КИНЕТИЧЕСКАЯ СРЕЗАЮЩАЯ ПЛАШКА ДЛЯ УСТРОЙСТВА РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ В СКВАЖИНЕ
KINETIC CUT-OFF PLATE FOR WELL PRESSURE CONTROL DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области устройств управления давлением скважины, а именно противовыбросовых превенторов (ПВП, от англ. ВОР, blowout preventer). Более конкретно, изобретение относится к исполнительным плашкам для так называемых срезающих плашек, которые используются для закрытия ПВП, когда в подземной части скважины находятся бурильный инструмент, трубы или другие устройства, которые препятствуют обычной работе других устройств, используемых для закрытия ПВП.
Уровень техники
Противовыбросовые превенторы (ПВП), используемые, например, в нефтяных и газовых скважинах, предназначены для снижения риска потенциально катастрофических событий, известных как выбросы, при которых высокие скважинные давления и вызванный ими неконтролируемый поток из подземного пласта в скважину могут выталкивать трубчатые изделия (например, бурильные трубы и обсадные трубы), инструменты и текучую среду из скважины. Выбросы представляют собой серьезную угрозу безопасности для буровых команд, буровых установок и окружающей среды и могут быть чрезвычайно дорогими с точки зрения сдерживания, ремонта и восстановления возникающих повреждений. Как правило, ПВП имеют "плашки", которые открывают и закрывают посредством исполнительных механизмов. Наиболее распространенный тип исполнительных механизмов имеет гидравлический привод, толкающий запорные элементы через сквозное отверстие в кожухе ПВП (само по себе отделенное от скважины уплотнением) для закрытия скважины. В некоторых типах ПВП плашки содержат ножи из упрочненной стали с возможностью реза через бурильную колонну или другой инструмент или устройство, которое может находиться в скважине в то время, когда необходимо закрыть ПВП.
Недостаток многих плашек с гидравлическим приводом заключается в том, что они требуют большого гидравлического усилия для перемещения плашек против давления в стволе скважины и, в случае срезающих плашек, для последующего резания через объекты в сквозном отверстии.
Дополнительное ограничение плашек с гидравлическим приводом заключается в том, что гидравлическое усилие обычно создается в месте, удаленном от ПВП (что приводит к необходимости гидравлической линии от источника давления к плашкам), в результате чего ПВП может отказать при повреждении гидравлической линии, передающей гидравлическое усилие. Дополнительные ограничения, связанные с плашками с гидравлическим приводом, могут включать в себя эрозию поверхностей резания и уплотнения вследствие относительно медленного закрывающего действия плашек в стволе самоизливающихся скважин. Резание через соединения инструмента, утяжеленные бурильные трубы, трубы большого диаметра и колонны труб, расположенные со смещением от центра при сильном сжатии, также может представлять собой проблемы для плашек с гидравлическим приводом.
Дополнительным ограничением, связанным с ПВП со срезающими плашками с гидравлическим приводом, является то, что режущие лезвия асимметричны, что приводит к образованию расщепляющих усилий при резании.
Были предложены ПВП с пиротехническим приводом, в которых решены многие ограничения ПВП с гидравлическим приводом, например, такие ПВП, которые описаны в международной патентной заявке № WO 2016/176725 заявителя Kinetic Pressure Control Limited. Ограничения пиротехнических ПВП, таких как раскрытые в вышеупомянутой публикации, заключаются в том, что до появления возможности резания устройств, расположенных в сквозном отверстии, срезающий элемент должен разрезать изолирующее кольцо. Изолирующее кольцо выполнено в виде тяжелого, толстого элемента для исключения попадания скважинной жидкости под давлением в пиротехнический заряд и объем хранения срезающего элемента под действием давления в скважине. Таким образом, наличие изолирующего кольца может значительно увеличить необходимую энергию резания, обеспечивающую надлежащую функцию срезающей плашки (срезающих плашек). Кроме того, при резании изолирующее кольцо может приводить к образованию дополнительных осколков, что может повредить уплотнительные устройства внутри ПВП.
