ТЕЛЕСКОПИЧЕСКОЕ ЗВЕНО РАЙЗЕРА
RISER BOOM

Изобретение относится к подводной добыче углеводородов, в частности к системе доступа в скважину, и может быть использовано в райзере системы капитального ремонта скважин при заканчивании и капитальном ремонте скважины с подводным расположением устья.
Основными режимами работы систем капитального ремонта скважин (включая заканчивание скважины) является режим операций, при котором используется морская водоотделяющая колонна и блок подводного противовыбросового оборудования. При этом расстояние между устьем скважины и надводным оборудованием, расположенным на палубе, известно и постоянно. Волнение моря, ветер и другие факторы воздействуют на плавучее основание, благодаря чему расстояние между буровой палубой и устьем постоянно изменяется. Соответственно, при наличии жесткой колонны райзера надводное оборудование (например, надводная фонтанная арматура, установки колтюбинга и другие) будет менять дистанцию и колебаться относительно буровой палубы. Данное явление значительно осложняет проведение операций с надводным оборудованием скважины.
Для компенсации этих перемещений используются натяжные рамы, подвешенные на системе верхнего привода буровой установки и отрабатывающие колебания путем изменения высоты над буровой палубой, путем подъема и опускания натяжной рамы.
Известно телескопическое звено райзера, с возможностью скольжения в осевом направлении корпуса. Его конструктивная особенность заключаются в том, что соосные корпусные элементы соединены между собой с реализацией скольжения для поглощения колебательных движений судна, при этом утечка скважинного флюида из насосно-компрессорных труб к стыку поглощается за счет размещения герметизирующей втулки внутри корпуса (патент US 4615542, опубл. 07.10.1986 г.).
Недостатками этого устройства является невозможность применения в системе капитального ремонта скважины в связи с малым проходным сечением и значительной сложностью гидравлической системы компенсации объемов необходимых при его применении в качестве устройства для соединения райзера с надводным оборудованием.
Известно устройство райзера, содержащее скользящий шарнир, соединенный с вращающимся управляющим устройством, при этом скользящий шарнир может растягиваться в продольном направлении и сжиматься, когда узел райзера находится под давлением, которое может быть применено в системе капитального ремонта скважин (патент US 20080251257, опубл. 16.10.2008 г.). Следует отметить, что данный райзер применяется в качестве морской водоотделяющей колонны.
Данное устройство имеет существенные недостатки в виде значительного количества уплотнений подверженных износу, воздействию значительных изгибающих нагрузок, которые отчасти компенсируются закрепленными на штоке втулками-проставками, не позволяющими произвести раскрытие звена на полный ход. Также к недостаткам можно отнести значительный объем механической высокоточной обработки внутренних сопрягаемых поверхностей.
Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является телескопическое звено райзера, содержащее корпус, шток, соединитель, узлы крепления к надводному оборудованию и колонне райзера, в котором верхняя часть райзера перемещается вертикально относительно плавучей установки при ее смещении при качании (патент US 9121227, опубл. 28.06.2012). Конструкция устройства реализована в виде двух входящих друг друга труб, с размещенными эластомерными уплотнениями. Устройство работает в двух режимах:
- режим «высокого давления», при котором внутренняя труба полностью втянута в корпус и зафиксирована гидравлическим соединителем;
- режим «низкого давления», при котором возможно проведение операций с пониженным относительно высокого давления и режимом телескопирования с помощью взаимного перемещения одной трубы относительно другой.
Недостатками данной конструкции являются сложность системы фиксации труб, оснащенной двумя наборами гидравлических цилиндров, необходимость подвода гидравлической жидкости к обоим частям звена.
Техническая задача изобретения заключается в повышении надежности работы устройства и улучшении эксплуатационных характеристик устройства.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении надежности за счет снижения потерь на трение, обеспечения защиты шлангокабелей и упрощения элементов конструкции путем уменьшения номенклатуры звеньев райзера в системе заканчивания и капитального ремонта скважины с подводным расположением устья; в упрощении операции обработки элементов устройства (за счет расположения подвижной поверхности уплотнения на наружной поверхности); расширении диапазона климатических условий работы.
