Предохранительное звено райзера
RISER SAFETY LINK

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности, к устройству, предназначенному для безопасного разъединения райзера, соединяющего подводную скважину и плавучие морские конструкции, в аварийных ситуациях, когда нагрузка на элементы системы доступа в скважину и оборудование заканчивания скважины достигает критических значений.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Используемые для безопасного разъединения райзера устройства раскрыты, например, в документе RU 2640613 С2 (опубликован 10.01.2018), а также в документе RU 2468277 С2 (опубликован 27.11.2012).
Разделяющийся цилиндровый узел, раскрытый в публикации RU 2640613 С2, содержит по меньшей мере один цилиндр с поршнем, находящимся внутри цилиндра, и с головкой, перекрывающей один конец цилиндра с образованием камеры между поршнем и головкой цилиндра. Цилиндр выполнен с возможностью создавать, при нахождении поршня в определенном положении внутри цилиндра, утечку текучей среды от одной стороны поршня на другую его сторону. Известный цилиндровый узел снабжен отделяющими средствами для последующего управляемого отделения от цилиндра его головки.
Райзер, известный из публикации RU 2468277 С2, содержит множество секций райзера, соединенных в непрерывную цепь. Каждая секция известного райзера содержит трубу, имеющую первый конец и второй конец, первый фланец, механически соединенный с первым концом трубы, второй фланец, механически соединенный со вторым концом трубы. Труба выполнена из алюминиевого сплава, и фланцы выполнены из алюминиевого сплава. Труба выполнена из первого металлического материала, и первый и второй фланцы выполнены из второго металлического материала и приспособлены для соединения множества секций райзера в непрерывную цепь. Первое и второе механические соединения не являются сварными и зафиксированы посредством резьбы для обеспечения выдерживания множеством соединенных секций райзера динамических нагрузок, прикладываемых массой воды, в которой подвешены секции райзера.
Известные из упомянутых публикаций устройства позволяют обеспечить надежное соединение райзера, а также управление его рассоединением в критичных ситуациях.
Тем не менее, в упомянутых известных устройствах роль предохранительных элементов играют шпильки или болты, которые воспринимают только растягивающее усилие, и при этом не подвержены нагрузкам от скручивающего момента, давления внутри промыслового ствола и температурных, коррозионных и абразивных воздействий со стороны рабочей жидкости. С одной стороны, для системы подводных колонных головок данные воздействия являются относительно незначительными по сравнению с изгибающим моментом и растягивающим усилием, но с другой стороны, для остальных элементов системы доступа в скважину данные воздействия могут быть очень критичными и далеко не во всех случаях ими можно пренебрегать.
Таким образом, существует необходимость в создании предохранительного звена райзера, конструкция которого может быть подвержена всем разрушающим механическим, химическим и температурным воздействиям в процессе технологических операций, которым подвергаются элементы системы доступа в скважину и системы заканчивания скважины, что увеличит вероятность того, что разрушение данного предохранительного звена райзера наступит прежде, чем произойдет разрушение другого критически важного оборудования.
Кроме того, существует необходимость в создании предохранительного звена райзера более простой и технологичной конструкции по сравнению с существующим уровнем техники.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В случае разрыва разрушаемого элемента предохранительного звена райзера за счет того, что внутри райзера находится газ под большим давлением, в обеих частях разъединившегося райзера возникают огромные реактивные силы. При это верхняя часть райзера вместе с верхним приводом стремительно разгоняется и врезается в крышу буровой вышки, вызывая значительные повреждения, и даже угрожая жизням находящихся на борту людей. Нижняя часть райзера под действием реактивных сил теряет устойчивость и обрушивается на устьевое оборудование, что также вызывает серьезные последствия.
В этом случае при разгерметизации промыслового ствола из скважины начинает на большой скорости вырываться пластовый флюид. К тому моменту, когда клапаны устьевого оборудования успевают сработать, он уже набирает большую скорость и кинетическую энергию. Таким образом, при закрытии клапанов возникает гидравлический удар, что может серьезно повредить устьевое оборудование.