Раскрытие сущности изобретения
Противовыбросовый превентор в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения имеет основной корпус со сквозным отверстием. На основном корпусе установлен кожух, образующий проход, соединенный со сквозным отверстием и расположенный поперечно по отношению к сквозному отверстию. Изолирующий кольцевой нож первоначально расположен вокруг сквозного отверстия и закрывает проход для текучей среды. Изолирующий кольцевой нож выполнен с возможностью перемещения вдоль прохода и имеет отверстие, совмещенное со сквозным отверстием. В проходе на расстоянии от изолирующего кольцевого ножа размещены поршень и затвор. Между поршнем и концом расположен движущий заряд.
В некоторых вариантах осуществления противовыбросовый превентор дополнительно содержит энергопоглощающий элемент, расположенный в кожухе вблизи основного корпуса.
В некоторых вариантах осуществления противовыбросовый превентор дополнительно содержит в кожухе ограничитель, выполненный с возможностью предотвращения перемещения поршня и затвора до тех пор, пока давление газа от движущего заряда не достигнет выбранного порогового значения.
В некоторых вариантах осуществления ограничитель содержит срезной штифт.
В некоторых вариантах осуществления изолирующий кольцевой нож содержит режущую кромку, выполненную внутрь окружности отверстия.
В некоторых вариантах осуществления противовыбросовый превентор дополнительно содержит уплотнение, расположенное в основном корпусе и соосное со сквозным отверстием, причем уплотнение расположено так, чтобы перекрывать сквозное отверстие для потока текучей среды, когда затвор перемещается в положение сбоку рядом с уплотнением.
В некоторых вариантах осуществления зазор до инициирования между затвором и изолирующим кольцевым ножом может составлять от 1/8 до 1/2 диаметра сквозного отверстия, или может быть больше 1/2 диаметра сквозного отверстия.
В некоторых вариантах осуществления масса изолирующего кольцевого ножа составляет менее 20% от общей массы поршня и затвора.
В некоторых вариантах осуществления масса изолирующего кольцевого ножа составляет менее 10% от общей массы поршня и затвора.
В некоторых вариантах осуществления изолирующий кольцевой нож содержит по меньшей мере что-то одно из стали и керамики.
В некоторых вариантах осуществления керамика содержит карбид металла.
Способ закрытия скважины согласно другому аспекту настоящего изобретения включает в себя приведение в действие движущего заряда, расположенного в противовыбросовом превенторе, имеющем основной корпус, соединенный со скважиной и содержащий сквозное отверстие, кожух, установленный на основном корпусе, причем кожух образует проход, соединенный со сквозным отверстием и расположенный поперечно по отношению к сквозному отверстию, изолирующий кольцевой нож, первоначально расположенный вокруг сквозного отверстия и закрывающий проход для потока текучей среды, причем изолирующий кольцевой нож выполнен с возможностью перемещения вдоль прохода и содержит отверстие, совмещенное со сквозным отверстием, поршень и затвор, расположенные в напорной камере, расположенной на расстоянии от изолирующего кольцевого ножа, причем движущий заряд расположен между поршнем и концом. Давление газа от приведенного в действие движущего заряда перемещает поршень, затвор и изолирующий кольцевой нож в сквозное отверстие, разрезая устройство, расположенное в сквозном отверстии. Таким образом, проход герметично отделяется по текучей среде от сквозного отверстия.
Некоторые варианты осуществления дополнительно включают в себя замедление поршня посредством его контакта с энергопоглощающим элементом, расположенным в кожухе вблизи основного корпуса.
Некоторые варианты осуществления дополнительно содержат предотвращение перемещения поршня и затвора до тех пор, пока давление газа от движущего заряда не достигнет выбранного порогового значения.
В некоторых вариантах осуществления выбранное пороговое значение устанавливают путем выбора свойств срезного штифта.
В некоторых вариантах осуществления изолирующий кольцевой нож содержит режущую кромку, выполненную внутрь окружности отверстия.
В некоторых вариантах осуществления масса изолирующего кольцевого ножа составляет менее 20% от общей массы поршня и затвора.
В некоторых вариантах осуществления масса изолирующего кольцевого ножа составляет менее 10% от общей массы поршня и затвора.
В некоторых вариантах осуществления изолирующий кольцевой нож содержит по меньшей мере что-то одно из стали и керамики.