Решение технической задачи достигается тем, что телескопическое звено райзера, включающее корпус, шток, соединитель, узлы крепления к надводному оборудованию и колонне райзера согласно изобретению, имеет предохранительную втулку, содержащую проточку в центральной части и уплотнения, расположенные в канавках поясков втулки, защитный кожух, расположенный на цилиндрической части, грязесъемный элемент со стороны как окружающей среды, так и эксплуатационного ствола скважины, некоторое количество хомутов для укладки шлангокабелей и тормозные втулки, использующиеся для предотвращения ударов в конце хода штока.
Предохранительная втулка выполнена с внутренней проточкой, образующей дополнительные полости, заполненные маслом на 90…95%. Втулка размещена в неподвижном корпусе, и охватывает подвижный шток. В обоих ведущих поясках втулки установлены профилированные эластомерные уплотнения, позволяющие организовать не менее двух раздельных зон уплотнения и увеличивающие надежность работы. Внутренняя проточка втулки позволяет сократить потери на трение за счет уменьшения поверхности контакта и наполненности маслом, а также позволяет уменьшить трудовые и энергетические затраты на обработку высокоточных деталей за счет конструктивного расположения поверхности, по которой движутся уплотнения снаружи. Сама же предохранительная втулка позволяет компенсировать воздействие боковых усилий за счет организации большего плеча между опорными элементами, воспринимающими боковые усилия.
С учетом установки телескопического звена райзера в неблагоприятных климатических условиях (повышенная влажность, низкие температуры) втулка оснащена двумя грязъесмными резинометаллическими элементами (со стороны окружающей среды и со стороны эксплуатационного ствола скважины) для удаления загрязнений, воды и наледи с поверхности штока, что позволяет продлить срок эксплуатации уплотнений, и увеличить надежность работы телескопического звена райзера в сложных климатических условиях.
Также конструкция телескопического звена райзера содержит тормозные втулки в конце хода, позволяющие выполнить безударное складывание звена. Принципом работы втулки является создание замкнутого объема масла, дросселируемого через кольцевой зазор между тормозной втулкой в конце хода звена, как при полном раскрытии звена (аварийная ситуация), так и при полном складывании штатная процедура.
На цилиндрической части телескопического звена райзера установлен защитный кожух с хомутами для прокладки шлангокабелей к упрощенной колонне для спуска или иному оборудованию. Защитный кожух при этом контактирует с ограничительной втулкой, расположенной на палубе буровой установки и предназначен для защиты от повреждений и разрыва хомутов и шлангокабеля при контакте с ограничительной втулкой буровой палубы (оборудованием роторного стола).
Цилиндроконический корпус телескопического звена райзера ограничен с одной стороны переходником для райзерной системы, а с другой - крышкой-фиксатором. Шток, проходящий соосно корпусу, содержит соединитель, обеспечивающий фиксацию подвижной части на корпусной трубе.
Предлагаемое телескопическое звено райзера поясняется следующими чертежами:
на фиг. 1 показано сложенное и зафиксированное положение телескопического звена райзера;
на фиг. 2 приведено увеличенное изображение предохранительной втулки;
на фиг. 3 приведено увеличенное изображение конца штока;
на фиг. 4 изображен разрез В-В корпуса с фиксирующими элементами под шлангокабель;
на фиг. 5 изображен разрез Г-Г корпуса с проточками под полуфланцы;
на фиг. 6 показано разложенное положение телескопического звена райзера;
на фиг. 7 показан общий вид телескопического звена райзера;
на фиг. 8 приведена типовая схема общего расположения райзера в режиме компенсации волновых движений буровой установки (система «в открытом море»);
на фиг. 9 приведена типовая схема общего расположения райзера с указанием места установки телескопического звена райзера в режиме, не требующем компенсации волновых движений буровой установки. Режим работы с подводной фонтанной арматуры в системе «в открытом море»;
на фиг. 10 приведена типовая схема общего расположения райзера в режиме работы с подвеской нососно-копрессорной трубы (упрощенной колонной для спуска системы доступа в скважину).
