СЛАБАЯ ПЕРЕМЫЧКА С МЕХАНИЧЕСКИМ ИЗГИБОМ
WEAK LINK POINT WITH MECHANICAL BEND

Область техники изобретения
Настоящее изобретение относится к защитному устройству для аварийного отсоединения райзера или шланга, в общем относящемуся к системам райзеров для геотехнических мероприятий в скважине, системам райзеров для заканчивания/капремонта и т.д. Настоящее изобретение может также применяться для эксплуатационных райзеров, включающих в себя гибкие райзеры, а также морских отгрузочных систем и других систем райзеров или шлангов, используемых в настоящее время в море.
Предпосылки изобретения
Обычные системы отсоединения райзера основаны либо на запускаемой оператором системе аварийного разъединения, требующей активного вмешательства оператора (нажатия кнопки), или на автоматических системах разъединения на основе слабой перемычки, устанавливаемой в систему райзера, выполненной с возможностью механического разрушения в аварийной ситуации до разрушения каких-либо других критических компонентов. Такие системы разъединения, в общем, именуются "слабыми перемычками".
Главным предназначением слабой перемычки является защита барьера (барьеров) скважины или другой критической конструкции (конструкций), стыкующейся с райзером, в аварийных ситуациях, таких как блокировка компенсатора вертикальной качки или потеря позиционирования буровой установки, что может быть обусловлено потерей якоря (волочение якоря), дрейфом, где буровая установка или корабль дрейфует от площадки, при выходе из строя силового оборудования буровой установки или корабля или в ситуации, где система динамического позиционирования на буровой установке или корабле выходит из строя по какой-либо причине, обуславливая дрейф корабля в непредсказуемом направлении. В таких аварийных ситуациях операторы имеют весьма ограниченное время для обнаружения возникновения аварии и запуска системы высвобождения райзера от скважины или другой критической конструкции (конструкций), прикрепленных к райзеру. В таких аварийных ситуациях, где у оператора нет времени для реагирования на аварию, слабая перемычка должна обеспечивать защиту целостности барьера (барьеров) скважины или другой критической стыкующейся конструкции (конструкций).
Когда райзер соединяется с оборудованием устья скважины, фонтанная арматура (или нижний блок райзера с фонтанной арматурой) устанавливается на оборудование устья скважины и крепится к нему. Система райзера крепится к скважине на морском дне нижним концом. Верхний конец райзера обычно подвешивается на так называемом компенсаторе 1 вертикальной качки и/или системе натяжения райзера на верхнем конце, как показано на фиг.1. Система натяжения райзера прикладывает сверху силу натяжения к райзеру 2 и соединяется с компенсатором 1 вертикальной качки, который компенсирует относительное перемещение по вертикали между судном 3 (например, буровой установкой или кораблем), перемещающимся на волнах, и райзером, закрепленным на морском дне 4. Система 1 компенсатора вертикальной качки, в общем, основана на комбинации гидравлических поршней и пневматических аккумуляторов (не показано). Гидравлические поршни принудительно перемещаются вверх и вниз с помощью гидравлического силового блока для компенсации вертикального перемещения судна 3 на волнах. Пневматические аккумуляторы соединяются с данной системой и используются для поддержания относительно постоянного натяжения в системе. Это выполняют, подвешивая райзеры к цилиндрам, опирающимся на столб сжатого воздуха, где давление устанавливается согласно нагрузке в системе. Объем пневматических аккумуляторов и ход цилиндров должны при этом определять гистерезис перемещения и, следовательно, натяжение в системе при вертикальном перемещении судна 3 на волнах.
Блокирование компенсатора относится к сценарию, где система компенсации вертикальной качки выходит из строя, обуславливая стопорение цилиндров компенсатора вертикальной качки и неспособность компенсировать перемещение по вертикали между райзером 2 и судном 3 (см. фиг.2). В результате могут возникать защемляющие нагрузки и силы чрезмерного натяжения в райзере 2. Такие защемляющие нагрузки могут обуславливать повреждения барьера 5 (барьеров) скважины или другой стыкующейся конструкции (конструкций). Слабая перемычка в райзере 2 должна при надлежащем конструктивном исполнении защищать барьер 5 (барьеры) скважины от повреждения в варианте возникновения блокирования компенсатора.
