ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЙ ПОДВОДНЫЙ КОМПЕНСАТОР
AUXILIARY UNDERWATER COMPENSATOR

Настоящее изобретение относится к устройству для безопасного соединения и разъединения колонн труб в подводном положении с поверхностной установки. Более конкретно настоящее изобретение относится к устройству для предотвращения опасного влияния вертикальных перемещений, вызванных качкой поверхностной установки во время соединения или разъединения в подводном положении.
Уровень техники
Оснащение прибрежных поверхностных установок, таких как буровые установки, используемые для работы с подводными скважинами, компенсаторами вертикальной качки, хорошо известно. Компенсатор вертикальной качки размещают между колонной труб, проходящей вниз к морскому дну, и поверхностной установкой. При перемещении поверхностной установки вертикально вследствие волн компенсатор вертикальной качки гарантирует, что вертикальное перемещение установки не передается колонне труб, удерживая колонну труб неподвижно и вертикально относительно морского дна. Однако при отсоединении колонны труб от оборудования на морском дне, такого как подводная бурильная установка, колонна трубопровода будет осуществлять некоторые вертикальные перемещения, несмотря на наличие компенсатора вертикальной качки. Например, при вертикальных перемещениях поверхностной установки на 7 м, колонна труб будет, вероятно, перемещаться вертикально вверх и вниз на расстояние приблизительно 30 см.
Благодаря компенсатору вертикальной качки поверхностная установка может продолжать работать даже в довольно неспокойном море с волнами высотой несколько метров. Однако если условия становятся чрезвычайными, работа должна быть остановлена, и поверхностная установка должна быть отсоединена от колонны труб, проходящей в скважину.
Например, при бурении подводной скважины с плавучей буровой установки бурильная труба может проходить на несколько тысяч метров вниз в скважину. Для отсоединения бурильной трубы от буровой установки бурильную трубу подвешивают у вершины скважины. Для этого бурильную трубу сначала подтягивают к буровой установке на расстояние, которое приблизительно соответствует глубине моря. Затем к нижней части бурильной трубы подсоединяют инструмент для подвешивания и опускают его вниз к вершине скважины на другую бурильную трубу, соединяемую с верхней частью инструмента для подвешивания. С помощью инструмента для подвешивания бурильную трубу подвешивают у вершины скважины, например в устье скважины, стволе скважины, или у защитной втулки для прохождения в пробуренную скважину. После этого инструмент для подвешивания отсоединяют от бурильной трубы, которая расположена сверху и на которой он был опущен, тем самым он оказывается отсоединенным от буровой установки.
При восстановлении на поверхности нормальных условий работы буровая установка может снова быть соединена с инструментом для подвешивания. Элемент подвески, например бурильную трубу, опускают вниз с установки и соединяют с инструментом для подвешивания. Указанный инструмент для подвешивания подтягивают к буровой установке и удаляют. После этого бурильную трубу вновь опускают, и работы могут быть возобновлены.
При отсоединении инструмента для подвешивания от элемента подвески, такого как расположенная выше колонна труб, элемент подвески осуществит некоторое вертикальное перемещение, несмотря на наличие компенсатора вертикальной качки в буровой установке, если на буровую установку воздействуют сильные волны. Таким образом, вскоре после разъединения, колонна труб может опуститься и столкнуться с частью, от которой она было отсоединена. С учетом веса элементов подвески это может вызвать существенные повреждения обеих соединительных поверхностей. Таким образом, и нижняя, и верхняя части сцепляющихся соединительных частей могут быть повреждены. Та же самая проблема возникает при необходимости повторного соединения частей. По мере сближения верхней части с нижней частью, при опускании верхней части с поверхности, помимо преднамеренного снижения происходят возвратно-поступательные вертикальные перемещения. Прежде чем верхняя соединительная часть должным образом соединится с нижней соединительной частью, соединительные поверхности могут быть повреждены.