Таким образом, технической проблемой, решаемой настоящим изобретением, стало создание предохранительного звена райзера, конструкция которого позволяет предохранять критически важные узлы устьевого и надводного оборудования от разрушения, а также предохранять запорную арматуру устьевого оборудования от гидравлического удара в процессе экстренного закрытия при аварийном разъединении райзера.
Дополнительно, технической проблемой, на решение которой направлено создание настоящего изобретения, стало предотвращение повреждения узлов и механизмов буровой установки из-за реактивных и упругих сил во время аварийного разъединения райзера, а также уменьшение количества пластового флюида и других внутрискважинных жидкостей, выбрасываемых во внешнюю среду во время аварийного разъединения райзера.
Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в повышении безопасности разъединения райзера в аварийных ситуациях с одновременным повышением технологичности и эксплуатационных характеристик предлагаемого изобретения.
Технический результат заявленного изобретения, заключающийся в повышении безопасности разъединения райзера в аварийных ситуациях, достигается за счет того, что конструкция предлагаемого изобретения позволяет использовать в качестве разрушаемого вставки как шпильки, так и промежуточную вставку, размещаемую в канале промыслового ствола, которая будет подвержена всем разрушающим механическим, химическим и температурным воздействиям в процессе операций, что и все остальные элементы системы доступа в скважину и системы заканчивания скважины, что обеспечивает разрушение данного элемента прежде, чем произойдет разрушение критически важного оборудования.
В тоже время, если условия эксплуатации и результаты предварительных расчетов покажут, что элементы системы доступа в скважину имеют существенный запас прочности и следует ориентироваться на прочность системы подводных колонных головок, предпочтительным будет использование конфигурации предлагаемого изобретения с разрушаемыми шпильками.
Также, повышение безопасности разъединения райзера в аварийных ситуациях достигается за счет того, что конструкция предлагаемого изобретения включает в себя гидравлический замедлитель, который дает время на закрытие клапанов устьевого оборудования, а также время для того, чтобы стравить давление из райзера, прежде чем произойдет разъединение.
Технический результат заявленного изобретения, заключающийся в повышении технологичности и эксплуатационных характеристик, достигается за счет того, что заявленное изобретение по сравнению с аналогами обладает более простой конструкцией, а также производится и эксплуатируется с наименьшими затратами.
Более подробно, указанная проблема и заявленный технический результат соответственно решается и достигается за счет того, что предохранительное звено райзера содержит:
секцию райзера, включающую в себя гнездовое и ниппельное соединения,
верхний и нижний патрубки, выполненные с возможностью соединения с верхним и нижним оконечными участками секции райзера соответственно, причем верхний патрубок дополнительно содержит фланец, в котором выполнены отверстия, а соединение верхнего патрубка с нижним патрубком осуществляется через разрушаемую вставку,
верхнюю и нижнюю заглушки, кожух, содержащий верхний конец и нижний конец,
при этом кожух выполнен с возможностью размещения вокруг нижнего патрубка с разрушаемой вставкой с образованием полости, а верхняя и нижняя заглушки выполнены с возможностью крепления на верхнем конце и нижнем конце кожуха соответственно так, чтобы ограничивать упомянутую полость,
верхний хомут, выполненный с возможностью размещения вокруг верхней заглушки на верхнем патрубке,
нижний хомут, выполненный с возможностью размещения вокруг нижней заглушки на нижнем патрубке,
причем каждый из верхнего хомута, нижнего хомута, верхней и нижней заглушки представляет собой составной кольцевой элемент и содержит по меньшей мере два сегмента, при этом
на одном оконечном участке каждого из сегментов верхнего и нижнего хомута выполнена вилочная часть, а на другом его оконечном участке выполнена проушина,
причем верхний хомут содержит дополнительные сегменты, в которых выполнены дополнительные отверстия,
фиксатор, выполненный с возможностью крепления на внешней поверхности нижнего патрубка с возможностью вращения относительно продольной оси секции райзера и содержащий множество сегментов,
первую и вторую группу направляющих, причем каждая направляющая проходит преимущественно параллельно продольной оси секции райзера и содержит стержень и приемный элемент,