Потеря позиции возникает, когда судну 3 не удается поддерживать свое положение в заданных границах над оборудованием устья скважины. Стоящие на якоре суда 3 обычно сталкиваются с потерей позиции, обусловленной потерей одного или нескольких якорей. Для судов с динамическим позиционированием потерю позиции в нормальных условиях обуславливает отказ системы динамического позиционирования или ошибка оператора, что приводит к перемещению судна 3 от нужной позиции. В сценарии дрейфа судно не имеет достаточной мощности, чтобы оставаться в своем положении в данных погодных условиях, или силовая установка судна вышла из строя и судно должно дрейфовать по направлению ветра, волн и течений. Все такие аварийные ситуации приводят в результате к чрезмерному смещению судна 3 относительно барьера 5 (барьеров) скважины (см. фиг.3). Когда судно перемещается в положение за пределами допустимых границ, получившийся в результате угол α райзера в комбинации с натяжением райзера должен создавать высокие изгибающие моменты в нижней и верхней части райзера 2. Кроме того, при увеличении относительного расстояния между судном 3 и барьером (барьерами) скважины 5 на морском дне цилиндр компенсатора вертикальной качки должен завершать ход для компенсации иным способом увеличения натяжения. Затем компенсатор 1 вертикальной качки должен завершать ход, что приводит к быстрому увеличению натяжения в райзере. Когда такое происходит, относительный угол α между барьером (барьерами) скважины 5 на морском дне 4 и судном 3 должен значительно увеличиваться, и быстрое увеличение натяжения должно обуславливать высокие изгибающие моменты в барьере 5 (барьерах) скважины.
Для защиты барьера 5 (барьеров) скважины в упомянутых аварийных ситуациях требуется отсоединение с помощью слабой перемычки райзера 2 от барьера 5 (барьеров) скважины перед превышением допустимой нагрузки барьера 5 (барьеров) скважины от изгиба, см. фиг.5.
Превышение допустимой нагрузки барьера 5 (барьеров) скважины может приводить к повреждению оборудования устья скважины, повреждению внутри скважины, повреждению райзера 2 и т.д., все указанное рассматривается как серьезная аварийная ситуация с высоким риском для персонала и окружающей среды.
Повреждение барьера 5 (барьеров) скважины может приводить к дорогостоящим и длительным ремонтам, дорогостоящимм задержкам вследствие остановки эксплуатации, и, самое важное, рискам для персонала и рискам загрязнения окружающей среды, выбросам, взрывам, пожарам и т.д. Конечным следствием повреждения барьера скважины является полномасштабный подводный выброс нефти и газа из коллектора, бесконтрольно напрямую вытекающих в океан. Если скважинный предохранительный клапан выходит из строя или повреждается при аварии, отсутствует другое средство глушения скважины, кроме бурения новой боковой скважины глушения поврежденной скважины.
Проблемы существующих конструкций слабых перемычек состоят в необходимости как выполнения всего набора проектных требований (коэффициентов безопасности и т.д.) во время нормальной эксплуатации системы, так и обеспечения отсоединения системы в аварийной ситуации.
Самые обычные концепции слабой перемычки используют разрушение конструкции компонента или компонентов. Типичные конструктивные исполнения включают в себя фланцы с болтами, выполненными с возможностью разрыва при некоторой нагрузке, или трубную секцию со станочной обработкой на коротком отрезке длины, обуславливающей управляемый обрыв райзера в данном месте.
Самые обычные слабые перемычки, которые используют в настоящее время, срабатывают только благодаря силам натяжения, т.е. заданную слабую перемычку выполняют с возможностью разрыва при некоторой заданной растягивающей нагрузке. Вместе с тем, в возникающих аварийных ситуациях действуют не только растягивающие силы. В случае, например, дрейфа должны возникать значительные изгибающие моменты в барьере 5 (барьерах) скважины в дополнение к растягивающим силам. Даже в сценарии блокировки компенсатора вертикальной качки изгибающие моменты, действующие на барьер 5 (барьеры) скважины, могут быть значительными вследствие смещения буровой установки/судна в допустимом операционном окне. Нет ничего необычного в ограничении работы погодными условиями, поскольку слабая перемычка может выдерживать только некоторое смещение судна при нормальной эксплуатации. Способность судна сохранять свое рабочее место над скважиной должна уменьшаться с увеличением ветровой и волновой нагрузки, и нормальные пределы изменения положения буровой установки над скважиной должны увеличиваться. Если смещение превосходит некоторый предел, слабая перемычка не должна защищать барьер 5 (барьеры) скважины в варианте блокировки компенсатора вертикальной качки. Поэтому возможность слабой перемычки разрушаться вследствие изгиба может воздействовать на погодное окно операции.