В некоторых вариантах осуществления керамика содержит карбид металла.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан вид в разрезе примера варианта осуществления ПВП согласно настоящему изобретению.
На фиг. 2 показан вид в плане ПВП, показанного на фиг. 1.
На фиг. 3 показан вид в разрезе, представленный на фиг. 1, до инициирования заряда.
На фиг. 4 показано инициирование работы срезающего элемента при превышении выбранного порогового значения давления газа от заряда.
На фиг. 5 показан сдавливаемый элемент в начале сдавливания для замедления кинетического затвора.
На фиг. 6 показано положение кинетического затвора в конце сдавливания.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 показан вид сбоку в разрезе примерного варианта осуществления противовыбросового превентора 100 (ПВП) в соответствии с настоящим изобретением. Противовыбросовый превентор 100 имеет основной корпус 5, содержащий сквозное отверстие 7. Противовыбросовый превентор 100 также содержит проход 8, который ориентирован поперечно сквозному отверстию 7. Изолирующий кольцевой нож 4 герметично закрывает проход 8, который проходит от сквозного отверстия 7 в напорный кожух 10. Изолирующий кольцевой нож 4 расположен внутри основного корпуса 5 и имеет отверстие (см. фиг. 2, элемент 4А), центрированное относительно сквозного отверстия 7 перед приведением в действие ПВП 100. См. вид сверху на фиг. 2. Режущая кромка (см. элемент 4А на фиг. 2) может быть выполнена по окружности отверстия в изолирующем кольцевом ноже 4. В напорном кожухе 10 расположены поршень 1 и затвор 3. Затвор 3 может представлять собой плоскую пластину, например, такую, которая может быть выполнена из стали, форма которой обеспечивает возможность продольного перемещения вдоль прохода 8 и действия аналогично заслонке в клапане для закрытия сквозного отверстия 7, как раскрыто далее. Между поршнем 1 и торцевой крышкой 11 на продольном конце напорного кожуха 10, противоположно основному корпусу 5, расположен заряд 9, который может быть выполнен в виде химического заряда, инициируемого теплом или ударом. Заряд 9 может быть инициирован, после чего происходит горение или реакция с образованием газов высокого давления, которые, в свою очередь, приводят в движение поршень 1 и, таким образом, затвор 3 через напорный кожух 10 и в изолирующий кольцевой нож 4. Кинетическая энергия поршня 1 и затвора 3 передается изолирующему кольцевому ножу 4 для перемещения изолирующего кольцевого ножа 4 вдоль прохода 8 и через сквозное отверстие 7. Кроме того, затвор 3 и изолирующий кольцевой нож 4 могут оставаться в тесном контакте по мере того, как они проходят через сквозной канал 7, позволяя усилию от расширяющихся газов продолжать воздействовать через поршень 1 и затвор 3 на изолирующий кольцевой нож 4 во время резания, чтобы повысить эффективность резания, как будет описано более подробно ниже.
В некоторых вариантах осуществления зазор до инициирования между затвором 3 и изолирующим кольцевым ножом 4 может составлять от 1/8 до 1/2 диаметра сквозного отверстия 7, или может быть больше 1/2 диаметра сквозного отверстия 7.
Внутри напорного кожуха 10 между поршнем 1 и кожухом 6 расположен стопорный механизм в виде энеproпоглощающего элемента 2. Энергопоглощающий элемент 2, который может быть выполнен из сжимаемого материала, выполнен с возможностью поглощения кинетической энергии поршня 1 и затвора 3, как будет описано более подробно ниже.
Далее раскрыта работа противовыбросового превентора 100 со ссылкой на фиг. 2, на которой показан поперечный разрез противовыбросового превентора 100 до его активации. Как можно видеть на фиг. 2, заряд 9, поршень 1 и затвор 3 расположены на первой стороне сквозного отверстия 7; осевая линия сквозного отверстия 7 обозначена CL.
На фиг. 2 также показан инициатор 12, который предназначен для приведения в действие заряда 9. На фиг. 2 также показан изолирующий кольцевой нож 4, герметично отделяющий проход 8 от сквозного отверстия 7. Вокруг сквозного отверстия 7 может быть расположено уплотнение 13 сквозного отверстия ниже нижней плоскости затвора 3, что будет объяснено более подробно ниже.