при этом каждая из первой группы направляющих представляет собой телескопический удлинитель и выполнена с возможностью крепления своим приемным элементом в корреспондирующих ему вилочной части и проушине верхнего хомута с одной стороны и стержнем в корреспондирующем ему сегменте фиксатора с другой стороны, а
каждая из второй группы направляющих выполнена с возможностью крепления своим приемным элементом в дополнительных отверстиях верхнего хомута с одной стороны и стержнем в корреспондирующем ему сегменте фиксатора с другой стороны с обеспечением прохождения стержня через корреспондирующие ему вилочную часть и проушину нижнего хомута,
при этом верхний патрубок вместе с кожухом, верхним и нижним хомутами, верхней и нижней заглушками выполнены с возможностью перемещения из положения, в котором обеспечено крепление приемных элементов первой группы направляющих с корреспондирующими им вилочными частями и проушинами верхнего хомута, а каждый из стержней второй группы направляющих проходит через корреспондирующие им вилочную часть и проушину нижнего хомута, через положение, в котором обеспечивается разъединение стержней и приемных элементов второй группы направляющих, телескопическое выдвижение первой группы направляющих с выходом их приемных элементов из корреспондирующих им вилочных частей и проушин верхнего хомута и освобождение верхнего хомута и верхней заглушки, в положение, в котором обеспечивается выход стержней второй группы направляющих из корреспондирующих им вилочных частей и проушин нижнего хомута с освобождением нижнего хомута и нижней заглушки.
Также, указанная проблема и заявленный технический результат соответственно решается и достигается за счет того, что разрушаемая вставка предохранительного звена райзера представляет собой промежуточный патрубок, выполненный с возможностью размещения между верхним патрубком и нижним патрубком и соединения с ними посредством шпилечных соединений.
Кроме того, указанная проблема и заявленный технический результат соответственно решается и достигается за счет того, что разрушаемая вставка предохранительного звена райзера представляет собой шпилечное соединение верхнего патрубка и нижнего патрубка.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Вышеуказанные преимущества изобретения станут более очевидными из нижеследующего описания предпочтительного варианта его осуществления, данного со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
- на фиг. 1 изображен общий вид предохранительного звена райзера в соответствии с предпочтительными вариантами осуществления изобретения,
- на фиг. 2 изображена разрушаемая вставка, представляющая собой промежуточный патрубок, в соответствии с одним из предпочтительных вариантом осуществления изобретения,
- на фиг. 3 изображена разрушаемая вставка, представляющая собой шпилечное соединение верхнего патрубка и нижнего патрубка, в соответствии с другим из предпочтительных вариантом осуществления изобретения,
- на фиг. 4 изображен общий вид предохранительного звена райзера с первой и второй группой направляющих,
- на фиг. 5 изображен фиксатор предохранительного звена райзера,
- на фиг. 6 показаны подшипники, соединяющие фиксатор с нижним патрубком предохранительного звена райзера,
- на фиг. 7 более подробно изображена разгерметизация первой полости,
- на фиг. 8 изображен общий вид разгерметизации первой полости,
- на фиг. 9 более подробно изображена разгерметизация второй полости,
- на фиг. 10 изображен общий вид разгерметизации второй полости.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее со ссылкой на прилагаемые чертежи описано предохранительное звено райзера в соответствии с предпочтительными вариантами осуществления изобретения.
На фиг. 1 схематично представлено предохранительное звено райзера, содержащее нижний патрубок (1) и размещенный вокруг нижнего патрубка (1) кожух (2).
Нижний патрубок (1) выполнен с возможностью соединения с верхним патрубком (3). Указанное соединение выполнено через разрушаемую вставку (4). В неограничивающем варианте осуществления изобретения указанная разрушаемая вставка (4) представляет собой промежуточный патрубок, размещенный между верхним патрубком (3) и нижним патрубком (1) и соединенный с ними посредством шпилечных соединений, как это более детально проиллюстрировано на фиг. 2. Еще в одном из осуществлений изобретения, показанном на фиг. 3, указанная разрушаемая вставка (4) представляет собой шпилечное соединение между верхним патрубком (3) и нижним патрубком (1).
