УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕКРЫТИЯ ПОДВОДНЫХ ФОНТАНИРУЮЩИХ НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИН ПРИ НЕСАНКЦИОНИРОВАННОМ ВЫБРОСЕ
DEVICE FOR COVERING UNDERWATER FLOWING OIL-GAS WELLS AT UNAUTHORISED BLOWOUT

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и может быть использовано для ликвидации аварий, возникающих на месторождениях, в частности, расположенных под водой для перекрытия неконтролируемого вытекания нефтепродуктов из скважины, пробуренной в морском дне, в случае, например, ее разрушения в надземной части.
Известны устройства для перекрытия в трубе потока, в том числе нефтепродуктов, такие как вентили с ручным или машинным приводом: конусные, дисковые, клиновые и другие, стационарно выстроенные в трубу (см. Г.П. Дмитриев, Л.И. Махарадзе, Т.Ш. Гачиташвили. Напорные гидротранспортные системы. М., Недра, 1991 г.).
Известно другое запирающее устройство «ПУЗЦС» - это автономное от трубы и одеваемое на трубу при аварии (при ее разрыве), оно снабжено приспособлениями, позволяющими дистанционно, например, с корабля, осуществлять стыковку «ПУЗЦС» с концом трубы, предварительно гладко обрезанным, производить центровку с трубой и обеспечить жесткое ее с трубой сцепление, затем по команде с судна перекрыть поток нефтепродуктов, вытекающих из аварийной трубы (Пат. RU №2466267, Е21В 33/035, 03.12.2010 г.).
Недостатком данного устройства является технологическая сложность обеспечения центровки устройства на трубе с использованием саморезных сверл, шурупов, что делает «ПУЗЦС» экономически высокозатратным.
Известна конструкция «Установки для наведения шарового крана на устье фонтанирующей скважины», содержащей корпус в виде несущей рамы, на которой размещены узел совмещения осей шарового крана и бурильной колонны, механизм осевого перемещения шарового крана в бурильной колонне, узел соединения шарового крана с бурильной колонной, а также механизм перемещения несущей рамы относительно бурильной колонны. Установка предназначена для обеспечения возможности герметизации бурильной колонны при любом расположении ее замкового соединения над устьем скважины (Авт. свид. СССР №1705546, 30.01.1990 г.).
Известная установка обладает следующими недостатками:
- конструкция узла соединения шарового крана с бурильной колонной не осуществляет заворот шарового крана в муфту замка бурильной колонны, ее герметизация обеспечивается резиновой манжетой, надеваемой на муфту при осевом перемещении шарового крана. При, как правило, загрязненной наружной поверхности муфты буровым раствором надежную герметизацию обеспечить практически невозможно. К тому же резиновая манжета, при совмещении осей шарового крана и бурильной колонны, под действием фонтанирующей скважинной среды имеет возможность высвободиться из крепления, сдвинуться в верхнюю часть своего гнезда и не только не охватить поверхность муфты замка бурильной колонны, но и, из-за повреждений, прийти в негодность. Только путем непосредственного заворота шарового крана в муфту трубы возможно обеспечить надежную ее герметизацию;
- при возникновении каких-либо сбоев в работе установки возвратить несущую раму в исходное положение для устранения неполадок не представляется возможным, так как механизм перемещения несущей рамы относительно бурильной колонны обеспечивает ее движение только в одном направлении - вверх. Установленные в верхних и нижних разъемных кольцах механизма клиновые пары исключают возможность перемещения в обратном направлении;
- отсутствует возможность закрытия шарового крана без непосредственного доступа к нему. При расположении замкового соединения бурильной колонны на высоте выше человеческого роста от уровня рабочей площадки буровой установки необходим монтаж дополнительных опорных приспособлений для подхода к узлу управления шаровым краном. В условиях фонтанирования с возможным возгоранием струи ручное управление краном спряжено с высоким риском опасности для жизни непосредственных исполнителей из состава оперативной бригады.
Известно устройство для заворота шарового крана на устье фонтанирующей скважины, включающее механизм вертикального перемещения по фонтанирующей трубе, с жестко закрепленной на ней плитой, на которой установлены узел осевого перемещения шарового крана (на чертеже кран не показан) с узлом совмещения осей крана и бурильной трубы и узел заворота крана (Пат. РФ №2411344, Е21В 33/035, 11.01.2010 г.).
Устройство используется при выполнении бурильных работ на суше, когда выходной конец трубы открыт и имеет свободный доступ. Для того чтобы ввернуть шаровый кран необходима бурильная установка. Ее невозможно смонтировать на эксплуатационной установке, особенно в подводных условиях.