Энергопоглощающий элемент 2 может быть расположен внутри прохода 8 на той же стороне сквозного отверстия 7, что и поршень 1 и затвор 3.
На фиг. 3 показан вид в поперечном разрезе противовыбросового превентора 100, в котором заряд 9 еще не приведен в действие инициатором 12. Поршень 1 и заслонка 3 удерживаются на месте от предстоящего усилия давления газа от заряда 9, воздействующего на поршень 1, посредством ограничителя, например срезного штифта (не показан), до тех пор, пока после активации заряда 9 не образуется достаточное давление газов от заряда 9, то есть пока давление не достигнет выбранного порогового значения. Ограничитель, если это только один срезной штифт или аналогичное устройство, может удерживать либо поршень 1, либо затвор 3.
На фиг. 4 показан поперечный разрез противовыбросового превентора 100, в котором произошло достаточное расширение горячих газов после активирования заряда 9 для разрушения срезного штифта (не показан). На этой стадии поршень 1 и затвор 3 ускоряются вдоль прохода 8 в направлении изолирующего кольцевого ножа 4 и через сквозное отверстие 7. После контакта между затвором 3 и изолирующим кольцевым ножом 4 кинетическая энергия передается от поршня 1 и затвора 3 изолирующему кольцевому ножу 4, обеспечивая продвижение изолирующего кольцевого ножа 4 в сквозное отверстие 7. Затвор 3 может оставаться в тесном контакте с изолирующим кольцевым ножом 4 по мере его движения через сквозное отверстие 7, таким образом, увеличивая усилие, которое изолирующий кольцевой нож 4 может приложить во время резания. Расширяющиеся газы за поршнем 1 могут продолжать воздействовать на поршень 1 во время резания, когда изолирующий кольцевой нож 4 пересекает сквозное отверстие 7. Таким образом, обеспечивается дополнительное усилие помимо кинетической энергии поршня 1 и затвора 3. Изолирующий кольцевой нож 4 срезает любые скважинные трубы, инструменты или другие объекты, присутствующие в сквозном отверстии 7.
К материалам для изолирующего кольцевого ножа 4 могут относиться прочные и твердые материалы, такие как высокопрочная сталь и определенные виды керамики, такие как карбиды металлов, например карбид вольфрама. Керамика может быть использована для всей конструкции изолирующего кольцевого ножа 4 или может быть нанесена в качестве покрытия на высокопрочный материал, например, сталь, подложку.
В некоторых вариантах осуществления сопрягаемые поверхности между изолирующим кольцевым ножом 4 и затвором 3 могут иметь такую форму, чтобы обеспечить равномерную нагрузку. На фиг. 4 показано, что геометрия изолирующего кольцевого ножа 4 (плоская поверхность) и соответствующая геометрия затвора 3 (также плоская поверхность) являются комплементарными, тем самым снижая сосредоточенные нагрузки и обеспечивая более равномерное распределение напряжений. Могли бы быть предусмотрены и искривленные поверхности, имеющие одинаковые радиусы как на изолирующем кольцевом ноже 4, так и на затворе 3, или комбинации плоских поверхностей и аналогичных криволинейных поверхностей с определенным радиусом (не показаны).
На фиг. 4 видно, что в настоящем варианте осуществления изолирующий кольцевой нож 4 намного меньше по размеру, чем затвор 3 и поршень 1. Это может быть выгодно для уменьшения ударной нагрузки, когда подвижный узел (затвор 4 и поршень 1) ударяется об изолирующий кольцевой нож 4. В некоторых вариантах осуществления, изолирующий кольцевой нож 4 имеет массу менее 20% общей массы поршня 1 и затвора 3 (подвижного узла). В некоторых вариантах осуществления масса изолирующего кольцевого ножа 4 составляет менее 10% от массы подвижного узла.
