограничений в размерах, поставить достаточно мощный пакет пружин, чтобы полностью герметизировать устройство нельзя, но это и не требуется. С помощью системы гидрораспределителей, давление из промыслового ствола райзера начинает поступать в полость 14. Линии, находящиеся под давлением во время работы режима аварийной самоблокировки шарнирного звена райзера показаны жирным на фиг. 3.
Так как площадь цилиндра 7 (фиг. 1), на которую действует давление пластового флюида, намного больше площади запирающего элемента 6, на которую действует точно такое же давление пластового флюида, но уже с противоположной стороны, то происходит самозаклинивание устройства.
Для промывки уплотнительных поверхностей запирающего элемента 6, а также карданового подвеса 3, предусмотрена подача химических реагентов через линии СП и СГ2 соответственно (фиг. 1). Линия СГ2 также служит и местом входа пластового флюида в гидравлическую систему в случае перехода на аварийное управление. Этим гарантируется, что данная линия всегда будет чистой. Линии СГ3 и СГ4 служат для закрытия и открытия кольцевого клапана (фиг. 1).
От обжимного патрубка 10 на цилиндр 9 гидравлическая жидкость подается через специальные гибкие трубки (или шланги) 11. Также через гибкие трубки или шланги идет подача управляющих жидкостей и сигналов на колонны для спуска. Для предотвращения вращения цилиндра 9 вокруг гладкого патрубка 4 и повреждения этих линий в устройстве шарнирного звена райзера предусмотрены направляющие стержни 12.
Предлагаемое шарнирное звено райзера имеет гибкое шаровое соединение с уплотнителями и расположенным внутри кардановым подвесом, который воспринимает осевые и радиальные нагрузки от струны райзера, поэтому при использовании можно достигнуть снижение накопленных механических усталостных повреждений на устьевое оборудование и, как следствие, увеличение срока эксплуатации и долговечности.