На фиг.4 показаны проблемы, связанные с проектированием слабых перемычек, которые основаны на потере несущей способности, например обычном разрушении ослабленных фланцевых болтов или т.п. На фигуре показана система, где номинальное натяжение системы в слабом звене составляет 100 т (1 т = 1 тонна = 1000 кгс). Система должна работать под давлением, и действие давления на заглушки увеличивает натяжение до более 200 т, на которое слабая перемычка должна быть рассчитана. В проектировании слабой перемычки должны учитываться коэффициенты запаса и разброс в свойствах материала, таким образом, фактическая прочность части может увеличиться до более 400 т. Слабая перемычка должна в нормальных условиях работы также воспринимать некоторый изгибающий момент, который на показанной фигуре, упомянутой выше, увеличивает конструктивную прочность слабой перемычки до около 500 т. Это означает, что в приведенном выше примере слабая перемычка, рассчитанная на максимальное рабочее натяжение 100 т и заданный изгибающий момент, не может быть спроектирована с разрушающей нагрузкой меньше 500 т. В некоторых случаях разрыв между расчетной нагрузкой и минимальной возможной разрушающей нагрузкой больше допустимой прочности в барьере (барьерах) скважины, таким образом, требуется уменьшение рабочих показателей, что также уменьшает область рабочих режимов. Как показывают примеры, тот факт, что слабую перемычку следует проектировать с учетом полного давления и она должна срабатывать как слабая перемычка, когда давления в системе нет, должен быть в системе, работающей под высоким давлением, значительно увеличивать разрыв между рабочей расчетной нагрузкой и минимальной разрушающей нагрузкой в слабой перемычке, основанной на потере несущей способности.
В дополнение к техническим проблемам, связанным с существующими решениями слабых перемычек, основанными на потере несущей способности, имеются также проблемы планирования и стоимости, связанные с обычными системами. Слабая перемычка, основанная на потере несущей способности, требует комплексной программы проверки соответствия для каждого проекта и, в общем, налагает жесткие требования на поставку материалов и контроль свойств материалов частей, выполненных с возможностью разрушения. Данные программы проверки соответствия и дополнительные требования по конкретным свойствам материала часто создают проблемы для графиков выполнения проекта.
На фиг.5 показана обычная характеристика прочности для комбинированного нагружения для барьера 5 (барьеров) скважины, образованная прямой линией, для которой все коэффициенты запаса в конструкции барьера скважины полностью использованы. Данная линия не представляет потери несущей способности барьера (барьеров) скважины, но указывает вычисленную допустимую прочность барьера 5 (барьеров) скважины. Если комбинированные нагрузки превышают данную линию, гарантия целостности барьера (барьеров) скважины отсутствует, и вероятно повреждение барьера (барьеров) и возможно возникновение утечки.
На фиг.6 показано, как нагрузки в райзере 2 и в барьере 5 (барьерах) скважины развиваются в сценарии потери позиции. Когда буровая установка 3 теряет свою позицию, нагрузка в райзере 2 должна вначале оставаться постоянной, поскольку компенсатор вертикальной качки должен завершить ход для поддержания постоянной нагрузки в райзере. Когда компенсатор 1 вертикальной качки завершает рабочий ход, натяжение в райзере 2 должно быстро увеличиваться, как показано в верхней диаграмме нагрузки. Нагрузка в барьере 5 (барьерах) скважины должна также оставаться близкой к постоянной, когда компенсатор 1 вертикальной качки завершает ход (должно происходить некоторое увеличение изгибающей нагрузки в барьере (барьерах), и когда компенсатор 1 вертикальной качки останавливается, аксиальная нагрузка в райзере 2 должна быстро увеличиваться, обуславливая очень высокие изгибающие нагрузки в барьере 5 (барьерах) скважины. В таких аварийных ситуациях существующие слабые перемычки, основанные на потере несущей способности в компоненте райзера, должны в общем достигать характеристики конструктивной прочности с большой задержкой после превышения расчетной допустимой нагрузки барьера (барьеров) скважины.