На фиг. 5 показан вид в поперечном разрезе противовыбросового превентора 100. На этой стадии изолирующий кольцевой нож 4 осуществляет рез через любые объекты, которые могут быть расположены в сквозном отверстии 7. В это время передняя поверхность поршня 1 начинает контактировать с энергопоглощающим элементом 2, находящимся в состоянии минимального сдавливания. Изолирующий кольцевой нож 4 начинает контактировать с поглощающим энергию материалом (не показан отдельно) энергопоглощающего элемента 2, расположенного в проходе перед изолирующим кольцевым ножом 4.
На фиг.6 показан поперечный разрез противовыбросового превентора 100, в котором тело поглощающего энергию материала энергопоглощающего элемента 2 смято до определенной величины, поглощая кинетическую энергию поршня 1 и затвора 3. Поглощающий энергию материал (не показан отдельно), расположенный в проходе 8, также сминается до определенной величины, поглощая кинетическую энергию изолирующего кольцевого ножа 4.
Энергопоглощающий элемент 2 удерживает затвор 3 в таком положении, что уплотняющая поверхность (не показана) затвора 3 по существу выровнена с уплотнением 13. Когда происходит такое выравнивание, уплотнение 13 прижимается сбоку к уплотнительной поверхности (не показана) затвора 3, обеспечивая остановку потока скважинных текучих сред через сквозное отверстие 7, тем самым надежно закрывая скважину.
После того как скважина надежно закрыта, могут быть начаты операции управления давлением в скважине (например, операции дросселирования и глушения). Как только управление давлением в скважине повторно установлено, противовыбросовый превентор 100 может быть повторно открыт, например, посредством отведения затвора 3 для открытия сквозного отверстия 7. Например, между передней поверхностью поршня 1 и кожухом 6 может быть введена гидравлическая текучая среда 15 для того, чтобы заставить поршень 1 отойти от сквозного отверстия 7.
Затвор 3 может, в качестве варианта, иметь уплотняющую поверхность (не показана отдельно), выполненную с возможностью взаимодействия с уплотнением сквозного отверстия 13 для предотвращения прохождения скважинных текучих сред из сквозного отверстия 7 в проход 8. В качестве варианта, уплотняющая поверхность (не показана) может быть предусмотрена на нижней или/или верхней поверхностях затвора 3. В примерном варианте осуществления уплотняющая поверхность (не показана) может быть предусмотрена по меньшей мере на нижней поверхности затвора 3.
Возможное преимущество ПВП, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, заключается в том, что противовыбросовый превентор может быть приведен в действие без необходимости создания гидравлического усилия для проталкивания плашки через сквозное отверстие для закрытия сквозного отверстия. Вместо этого энергия, требуемая для закрытия ствола скважины, содержится в заряде в противовыбросовом превенторе, где она требуется.
Возможное преимущество удержания поршня 1 и затвора 3 на месте срезным штифтом заключается в том, что это обеспечивает резкое ускорение поршня 1 и затвора 3 вдоль прохода 8 при достижении достаточного усилия, генерируемого расширяющимися газами заряда 9.
Возможное преимущество использования изолирующего кольцевого ножа 4, изолирующего по текучей среде проход 8 от сквозного отверстия 7, заключается в том, что поршень 1 и затвор 3 могут ускоряться вдоль прохода 8 без препятствий, создаваемых скважинными текучими средами или другими жидкостями, пока поршень 1 и затвор 3 не входят в контакт с изолирующим кольцевым ножом 4.
Возможное преимущество использования энергопоглощающего элемента 2 заключается в том, что избыточная кинетическая энергия затвора и поршня не передается непосредственно конструкции противовыбросового превентора 100.
Возможное преимущество использования в сочетании с поршнем 1 и затвором 3 изолирующего кольцевого ножа 4 заключается в том, что не требуется прорезать отдельное изолирующее кольцо в дополнение к объектам, которые могут быть расположены в сквозном отверстии. Дополнительным возможным преимуществом является то, что не образуются остатки от резания отдельного изолирующего кольца, которые могут отрицательно влиять на рабочие характеристики уплотнения.
Хотя выше подробно раскрыто только несколько примеров, специалисту в данной области техники очевидно, что в примерах возможны многие модификации. Соответственно, все такие модификации должны быть включены в объем настоящего описания, как определено последующей формулой изобретения.