Телескопическое звено райзера (фиг. 1) представляет собой корпус 1 с цилиндро-коническими переходами на концах, способными удерживать внутреннее давление, возникающее в процессе бурения и операций капительного ремонта скважины, которые присоединяются к ниже расположенным звеньям райзера через переходник 2, с помощью фланцевого, хомутового или иного соединения.
В верхней части располагается соединение для крепления крышки-переходника 3. В пространстве между крышкой переходником 3 и корпусом 1 установлена предохранительная втулка 4, ограничивающая ход штока 5 вдоль продольной оси, и, как следствие, уменьшающая воздействие боковых усилий, возникающих при работе устройства.
Фиксация с корпусной трубой для крышки переходника осуществляется затяжкой болтов фланцевого соединения. В верхней части крышки переходника предусмотрено посадочное место для фиксации штока с помощью болтового соединения или применения цангового соединителя, установленного на штоке.
Шток представляет из себя сборную конструкцию, проходящую свободно внутри крышки переходника 3, предохранительной втулки 4 и корпуса 1, имеющею ход, достаточный для компенсации морских волн, типичных для региона при проведении операции. За счет производимого изменения длины звена, предлагаемое устройство способно использоваться в качестве компенсатора качки при проведении операций капитального ремонта и бурения морских скважин.
Герметизация по штоку осуществляется с помощью эластомерных уплотнений 6, направляющих элементов 7, узлов грязесъемника 8 (выполненных в виде эластомерного или резинометаллического чистящего элемента), расположенных в канавках предохранительной втулки (фиг. 2).
Так же на штоке предусмотрено два профильных утолщения, одно из которых предназначено для установки элементов фланцевого или хомутового соединений для сопряжения с поверхностной фонтанной арматурой, другое - для установки фиксирующего соединения 9 с крышкой-переходником 3 (фиг. 1).
Работа данного соединения возможна в случае полного складывания телескопического звена под собственным весом или внешним усилием. При этом компенсация длины звена отсутствует.
Для улучшения условий скольжения штока снаружи и внутри предохранительной втулки 4 организованы полости, которые заполнены жидкой смазкой. На наружной поверхности предохранительной втулки установлены эластомерные уплотнения 10 (фиг. 3), предназначенные для предотвращения утечек масла из полостей в центральный канал, и в окружающую среду.
Для предотвращения самопроизвольной разборки конец штока содержит фиксирующую гайку 11 и направляющую втулку 12 из антифрикционного материала, которые ограничивают изгибные упругие деформации, в том числе под собственным весом при хранении.
При полностью сложенном звене конец втулки взаимодействует с профильным концом крышки переходника и отсекает основной поток флюида от основных подвижных уплотнений 12 с помощью уплотнений 13, также на конце штока расположены тормозные втулки 14 и 15.
На меньшем диаметре корпусной трубы размещены сборки хомутов 16, имеющих отверстия и фиксирующие элементы 17 под шлангокабель 18 (фиг. 4), расположенные на расстоянии около одного метра по длине секции.
На наружной поверхности корпуса 1 выполнены проточки под полуфланцы 19 (фиг. 5), на которые установлен защитный кожух 20 (фиг. 1), имеющий секторный боковой разрез и одеваемый сверху на сборки хомутов 16. Фиксация защитного кожуха в осевом направлении осуществляется с помощью винтов 21. Дополнительно на защитном кожухе могут быть выполнены технологические проушины для строповки 22.
Кроме того, на телескопическом соединении для предотвращения ударов в конце хода при аварийных ситуациях и погашения кинетической энергии штока установлены тормозные втулки 14, 15 (фиг. 3), взаимодействующие с направляющей втулкой 4 и крышкой переходником 2 соответственно. За счет переменного сечения они осуществляют дросселирование замыкаемого объема, на участке хода перед касанием упорных поверхностей штока и крышек переходников 2, 3.