Цели изобретения
Целью настоящего изобретения является создание надежного, автономного защитного устройства, которое должно защищать целостность барьера (барьеров) скважины в любой аварийной ситуации, в которой могут передаваться чрезмерные изгибающие моменты на барьер 5 (барьеры) скважины и которые могут повреждать барьер (барьеры) скважины.
Целью настоящего изобретения является создание устройства и способа для безопасного, надежного и предсказуемого отсоединения в различных вариантах применения райзера, например системах буровых райзеров, системах райзеров для геотехнических мероприятий, системах райзеров заканчивания/капремонта, гибких эксплуатационных райзеров и шлангов отгрузки и т.д.
Дополнительной целью настоящего изобретения является создание устройства и способа безопасного, надежного и предсказуемого отсоединения различных вариантов применения райзеров и шлангов, при этом устройство и способ создают увеличенную рабочую зону для райзера.
Также дополнительной целью настоящего изобретения является создание устройства и способа с выполнением всех требований проектирования (коэффициенты запаса и т.д.) для нормальной работы, обеспечивающих надежное отсоединение системы райзера в аварийной ситуации, приводящей к созданию чрезмерных изгибающих моментов в барьере (барьерах) скважины или другом критическом компоненте (компонентах).
Возможной целью настоящего изобретения является создание защитных устройств для использования в комбинации с существующими конструкциями слабой перемычки, сконструированными с возможностью защиты барьера (барьеров) скважины от чрезмерной аксиальной нагрузки.
Другой возможной целью изобретения является создание слабой перемычки, при которой высвобождение не зависит от какого-либо вида механического разрушения в слабой перемычке, таким образом, значительно уменьшая необходимость предусматривать в проекте программы проверки соответствия техническим требованиям для документирования высвобождающей нагрузки.
Другой возможной целью изобретения является создание слабой перемычки, при которой предел высвобождения определяется кривизной трубы райзера, и ограничивающую кривизну можно легко корректировать, при этом значительно уменьшается время для проверки соответствия техническим требованиям устройства для одного конкретного проекта.
Сущность изобретения
Данные и другие цели достигаются за счет создания защитного устройства для защиты по меньшей мере одного барьера скважины от чрезмерных изгибающих моментов от райзера, выполненного с возможностью определения критических изгибающих нагрузок в или между по меньшей мере одним барьером скважины и/или райзером, которое согласно изобретению содержит средство определения изменений кривизны между несущей нагрузку трубой райзера и ненагруженным жестким корпусом, прикрепленным к трубе райзера или вблизи трубы, выполненное с возможностью измерения относительного расстояния между несущей нагрузку трубой райзера и ненагруженным жестким корпусом, средство запуска отсоединения разъемного соединителя райзера при достижении расстоянием между несущей нагрузку трубой райзера и ненагруженным жестким корпусом заданного критического расстояния.
Предпочтительно, отсоединения разъемного соединителя райзера при достижении критического расстояния между несущей нагрузку трубой райзера и ненагруженным жестким корпусом выбрано из группы, содержащей механическое средство запуска, электронное средство запуска, гидравлическое средство запуска или любые их комбинации.
Предпочтительно, механическое средство запуска содержит надцентральный механизм, выполненный с возможностью переворота касанием трубы райзера и с возможностью поворота с поворотом фиксирующего диска, который обеспечивает высвобождение подпружиненного фиксирующего пальца, скрепляющего соединитель райзера.
Предпочтительно, механическое средство запуска содержит электрический выключатель, который при контакте с трубой райзера автоматически выполняет пуск электрического исполнительного механизма, инициирующего последовательность отсоединения разъемного соединителя.
Предпочтительно, механическое средство запуска содержит надцентральный механизм, выполненный с возможностью переворота касанием трубы райзера и с возможностью поворота с открытием гидравлического клапана, высвобождающего давление в гидравлическом аккумуляторе для гидравлического выталкивания фиксирующего пальца, скрепляющего соединитель райзера.
Предпочтительно, ненагруженный жесткий корпус содержит несколько дискретных корпусов, прикрепленных к секции трубы райзера.
Предпочтительно, средство определения изменений кривизны между несущей нагрузку трубой райзера и ненагруженным жестким корпусом и средство запуска отсоединения разъемного соединителя райзера при достижении расстоянием между несущей нагрузку трубой райзера и ненагруженым жестким корпусом заданного критического расстояния установлены на ненагруженном жестком корпусе, несущей нагрузку трубе райзера или комбинации того и другого.