Традиционным средством соединения является резьба. Так, при соединении или разъединении, верхняя соединительная часть вращается по мере ее опускания на нижнюю часть или вытягивания из нее. Поэтому крайние резьбовые витки часто повреждаются. Очевидно, что для решения этой проблемы можно использовать резьбы большего размера, устойчивые к существенным воздействиям. Однако большие резьбы предусматривают применение большего шага резьбы, что может увеличить риск самопроизвольного развинчивания соединения. Кроме того, даже большие резьбы могут быть повреждены достаточно для возникновения проблем при соединении или разъединении. В любом случае вертикальные перемещения при качке вызовут нежелательный износ.
Также можно использовать другие средства разъемного соединения. Однако независимо от используемого типа соединения, движущийся вниз элемент подвески в виде колонны труб прикладывает существенные силы, которые в любом случае желательно сократить.
Таким образом, цель настоящего изобретения состоит в решении вышеупомянутой задачи, связанной с повреждением соединительной поверхности при разъединении и соединении.
Сущность изобретения
Согласно настоящему изобретению предложено демпфирующее устройство, предназначенное для демпфирования сил между двумя взаимосоединяемыми частями в колонне труб, которые содержат нижнюю часть, соединенную с верхним концом элемента колонны, проходящего в подводную скважину, и верхнюю часть, которая подвешена к плавающей поверхностной установке с помощью по меньшей мере одного элемента подвески, проходящего до указанной поверхностной установки. Элемент колонны труб может представлять собой любой элемент колонны, проходящий в подводную скважину, например провода, бурильная труба или гибкие трубы. Согласно настоящему изобретению, демпфирующее устройство установлено в колонну труб над частью колонны, проходящей в указанную подводную скважину, и под по меньшей мере частью указанного элемента подвески. Кроме того, демпфирующее устройство содержит верхнюю и нижнюю секции, которые выполнены с возможностью вертикального перемещения относительно друг друга, обеспечивая таким образом податливость к ударным силам между указанным взаимосоединяемыми верхними и нижними частями, возникающим в результате вертикального перемещения указанной части элементов подвески при качке относительно элемента колонны.
Термин «вертикально» не должен интерпретироваться как направление, строго нормальное к горизонтальному направлению. Вместо этого оно должно приниматься за общее направление элемента колонны или элемента подвески в месте расположения демпфирующего устройства. Указанное направление будет по существу вертикальным. Однако возможно отклонение этого направления от строго вертикального направления.
В одном варианте выполнения изобретения верхняя и нижняя секции соединены друг с другом с возможностью вращения таким образом, что вращение одной секции сразу или с течением времени приведет к вращению второй секции или приложению к ней вращательных сил. Таким образом, вращательные силы, прикладываемые к колонне бурильной трубы, например, плавающей поверхностной установкой, будут передаваться через демпфирующее устройство вниз к нижним частям бурильной трубы, расположенным под демпфирующим устройством.
В другом варианте выполнения указанный элемент подвески представляет собой бурильную колонну. Таким образом, практическое использование демпфирующего устройства имеет место, когда бурильная колонна должна быть подвешена в подводной скважине. В этом случае бурильную колонну поднимают на расстояние, приблизительно соответствующее морской глубине, затем к оставшейся бурильной колонне присоединяют инструмент для подвешивания. Затем к инструменту для подвешивания, или предпочтительно по меньшей мере вблизи него, присоединяют демпфирующее устройство. После этого демпфирующее устройство опускают на бурильной колонне, после чего бурильная колонна становится элементом подвески.
При разъединении указанных взаимосоединяемых частей элемент колонны предпочтительно подвешивают с помощью инструмента для подвешивания.
В одном из вариантов выполнения две взаимосоединяемые части образуют резьбовое соединение. Таким образом, при соединении или разъединении указанных взаимосоединяемых частей на расстоянии под плавающей поверхностной установкой, например в подводной скважине, демпфирующее устройство обеспечивает защиту крайних витков резьбы от повреждения вследствие качки.
Предпочтительно, одна из указанных секций имеет отделение, в котором часть второй секции может перемещаться в вертикальном направлении. Эта особенность позволяет обеспечить реализацию функции демпфирования. В одном варианте выполнения указанная вторая секция проходит в указанное отделение, при этом неконцентрическая прямая часть проходит через неконцентрическое отверстие в секции с отделением, вследствие чего вращательное движение первой секции приводит к приложению вращательных сил ко второй секции. Таким образом реализуется один из способов обеспечения передачи вращательных сил.