Известна установка для эксплуатации подводных газовых скважин с размещенной фонтанной арматурой под водой и на водной поверхности. Установка включает средства удержания (крепления) эксплуатационной фонтанирующей трубы (колонны). На фланце задвижки фонтанной арматуры установлен отсечной клапан с шаром, который при аварийной скорости истечения газа перекрывает устье скважины (Авт. свид. СССР №145870, 5а, 41, 10.05.1961 г.). Однако эксплуатация установки с шаровым клапаном-отсекателем опасна по причине возможного создания искусственного гидравлического удара при резком отсечении потока жидкости, а также клапан шаровый может несанкционированно перекрыть поток.
Эта установка по совокупности признаков и назначению из известных аналогов наиболее близка к заявленному устройству и принята за прототип.
В основу настоящего изобретения поставлена задача создания устройства для перекрытия подводных фонтанирующих нефтегазовых скважин при несанкционированном выбросе, например, для устранения порыва на участке эксплуатационной трубы нефтепровода от устья скважины у морского дна.
Эта задача решается тем, что устройство для перекрытия подводных фонтанирующих нефтегазовых скважин при несанкционированном выбросе содержит техническую и эксплуатационную трубчатые колонны, шаровый запорный механизм со средствами его удержания и платформу.
Отличительная особенность изобретения заключается в том, что оно снабжено расположенной над платформой подпружиненной плитой (основанием), жестко связанной с эксплуатационной колонной. Над шаровым запорным устройством размещен одноплечий рычаг, один конец которого шарнирно смонтирован на подвижной эксплуатационной колонне, а другой подвижно связан с ней. Для удаления части эксплуатационной колонны с места порыва используют пару отрезных механизмов, размещенных над и под шаровым запорным устройством. Еще одной особенностью устройства является установка запорного механизма на технической колонне и выполнение его в виде пустотелого сферического корпуса и размещенного в нем шара с возможностью поворота поперек колонны, а в корпусе и шаре выполнены соосно сквозные отверстия для охвата колонны. Возможен вариант использования устройства для устранения порыва на эксплуатируемой нефтедобывающей скважине. В этом случае сферический корпус выполняют из двух полусфер, жестко и герметично связываемых между собой, а шар выполняют составным также из двух полусфер, жестко связанных между собой. Кроме того, устройство снабжено датчиками давления и датчиками потока, установленными попарно в устье скважины и за шаровым запорным механизмом.
Устройство поясняется чертежом, где на фиг.1 показан схематически общий вид устройства в исходном положении; на фиг.2 - начало отвода обрезанного участка; на фиг.2. 3 - то же, но с отведенным в сторону отрезанным участком эксплуатационной колонны. На фиг.4 отдельно показано шаровое запирающее устройство в положении «закрыто».
Суть работы устройства заключается в том, что при возникновении нештатной ситуации и необходимости ее ликвидации, в крайнем случае, включается, защита окружающей среды, которая перекрывает скважину, после вырезания участка эксплуатационной колонны, с последующим использованием для этой цели шарового запирающего механизма. Дальнейшая эксплуатация скважины может быть продолжена присоединением нового участка эксплуатационной колонны к верхнему переходнику шарового запирающего механизма.
Устройство включает эксплуатационную колонну 1 и охватывающую ее техническую колонну 2. Оно содержит переходник 3 (состоящий из двух половинок), монтируемый на фланец, установленный на технической колонне 2. На переходнике 3 установлен шаровый запорный механизм 4 (в дальнейшем по тексту ШЗМ), выполненный в виде половинок 5 и 6 пустотелого корпуса 7. В корпусе 7 имеются сквозные отверстия 9 и 10. В половинках 5 и 6 корпуса 7 устанавливают полусферы 11 и 12 с центральным отверстием 13. Проходное сечение отверстий 9, 10 и 13 не меньше проходного сечения технической колонны 2. Перед установкой ШЗМ к фланцу 4 фиксируется эксплуатационная колонна 1.
В верхней части ШЗМ закрепляется переходник 14 с коническим раструбом-ловушкой для присоединения нового участка эксплуатационной колонны. Составляющие части корпуса 5 и 6, полусферы 11 и 12, электроприводы 15 и 16 образуют шаровый запорный механизм. Жестко соединенные между собой полусферы 11 и 12 приводятся во вращение электроприводами либо 15, либо 16 (конструкция связи полусфер с приводами на чертеже не показана).
Снизу и сверху от ШЗМ устанавливаются отрезные устройства - труборезы 17 и 18. Над ШЗМ размещен дугообразный одноплечий рычаг 19. Одним концом он смонтирован на шарнирной опоре 20, закрепленной на эксплуатационной колонне 1, а другим посредством подвижного шарнира связан с эксплуатационной колонной 1 ниже трубореза 18.
Рычаг 19 приводится в действие грузом 21. Выше рычажного механизма устанавливается платформа 22, над ней опорная плита 23, а между ними размещен блок уравновешивающих пружин 24. От опорной плиты до трубореза 18 прокладывается страховочный трос 25 с предварительным натяжением не менее веса участка эксплуатационной колонны от опорной плиты до трубореза 17 и жестко прикрепляемый в узлах 26 через небольшие промежутки к эксплуатационной колонне 1. Трос предназначен для страховки, в случае нарушения целостности эксплуатационной колонны и для воспрепятствования заклинивания трубореза 17.