Указанные цели также достигаются за счет создания способа защиты по меньшей мере одного барьера скважины от чрезмерных изгибающих моментов от райзера, при котором согласно изобретению определяют изменения кривизны между несущей нагрузку трубой райзера и ненагруженным жестким корпусом, прикрепленным к трубе райзера или вблизи трубы, и при достижении расстоянием между несущей нагрузку трубой райзера и ненагруженным жестким корпусом заданного критического расстояния запускают отсоединение разъемного соединителя райзера.
Предпочтительно, последовательность отсоединения разъемного соединителя инициируют при достижении расстоянием между несущей нагрузку трубой райзера и ненагруженным жестким корпусом заданного критического расстояния и осуществляют высвобождение подпружиненного фиксирующего пальца, скрепляющего соединитель райзера.
Предпочтительно, последовательность отсоединения разъемного соединителя инициируют при достижении расстоянием между несущей нагрузку трубой райзера и ненагруженным жестким корпусом заданного критического расстояния и осуществляют открытие гидравлического клапана с освобождением давления в гидравлическом аккумуляторе для гидравлического выталкивания фиксирующего пальца, скрепляющего соединитель райзера.
Краткое описание чертежей
Далее приведено подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретений со ссылкой на фигуры чертежей, на которых показано следующее.
На фиг. 1 показано судно 3 во время операции капремонта, при этом жесткий райзер 2 подвешен на компенсаторе 1 вертикальной качки на буровой установке и жестко прикреплен к оборудованию устья скважины (по меньшей мере одному барьеру 5 скважины) на морском дне 4. Компенсатор 1 вертикальной качки осуществляет ход вверх и вниз, компенсируя перемещение по вертикали судна 3 на волнах.
На фиг. 2 показана аварийная ситуация, именуемая "блокировка компенсатора вертикальной качки", обуславливающая увеличение натяжения в райзере 2, когда волны поднимают судно вверх. Быстрое увеличение натяжения в райзере должно, в общем, давать в результате чрезмерное осевое нагружение барьера 5 скважины.
На фиг. 3 показана аварийная ситуация, именуемая потерей позиции (вследствие потери якоря, увода или дрейфа), и получающийся в такой ситуации чрезмерный изгиб в барьере 5 скважины после завершения хода компенсатора 1 вертикальной качки.
На фиг.4 показана проблема проектирования слабой перемычки, выполняющей все критерии безопасности в нормальной работе, но одновременно обеспечивающей надежное высвобождение в аварийной ситуации до повреждения барьера скважины. На фигуре показана проблема, относящаяся к ширине поля допуска между выполнением слабой перемычкой всех требований проектирования и пределом прочности при разрушении конструкции той же слабой перемычки.
На фиг.5 показана типичная определенная характеристика комбинированного нагружения для барьера 5 скважины. Характеристика допустимой нагрузки не представляет фактического разрушения барьера скважины, но указывает расчетную характеристику прочности, использованную для аварийных ситуаций, где все коэффициенты запаса сняты. Когда комбинированная нагрузка в барьере 5 скважины превышает данную характеристику прочности, отсутствует гарантия целостности барьера скважины и имеется значительный риск повреждения уплотнения или некоторой формы неустранимого повреждения барьера 5 скважины.
На фиг.6 показана проблема использования слабой перемычки, основанной на потере несущей способности в компоненте райзера для защиты барьера скважины в варианте аварийной ситуации потери позиции. На фигуре показано, как натяжение райзера 2 остается постоянным до завершения хода компенсатора 1 вертикальной качки. В данной точке натяжение должно увеличиваться быстро, и угол α должен обуславливать высокие изгибающие нагрузки в барьере 5 скважины, обуславливая превышение допустимой нагрузки барьера 5 скважины задолго до достижения потери несущей способности слабой перемычки райзера, выполненной с возможностью выхода из строя при работе на растяжение.
На фиг.7 показано, как настоящее изобретение должно работать для защиты барьера 5 скважины в варианте потери судном своей позиции в ситуации увода или дрейфа. На фигуре показано, как определяется допустимая нагрузка на изгиб слабой перемычки, не превышающая предела прочности барьера 5 скважины. Таким образом, при любой изгибающей нагрузке, создаваемой на барьере 5 скважины, изобретение должно обеспечивать управляемое отсоединение райзера до превышения характеристики прочности барьера 5 скважины.