Кроме того, указанная вторая секция может содержать поршневой элемент, расположенный в указанном отделении, а указанное отделение выполнено в виде поршневого цилиндра, при этом между поршневым цилиндром и поршневым элементом может быть расположено уплотнение для обеспечения герметизации.
В предпочтительном варианте выполнения демпфирующее устройство содержит один или несколько каналов для втекания или вытекания окружающей воды соответственно в указанное отделение или из него, причем указанный канал(ы) работает в качестве демпфера относительных перемещений между указанными двумя секциями.
Одна из указанных взаимосоединяемых частей может быть объединена с одной из указанных секций. Таким образом, функция демпфирования силы будет реализовываться вблизи границы взаимного соединения, что позволяет преимущественно уменьшить массу между указанной границей и демпфирующим устройством.
В одном варианте выполнения изобретения демпфирующее устройство также содержит пружину, функционально расположенную между указанными двумя секциями для демпфирования взаимного вертикального перемещения.
Для должной работы предложенное демпфирующее устройство предпочтительно должно быть расположено вблизи указанных взаимосоединяемых частей или границы между ними. Поэтому демпфирующее устройство предпочтительно должно быть расположено ближе к морскому дну, а не к поверхности, когда элемент колонны уже подвешен или должен быть подвешен в скважине. В таком случае взаимосоединяемые части обычно расположены под водой вблизи устья скважины.
Вариант выполнения
Ниже представлен неограничивающий подробный вариант выполнения, предназначенный для освещения и разъяснения особенностей и преимуществ данного изобретения. Вариант представлен со ссылкой на чертежи, на которых:
фиг.1 показывает схематический принципиальный вид плавучей буровой установки при повторном соединении с инструментом для подвешивания, который подвешивает бурильную колонну, проходящую в подводную скважину;
фиг.2 показывает разрез двух разъединяемых взаимосоединяемых частей в соединенном положении, а также предложенное демпфирующее устройство;
фиг.3 показывает вид в аксонометрии соединения, показанного на фиг.2;
фиг.4 показывает вид в аксонометрии с разрезом устройства, показанного на фиг.3;
фиг.5 показывает частичный поперечный разрез соединения;
фиг.6 показывает альтернативный вариант выполнения предложенного демпфирующего устройства; и
фиг.7 показывает разрез устройства, показанного на фиг.6.
На фиг.1 показана буровая установка 1 в процессе повторного соединения с бурильной трубой 3а, оставленной в подводной скважине 5. Буровая установка 1, могла быть отсоединена от бурильной трубы 3а вследствие плохой погоды. Бурильная труба 3b, проходящая вниз от буровой установки 1, отсоединена от участка 3а бурильной трубы. Бурильная труба 3а в подводной скважине может проходить на несколько тысяч метров вглубь морского дна, например, в резервуар 7. При отсоединении от буровой установки 1, бурильная труба 3а подвешивается с помощью инструмента 9 для подвешивания, расположенного в устье 11 скважины у морского дна 13. Следует отметить, что фиг.1 показывает только принципиальную схему для отображения вероятной ситуации при использовании предложенного демпфирующего устройства.
Фиг.2 показывает продольный разрез демпфирующего устройства 100 согласно одному из вариантов выполнения изобретения. В этом варианте выполнения две взаимосоединяемые и разъединяемые части 101, 103 показаны в соединенном состоянии. Нижняя взаимосоединяемая часть 101 имеет внутреннюю резьбу 101а, тогда как верхняя взаимосоединяемая часть 103, соответственно имеет наружную резьбу 103а. Таким образом, нижняя и верхняя части 101, 103 могут быть соединены и разъединены путем взаимного вращения. Нижняя часть 101 выполнена с возможностью соединения с колонной бурильной трубы 3а (фиг.1), проходящей в подводную скважину 5 через участок 105 трубы. Соответственно, вторая часть 103 выполнена с возможностью соединения с бурильной трубой 3b через участок 109е трубы.