На фиг. 6 схематично представлена работа телескопического звена в качестве скользящей трубной секции райзера при осуществлении работ с упрощенной колонной для спуска при установке подвески насосно-компрессорной трубы.
При этом шток зафиксирован на крышке переходника с помощью соединителя. Через разрез в защитном кожухе к упрощенной колонне для спуска подведены и зафиксированы от выпадения с помощью фиксаторов, расположенных на хомутах, шлангокабель (шлангокабели). За счет значительной длины секции (12-15 м) компенсация волнения моря не требуется.
Модель общего вида телескопического звена райзера приведена на фиг. 7.
Телескопическое звено райзера может использоваться в двух режимах:
- режим компенсации волновых движений буровой установки (фиг. 8);
- режим, не требующий компенсации волновых движений буровой установки (фиг. 9, 10).
Для более полного понимания расположения телескопического звена райзера в системе подводной фонтанной арматуры, указаны следующие обозначения на чертежах фиг 8, 9. 10:
23 - верхний привод;
24 - буровой переводник;
25 - рама натяжения (используется в качестве неподвижной площадки);
26 - устройство подачи гибкой насосно-компрессорных трубы;
27 - втулка ограничительная (роторный вкладыш);
28 - надводное противовыбросовое оборудование;
29 - надводная фонтанная арматура;
30 - роторный стол буровой установки;
31 - зона буровой шахты;
32 - натяжные тросы райзера;
33 - секция натяжения райзера;
34 - стандартные секции райзера заканчивания скважин;
35 - силовое звено;
36 - система подводной колонной головки;
37 - модуль экстренного отсоединения;
38 - направляющее основание;
39 - нижний узел-превентор райзера;
40 - подводная фонтаная арматура;
41 - морское дно;
42 - нижний узел превентор-райзера;
43 - противовыбросовое оборудование;
44 - устье скважины;
45 - гибкое соединение;
46 - телескопическая секция бурового райзера;
47 - натяжные тросы бурового райзера;
48 - секции бурового райзера;
49 - дивертор;
50 - шаровое соединение;
51 - шлангокабель (к катушке шлангокабеля);
52 - надводное оборудование.
На фиг. 9 схематично представлена работа телескопического звена в качестве телескопической секции райзера. При этом фиксатор штока освобожден и выведен в некоторое начальное положение. Компенсация качки осуществляется внешними устройствами силовозбуждения путем поднятия или опускания корпуса относительно начального положения, соответствующего примерно середине хода.
Шток перемещается внутри неподвижной корпусной трубы, и за счет этого обеспечивается сохранение длины скважины от подводной до поверхностной фонтанной арматуры. В процессе работ обеспечивается возможность поддержания давления в скважине вплоть да максимально разрешенного, с обеспечением ее герметичности. В случае отказа системы силовозбуждения, шток может продолжать движение под собственным весом вниз вплоть до перехода, позволяющего осуществить активацию соединения 9 (фиг. 1), или максимально раскрыться, в зависимости от давления в эксплуатационном стволе скважины.
Телескопическое звено райзера благодаря своей конструкции обеспечивает сохранение надежности работы систем за счет нейтрализации воздействий качки при морских операциях со скважинами. При этом она позволяет защитить шлангокабели системы управления оборудованием доступа в скважину от механических повреждений при их прохождении вдоль райзера через роторный стол буровой установки (поз. 30, фиг. 8, 9, 10).
В предлагаемом изобретении телескопическая трубная секция райзера может быть использована не только по своему прямому назначению, но и в качестве скользящей трубной секции. Это позволяет уменьшить количество поставляемых элементов системы доступа в скважину при проведении заканчивания скважин с подводными фонтанными арматурами вертикального типа. То есть, в таком случае после проведения операций с упрощенной колонной для спуска (фиг. 10) осуществляется ряд операций с применением системы доступа в скважину «в открытом море» (фиг. 8, 9).