На фиг.8 показано сечение варианта осуществления настоящего изобретения с отсоединяющимся соединителем 6, устройством определения кривизны, состоящим из жесткого корпуса 18, прочно прикрепленного к трубе райзера 2 и содержащего механический спусковой механизм 12, установленный на конце жесткого корпуса 18 и на некотором расстоянии от точки крепления трубы райзера 2. Ограничивающий изгибающий момент в трубе райзера 2 определяется по кривизне, пропорциональной изгибающему моменту в трубе райзера 2. Когда достигается ограничивающий изгибающий момент, кривизна трубы райзера должна создавать контакт со спусковым механизмом 12 между жестким корпусом 18 и трубой райзера 2 и при этом инициировать отсоединение разъемного соединителя 6.
На фиг.9 показана работа устройства в варианте ситуации потери позиции судном, где кривизна трубы райзера должна обеспечивать запуск отсоединения защитного устройства.
На фиг.10 показан один возможный вариант осуществления изобретения с механизмом для высвобождения соединителя 6, когда кривизна в трубе райзера 2 превосходит заданный предел. Высвобождение запускается несколькими надцентральными механизмами 12, которые при контакте с райзером 2 должны переворачиваться, и поворачивает поворачивающийся фиксирующий диск 13. Данный фиксирующий диск 13 скрепляет подпружиненный фиксирующий палец 8, который фиксирует кулачковое устройство или кулачковое кольцо 7 вокруг соединителя. Когда труба райзера 2 контактирует с одним или несколькими надцентральными механизмами или спусковыми механизмами 12, при этом данные механизмы 12 должны переворачиваться, фиксирующий диск 13 должен поворачиваться и подпружиненный фиксирующий палец 8 вытягивается из кулачкового кольца 7, при этом отсоединяется разъемный соединитель 6.
На фиг.11A-C показаны альтернативные конфигурации механизма для запуска отсоединения разъемного соединителя, когда кривизна трубы райзера превосходит заданный предел по изгибающему моменту.
Позиция A показывает альтернативную конфигурацию с использованием нескольких фиксирующих пальцев 8 вокруг периметра трубы райзера 2. В данном случае каждый надцентральный механизм содержит фиксирующее устройство 14 для скрепления фиксирующего пальца 8 напрямую.
Позиция B показывает другой возможный вариант осуществления изобретения, использующий надцентральный механизм, соединенный с электрическим выключателем, который высвобождает фиксирующий палец 8 с помощью электрического исполнительного механизма 15.
Позиция C показывает другой возможный вариант осуществления изобретения, где надцентральный механизм 12 соединяется с электрическим выключателем 15, который при определенных условиях открывает гидравлический клапан, контактирующий с аккумулятором 17, который гидравлически втягивает фиксирующий палец 8 для открытия разъемного соединителя.
На фиг.12 показана последовательность отсоединения возможного варианта осуществления настоящего изобретения с момента, когда по кривизне в трубе райзера 2 активируется надцентральный механизм (механизмы) 12, фиксирующий диск 13 поворачивается, и подпружиненный фиксирующий палец 8 высвобождается. Подпружиненный фиксирующий палец 8 вытягивается из кулачкового кольца 7 соединителя усилием предварительно сжатой пружины 10. Когда фиксирующий палец 8 удаляется, кулачковое кольцо 7 должно открываться под действием сил натяжения в системе или с использованием пластинчатой пружины в кулачковом кольце 7. Когда кулачковое кольцо открывается, верхняя и нижняя часть с раструбами трубы в соединителе должна разделяться, когда фиксаторы 9 соединителя освобождаются для поворота.
На фиг.13 показана в объемном изображении последовательность отсоединения предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения, описанного выше.
Подробное описание изобретения
Защитное устройство согласно настоящему изобретению защищает механическую целостность системы райзера, включающей в себя барьер 5 скважины от чрезмерных изгибающих нагрузок. Для полной защиты системы от комбинированного нагружения устройство следует использовать в комбинации с выпускающимися серийно и имеющимися в продаже конструкциями слабой перемычки, которые защищают систему от чрезмерных аксиальных усилий. Существующие слабые перемычки обычно основаны на разрушении конструкции трубной секции или болтов фланца с уменьшенной площадью рабочего сечения и в обоих случаях рассчитываются на разрушение вследствие высоких аксиальных усилий в части, выполненной с возможностью разрыва. Для оптимизации конструктивного исполнения слабой перемычки и при этом оптимизации критериев работы для райзера капремонта предпочтительно иметь одну конструкцию слабой перемычки для защиты системы райзера только от аксиальной нагрузки и иметь отдельную слабую перемычку, защищающую барьер от чрезмерных изгибающих моментов.