Устройство 100 содержит верхнюю и нижнюю секции 109, 111, которые выполнены с возможностью осевого перемещения друг относительно друга. Нижняя секция 111 имеет отделение 111а, в котором размещается часть верхней секции 109. Эта часть имеет форму поршневого элемента 109а, который может совершать возвратно-поступательные перемещения в осевом направлении в отделении 111а. На внешней окружной поверхности поршневого элемента 109а закреплены два уплотнения 109b, которые обеспечивают уплотнение относительно внутренней поверхности отделения 111а. Верхняя секция 109 проходит в отделение 111а квадратной сквозной частью 109с через сквозное отверстие 111с соответствующей формы, выполненное в верхней части нижней секции 111. Таким образом, вращение верхней секции 109 приводит к соответствующему вращению нижней секции 111.
Соединение и разъединение резьбовых частей нижней и верхней секций 101, 103 может быть обеспечено соответствующим вращением верхней секции 109 относительно нижней секции 111.
Следует отметить, что в этом варианте выполнения нижняя секция 111 устройства 100 является тем же компонентом, что и верхняя взаимосоединяемая часть 103, упомянутая выше.
В верхней части нижней секции 111 выполнены сквозные каналы 111а, которые обеспечивают проточное сообщение между отделением 111а над поршневым элементом 109а и окружающей морской водой. Основная функция сквозных каналов 111а заключается в опорожнении указанного отделения над поршневым элементом 109а для избежания гидростатического запирания поршневого элемента 109а. Второстепенная функция заключается в демпфировании осевого перемещения между верхней и нижней секциями 109, 111. Указанная функция обеспечивается путем выполнения сквозных каналов 111а с соответствующими размерами. Маленькие поперечные сечения и небольшое количество каналов замедлят соответствующие осевые перемещения между верхними и нижними секциями 109, 111. С другой стороны, большие поперечные сечения и большое количество каналов приведут к меньшему торможению указанного перемещения.
Как уже было указано в общей части настоящего описания, во время соединения или разъединения указанных двух взаимосоединяемых частей верхняя часть может перемещаться вверх и вниз относительно нижней части вследствие качки плавучей поверхностной установки, к которой она подвешена. Под действием веса элементов подвески, таких как бурильная труба 3b (фиг.1), указанные перемещения могут приводить к возникновению существенных ударных сил, действующих между указанными частями. Из фиг.2 очевидно, что нижняя секция 111 будет иметь возможность перемещаться в осевом или вертикальном направлении относительно верхней секции 109 до (и после) выравнивания и соединения взаимосоединяемых частей 101, 103 друг с другом. Таким образом, на начальном этапе привинчивания верхней взаимосоединяемой части 103 к нижней части 101 указанная особенность защитит крайние резьбовые витки и поверхности от повреждения. При разъединении взаимосоединяемых частей 101, 103 путем развинчивания резьб 101а,  103а  указанные резьбы соответствующим образом защищены от повреждения в случае перемещения вниз при качке верхней секции 109 сразу перед завершением развинчивания или сразу после него.
Следует отметить, что сквозное отверстие 113 проходит в осевом направлении через всю конструкцию, показанную на фиг.2, от участка 109е трубы наверху до участка 105 трубы внизу, через взаимосоединяемые части и через верхнюю и нижнюю секции 109, 111. Таким образом в соединенном состоянии обеспечивается проточное сообщение через устройство 100.
На фиг.3 и 4 показаны соответственно вид в аксонометрии устройства 100, показанного на фиг.2, и вид в аксонометрии в разрезе указанного устройства. Как видно из фиг.3, на периферии нижней взаимосоединяемой части 101 по окружности выполнены четыре паза 101с. Верхняя взаимосоединяемая часть 103 также имеет пазы 103с.  Указанные пазы 101с, 103с образуют пути потока среды между взаимосоединяемыми частями 101, 103 и внутренней поверхностью водоотделяющей колонны (не показана). Это облегчает вертикальное перемещение в указанной водоотделяющей колонне, поскольку текучая среда в колонне может свободно протекать мимо взаимосоединяемых частей 101, 103. В случае если пазы 101с в нижней части 101 не совпадают с соответствующими пазами 103с в верхней части 103, проточное сообщение между несовпадающими пазами 101с и 103с обеспечивает выполненный по окружности паз 101b.