На внешней поверхности верхнего патрубка (3) размещен верхний хомут (5) так, чтобы между верхним хомутом (5) и внешней поверхностью верхнего патрубка (3) размещалась верхняя заглушка (6).
На внешней поверхности нижнего патрубка (1) размещен нижний хомут (7) так, чтобы между нижним хомутом (7) и внешней поверхностью нижнего патрубка (1) размещалась нижняя заглушка (8).
Как показано на фиг. 1, внутренняя поверхность кожуха (2) и внешние поверхности нижнего патрубка (1), разрушаемой вставки (4) и верхнего патрубка (3) образуют полость, ограниченную сверху верхней заглушкой (6), а снизу нижней заглушкой (8).
Указанная полость разделена на первую полость (9) и вторую полость (10) посредством разрушаемой вставки (4).
Внутренняя поверхность нижнего патрубка (1) образует третью полость (11).
Верхний патрубок (3) содержит фланец (12), в котором выполнены отверстия.
Как более детально проиллюстрировано на фиг. 4, предохранительное звено райзера содержит фиксатор (13), размещенный вокруг нижнего патрубка (1) и выполненный с возможностью вращения относительно продольной оси нижнего патрубка (1).
На фиг. 5 и 6 более детально показано соединение фиксатора (13) с нижним патрубком (1), включающее в себя подшипники, содержащие шарики (14) и обоймы (15). Обоймы (15) состоят из двух полуколец для возможности сборки. На фиг. 6 фиксатор (13) не показан для ясности.
Также фиксатор (13) содержит сегменты (16).
Предохранительное звено райзера также содержит первую группу (17) направляющих и вторую группу (18) направляющих.
Каждая из первой группы (17) направляющих представляет собой телескопический удлинитель и включает в себя стержень (19) и приемный элемент (20) стержня.
Каждая из второй группы (18) направляющих включает в себя стержень (21) и приемный элемент (22) стержня, выполненный с возможностью размещения в своей внутренней полости части стержня (21).
Верхний хомут (5) представляет собой кольцевой элемент, выполненный составным, включающим в себя по меньшей мере два сегмента, на одном оконечном участке каждого из которых выполнена вилочная часть (23), а на другом оконечном участке каждого из которых выполнена проушина (24). Верхний хомут (5) также содержит дополнительные сегменты (25), в которых выполнены дополнительные отверстия (26).
Нижний хомут (7) также представляет собой кольцевой элемент, выполненный составным, включающим в себя по меньшей мере два сегмента, на одном оконечном участке каждого из которых выполнена вилочная часть (27), а на другом оконечном участке каждого из которых выполнена проушина (28).
Верхняя заглушка (6) и нижняя заглушка (8) также представляют собой кольцевые элементы, выполненные составными, включающими в себя по меньшей мере по два сегмента.
Каждая из первой группы (17) направляющих и второй группы (18) направляющих размещена по существу параллельно продольной оси нижнего патрубка (1).
Каждая из первой группы (17) направляющих выполнена с возможностью крепления своим приемным элементом (20) стержня в корреспондирующих ему вилочной части (23) и проушине (24) верхнего хомута (5) с одной стороны и стержнем (19) в корреспондирующем ему сегменте (16) фиксатора (13) с другой стороны.
Каждая из второй группы (18) направляющих выполнена с возможностью крепления своим приемным элементом (22) стержня в дополнительных отверстиях (26) верхнего хомута с одной стороны и стержнем (21) в корреспондирующем ему сегменте (16) фиксатора (13) с другой стороны. Указанное крепление осуществлено таким образом, чтобы стержень (21) каждой из второй группы (18) направляющих проходил через корреспондирующие ему вилочную часть (27) и проушину (28) нижнего хомута (7).
В случае разрыва разрушаемой вставки (4) давление из третьей полости (11) устремится в первую полость (9). Первая полость (9) не герметична. Жидкость или газ могут просачиваться через зазоры между кожухом (2), внешней поверхностью верхнего патрубка (3) и верхней заглушкой (6). Отсутствие герметичности в первой полости (9) не критично, так как для цели минимизации негативных последствий нештатной ситуации не требуется полностью остановить поток внутрискважинного флюида, достаточно замедлить его, для того чтобы клапаны устьевого оборудования имели возможность безопасно закрыться.