В типичном райзере 2 капремонта устройство настоящего изобретения устанавливается вблизи барьера 5 скважины, где изгибающий момент близок к своему максимуму и аксиально слабая перемычка (обычно на основе существующих конструкций) устанавливается выше в секции райзера 2, где основные нагрузки в системе являются аксиальными.
Для других аварийных сценариев, таких как блокировка компенсатора вертикальной качки, существующие конструкции слабой перемычки должны защищать барьер 5 скважины от чрезмерной аксиальной нагрузки. Настоящее изобретение переразмерено по аксиальной нагрузке, что позволяет не учитывать действие чрезмерной аксиальной нагрузки.
Один вариант осуществления настоящего изобретения содержит секцию трубы райзера с прочностью на изгиб, аналогичной трубе райзера 2. Изгиб в системе райзера определяется по изменению кривизны в секции трубы райзера 2. В одном варианте осуществления изобретения имеется разъемный соединитель 6 ниже устройства определения кривизны. Когда чрезмерный изгиб в трубе райзера 2 определяется пусковым механизмом 12, должно срабатывать высвобождение разъемного соединителя 6.
Изменение кривизны определяется измерением относительного расстояния до ненагруженного жесткого корпуса 18, прикрепленного к райзеру 2 на некотором расстоянии от точки прикрепления ненагруженного жесткого корпуса (см. фиг.8, 9, 11, 12 и 13). В одном варианте осуществления изобретения ненагруженный жесткий корпус 18 является трубчатой секцией снаружи трубы райзера. Вместе с тем, жесткий корпус может иметь любую заданную форму с любым числом углов или может даже представлять собой несколько дискретных жестких корпусов, прикрепленных к секции трубы райзера 2. Поскольку жесткий корпус 18 не подвергается действующим на райзер нагрузкам, данный корпус должен только испытывать угловые повороты при воздействии изгибающих моментов на райзер. Несущий нагрузку райзер 2 должен иметь перемещения жесткого корпуса, которые должны быть идентичными перемещениям ненагруженного жесткого корпуса 18, но должен кроме того изгибаться, при этом создается кривизна несущего нагрузку райзера 2, вызываемая изгибающим моментом в райзере и пропорциональная моменту. Поэтому изменение расстояния между ненагруженным жестким корпусом 18 и несущей нагрузку трубой райзера 2 на месте, расположенном на некотором расстоянии от точки прикрепления к райзеру, должно представлять изгибающий момент в трубе райзера 2.
Соотношение между кривизной райзера и изгибающим моментом в райзере 2 определяется следующим уравнением:
r = EI/M,
где r = радиус райзера (мм);
2
E = модуль упругости стали (Н/мм);
4
I = второй момент инерции (м);
M = момент райзера (Нмм).
c
c
С приближением кривизны в трубе райзера 2 внутри жесткого корпуса 18 к заданному пределу, вычисленному на основе проекта для защиты барьера 5 скважины, кривизна в трубе райзера 2 обеспечивает контакт между трубной секцией 2 и ненагруженным жестким корпусом 18. Благодаря расположению нескольких пусковых механизмов 12 по периметру верха ненагруженного жесткого корпуса 18 создается средство детектирования критической изгибающей нагрузки в или между барьером 5 скважины и/или райзером 2 и заданного критического расстояния d. Понятно, что модификации пускового механизма 12 также дают возможность использования только одного пускового механизма 12, если механизм удерживает кольцо вокруг трубы райзера, при этом детектируя контакт в любом направлении. В таком случае пусковому механизму 12 должен быть обеспечен поворот в любом направлении. После достижения критической изгибающей нагрузки и/или заданного критического расстояния d средство запуска отсоединения разъемного соединителя 6 райзера может приводиться в действие, при этом райзер 2 отсоединяется от барьера 5 скважины. Согласно настоящему изобретению число пусковых механизмов предпочтительно может быть больше 4 и может обычно находиться в диапазоне 10-12 пусковых механизмов по периметру трубы.