Как видно из фиг.4, верхняя взаимосоединяемая часть 103 имеет два уплотнения 103b, которые обеспечивают уплотнение относительно нижней взаимосоединяемой части 101 в соединенном положении. По одному уплотнению 103b предусмотрено с каждой стороны (выше и ниже) от резьбы  103а. Вместе с уплотнениями 109b уплотнения 103b герметизируют среду в отверстии 113 и камере 111 (ниже поршневого элемента 109а) от окружающей морской воды, и наоборот, в соединенном положении.
Как видно из фиг.2 и фиг.4, участок 105 трубы присоединен к нижней взаимосоединяемой части 101 с помощью резьбовых болтов 115.
На фиг.5 показана верхняя взаимосоединяемая часть 103 в разрезе, которая в этом варианте выполнения является тем же компонентом, что и нижняя секция 111. Указанный вид в частности иллюстрирует квадратную форму сквозного отверстия 111с и сквозной части 109с, что обеспечивает возможность передачи вращательных сил.
Согласно настоящему изобретению, верхние и нижние взаимосоединяемые части не обязательно являются частью конструкции, как показано в варианте выполнения, описанном со ссылкой на фиг.1-5. Вместо этого взаимосоединяемые части могут располагаться или ниже, или выше предложенного демпфирующего устройства. Однако для достижения главной цели настоящего изобретения походящим образом демпфирующее устройство должно быть расположено выше взаимосоединяемых частей в положении, предусматривающем размещение небольшой массы между указанными частями и демпфирующим устройством. Такая масса может привести к возникновению вышеописанных нежелательных сил между взаимосоединяемыми частями непосредственно перед соединением или сразу после разъединения взаимосоединяемых частей из-за вертикального перемещения указанной массы при качке.
С другой стороны, при расположении демпфирующего устройства ниже взаимосоединяемых частей оно предпочтительно должно быть расположено близко к ним. Таким образом минимизируется масса между демпфирующим устройством и взаимосоединяемыми частями, что позволяет уменьшить инерцию указанного устройства и таким образом уменьшить силы, возникающие при столкновении двух взаимосоединяемых частей. При расположении демпфирующего устройства ниже взаимосоединяемых частей демпфирующее устройство может содержать пружинное поджимающее приспособление для поджатия верхней секции в верхнем положении, тем самым обеспечивая проталкивание верхней секции вниз в случае столкновения взаимосоединяемых частей.
На фиг.6 и 7 показаны соответственно вид сверху и вид в разрезе альтернативного варианта выполнения предложенного демпфирующего устройства 100'. На этих чертежах взаимосоединяемые части не показаны. Верхняя часть верхней секции 109' и нижняя часть нижней секции 111" имеют резьбовые соединительные поверхности для соединения с замком бурильных труб. Таким образом, устройство 100' выполнено с возможностью установки в бурильную колонну между ее участками.
Кроме того, в этом варианте выполнения средства обеспечения передачи вращательных сил между верхней и нижней секциями 109', 111' представляют собой проходящие в осевом направлении скользящие полосы 109f, которые проходят в ответные пазы 111f' в верхней части нижней секции 111'.
Независимо от расположения демпфирующего устройства 100, 100' относительно взаимосоединяемых частей 101, 103, оно может быть снабжено пружинными поджимающими приспособлениями (не показаны) для поджатия указанных верхних и нижних секций 109, 109', 111, 111' в выдвинутом в осевом направлении положении. Таким образом, демпфирующее устройство 100, 100' будет в любое время, если оно не сжато в осевом направлении, находиться в состоянии готовности поддаться воздействию вертикальных сил, возникших в результате столкновения.
Предпочтительно, демпфирующее устройство расположено в пределах 30 м от границы между взаимосоединяемыми частями. Еще более предпочтительно расположение указанного устройства в пределах 10 или даже 5 м от границы между взаимосоединяемыми частями. Однако в самом предпочтительном варианте выполнения одна из взаимосоединяемых частей является одной из секций демпфирующего устройства.