После разрыва разрушаемой вставки (4) верхний патрубок (3) вместе с кожухом (2), верхним хомутом (5), нижним хомутом (7), верхней заглушкой (6) и нижней заглушкой (8) начинает перемещаться по направлению вверх. В тоже время ниппельное соединение (29) нижнего патрубка (1) остается присоединенным к устьевому оборудованию через нижнюю часть колонны райзера, что удерживает нижний патрубок (1), фиксатор (13) и стержни (19) и (21) первой группы (17) направляющих и второй группы (18) направляющих соответственно.
При этом вода из второй полости (10), также не герметичной, начинает просачиваться наружу, создавая при этом значительное давление внутри полости, замедляя тем самым разъединение райзера.
К верхней части разъединившегося предохранительного звена райзера прикреплен трос, нижний конец которого закреплен на механизме экстренного закрытия клапанов устьевого оборудования. В случае разрыва предохранительного звена райзера данный трос активизирует немедленную герметизацию устья скважины. За то время, пока стержни (19) выдвинутся из приемных элементов (20) стержней первой группы (17) направляющих настолько, что приемные элементы (20) стержней выйдут из крепления с корреспондирующими им вилочными частями (23) и проушинами (24) верхнего хомута (5), хотя бы один из клапанов устьевого оборудования уже закроется. После того, как приемные элементы (20) стержней выйдут из корреспондирующих им вилочных частей (23) и проушин (24) верхнего хомута (5), верхний хомут (5) распадется на по меньшей мере два сегмента, освобождая при этом верхнюю заглушку (6), которая также распадется на по меньшей мере по два сегмента, что проиллюстрировано на фиг. 7 и фиг. 8. При этом первая полость (9) полностью разгерметизируется, и через отверстия, выполненные во фланце (12) верхнего патрубка (3), давление из промыслового ствола райзера начнет сбрасываться наружу.
Далее, к тому моменту, когда каждый из стержней (21) второй группы (18) направляющих выйдет из корреспондирующих им вилочной части (27) и проушины (28) нижнего хомута (7), давление в промысловом стволе райзера уже будет достаточно низким для безопасного разъединения райзера. Когда каждый из стержней (21) второй группы (18) направляющих выйдет из корреспондирующих им вилочной части (27) и проушины (28) нижнего хомута (7), нижний хомут (7) также распадется на по меньшей мере два сегмента, освобождая нижнюю заглушку (8), которая также распадется на по меньшей мере по два сегмента, и окончательно освободит две части райзера, как это показано на фиг. 9 и фиг. 10.
Размещение каждого приемного элемента (20) стержня первой группы (17) направляющих в вилочной части (23) и проушине (24) верхнего хомута (5), а также размещение каждого стержня (21) второй группы (18) направляющих через вилочную часть (27) и проушину (28) нижнего хомута (7), а также наличие на нижнем хомуте (7) зубов (30), позволяет избежать того, что первая группа (17) направляющих и вторая группа (18) направляющих помешают распаду верхнего хомута (5) и нижнего хомута (7) и не позволят им легко разойтись в стороны.
Также, зубы (30) позволяют избежать удара приемных элементов (20) стержня первой группы (17) направляющих о нижний хомут (7).
Фиксатор (13) выполнен с возможностью вращения относительно продольной оси нижнего патрубка (1) на тот случай, если в момент разрыва разрушаемой вставки (4) на райзер действует значительный скручивающий момент, и разъединившиеся части начнут вращаться друг относительно друга. В таком случае возможность вращения фиксатора (13) предотвратит радиальное смещение и заклинивание первой группы (17) направляющих и второй группы (18) направляющих.
Необходимо понимать, что описанный выше для примера предпочтительный вариант осуществления изобретения не ограничивает объем настоящего изобретения. После ознакомления с настоящим описанием специалисты в данной области техники могут предложить множество изменений и дополнений к описанным вариантам осуществления, все из которых будут попадать в объем патентной защиты изобретения, определяемый нижеследующей формулой изобретения.