Груз 21 через рычаг 27 связан с рычагом 19 и удерживается фиксирующим механизмом 28.
ШЗМ 4 может иметь цельное исполнение и быть установленным после окончания работ, связанных с устройством технической колонны, либо составным при установке на скважину, находящуюся в эксплуатации.
Составное исполнение представляет собой корпус, состоящий из двух симметричных половин 5 и 6 (фиг.4), а шар из двух полусфер 11 и 12. Полусферы 11 и 12, после их монтажа жестко соединяются, например, резьбовым соединением. Половинки корпуса 5 и 6 замыкают шар и герметично стыкуются, например, сварочным соединением.
Труборезы 17 и 18 управляются программой, а выполнение выданных им команд, на отрезание участка эксплуатационной колонны контролируется с помощью концевых электрических датчиков. Датчики на чертеже не показаны.
В устье скважины под ШЗМ установлены датчики давления 29 и потока 30. Датчики давления 31 и потока 32 устанавливаются на внешней границе контролируемого участка. На фиг.1 и фиг.2 места установки этих датчиков показаны условно.
Зона установки устройства ШЗМ с рычажной системой ограждается шатром 33, физико-механические характеристики материала которого должны обеспечить надежную защиту оборудования, помещенного внутрь на весьма длительный период времени. Геометрические размеры шатра не должны препятствовать работе рычажной системы и выполнению работ по обслуживанию оборудования. Шатер 33 не допускает активного водообмена в зоне устройства и уменьшает морские отложения в виде солей на металлические элементы устройства. Над плитой 23 на колонне 1 установлена запорная арматура 34.
Устройство работает следующим образом: в случае разрушения трубопроводной системы на участке между датчиками 29, 30 и датчиками 31 и 32 и невозможностью быстро ликвидировать повреждение с помощью существующей запорной арматуры, например, 34 подается команда труборезу 17 на отрезание эксплуатационной колонны 1. Подтверждением выполнения команды служит сигнал от его концевого датчика. Труборез 17 остается на своем месте, а отрезанный участок эксплуатационной колонны 1 повисает на подпружиненной опорной плите 23. Далее подается команда труборезу 18 на вырезку участка 35 эксплуатационной колонны 1. Подтверждением выполнения команды труборезом 18 служит сигнал его концевого датчика, после чего подается команда расстегнуть труборез 18, что также подтверждается сигналом от его датчика в результате чего труборез 13 повисает на прикрепленном к нему тросике (см. фиг.2). Следующая команда подается фиксирующему механизму 28 на расцепление, который освобождает рычаг 27 и под воздействием груза 21, вырезанный отрезок 35 эксплуатационной колонны 1 извлекается рычагом 19 из внутренней зоны шарового опорного механизма (фиг.2 и 3). Исполнение этой операции контролируется концевым датчиком (возможно и видеонаблюдением). После исключения помех для работы шарового запирающего механизма поступает команда на его закрытие одному из электроприводов 15 или 16, который поворачивает шар на 90° отверстием 13 поперек колонны 1. Скважина находится в положении «закрыто». Исполнение этой команды контролируется концевым выключателем.
Для данной скважины защита выполнила свою функцию, и повторно устанавливать ее нет необходимости. Опорная плита 23 остается на месте. Впоследствии восстановленный участок эксплуатационной колонны и страхующий трос 25 между платформой и шаровым запирающим устройством также подвешиваются через плиту 23 и блок уравновешивающих пружин 24, снимая тем самым вертикальную нагрузку с ШЗМ. Наличие дублирующих устройств диктуется необходимостью гарантированного исполнения управляющих команд, принимаемых в сложных условиях.
Заявленное устройство выполнено с возможностью дистанционного автоматизированного управления его работой, что обеспечивает высокую степень безопасности для жизни обслуживающего персонала, а также обеспечивает быструю и надежную герметизацию фонтанирующей эксплуатационной колонны. Устройство направлено на защиту окружающей природы и способно, если не полностью исключить вредные выбросы, то, хоты бы, свести их до минимума, за счет ускоренного проведения технологических операций по глушению скважин. Устройство позволяет возобновить дальнейшую эксплуатацию скважины.
Источники информации
1. Авт. свид. СССР №145870, 10.05.1961 г., а.с. СССР №1705546, 30.01.1990 г., RU 2011791, 17.04.1991 г., RU 2386788 С1, 27.10.2008 г., RU 2411342 С1, 19.11.2009 г. RU 2411344 С1, 11.01.2010 г., RU 2466267 С2, 03.12.2010 г., RU 2471964 С2, 16.07.2010 г.
2. Г.П. Дмитриев, Л.И. Махарадзе, Т.Ш. Гочиташвили. Напорные гидротранспортные системы. М. Недра. 1991 г.