В одном возможном варианте осуществления настоящего изобретения пусковые механизмы 12 состоят из надцентрального механизма, прикрепленного к конической звездочке. Когда секция трубы райзера 2 входит в контакт с пусковым механизмом 12, он должен переворачиваться над центром, и коническая звездочка должна поворачивать фиксирующий диск 13, который поддерживает подпружиненный фиксирующий палец 8, скрепляющий разрезное кулачковое кольцо 7. Когда фиксирующий диск 13 поворачивается пусковым механизмом 12, подпружиненный фиксирующий палец 8 высвобождается, при этом отсоединяется разъемный соединитель 6.
Для регулировки изгибающего момента, активирующего высвобождение соединителя 6, регулируется расстояние между секцией 2 трубы райзера и пусковым механизмом 12, прикрепленным к верху жесткого корпуса 18. Уменьшенный разнос должен указывать на низкий изгибающий момент срабатывания высвобождения, и увеличенный разнос должен указывать на более высокий изгибающий момент срабатывания высвобождения соединителя.
Для секции трубы райзера 2 внутри жесткого корпуса 18 радиус по длине ненагруженной трубы 18 должен меняться с изменением жесткости системы. Соотношение между моментом в райзере и смещением верха жесткого корпуса 18 должно определяться проектом. Анализ по проекту требуется для вычисления правильного расстояния между трубой райзера 2 и пусковым механизмом 12 для запуска слабой перемычкой отсоединения райзера 2 при некотором, определенном проектом, максимальном допустимом изгибающим моменте.
На фиг. 10 показаны другие возможные варианты осуществления настоящего изобретения, которые могут также включать в себя использование нескольких дискретных механических пусковых механизмов. Как вариант для запуска высвобождения соединителя или пускового устройства, инициирующего гидравлическое устройство 17 высвобождения соединителя, может применяться электрический выключатель 15 (см. фиг. 11В). Как вариант может использоваться любая комбинация механических пусковых механизмов, гидравлических устройств и электрических устройств.
Разъемный соединитель 6 может быть основан на принципе модифицированного стандартного соединителя, с высвобождающим механизмом, использующим шарнирное и разрезное кулачковое кольцо 7 и подпружиненный фиксирующий палец 8, как показано на фиг. 12 и 13.
Фиксирующий палец 8 может находиться в напряженном состоянии под действием гидравлического устройства любого подходящего вида. Разрезное кулачковое кольцо 7 является преднапряженным для соединения фиксаторов 9 соединителя с достаточной силой, как для конструктивного исполнения нормального соединителя. Для соответствия функции отсоединения разрезное кулачковое кольцо 7 шарнирно соединяется в двух или более местах. Понятно, что шарниров может быть больше или меньше, например 3, 4, 5, 6, или некоторое другое подходящее число. По меньшей мере один из шарниров соединяется с помощью находящегося в напряженном состоянии фиксирующего пальца 8. Фиксирующий палец 8 находится в напряженном состоянии под действием достаточной силы, что обеспечивает возможность отвода фиксирующего пальца из разрезного кулачкового кольца 7, когда разрезное кулачковое кольцо 7 находится под действием предварительного натяжения с максимальной расчетной нагрузкой. Согласно одному варианту осуществления фиксирующий палец 8 находится в напряженном состоянии под действием нагруженной механической пружины 10. Альтернативно можно использовать находящуюся под избыточным давлением гидравлическую систему с клапанами с электронным управлением. Уборка фиксирующего пальца 10 с помощью только электрического управления может являться другим вариантом. Фиксирующий палец 8 скрепляет разрезное кулачковое кольцо 7, пока фиксирующий палец 8 находится на месте. Для отсоединения райзера 2 фиксирующий палец 8 в разрезном кулачковом кольце 7 высвобождается с помощью высвобождения механической пружины 10, альтернативно с помощью открытия гидравлического клапана или любым другим подходящим способом уборки фиксирующего пальца 8. Фиксирующий палец 8 затем вытягивается и освобождается от разрезного кулачкового кольца 7, которое должно затем раскрываться под действием силы натяжения в системе. Фиксаторы 9 соединителя, которые скрепляют фланцы двух секций райзера, затем освобождаются для поворота, и натяжение в райзере 2 должно обеспечивать разведение торцевых поверхностей 11 секций райзера, и райзер 2 отсоединяется от скважины. Радиальные пружины (не показано) могут включать в состав разрезного кулачкового кольца 7 для обеспечения открытия разрезного кулачкового кольца 7, когда фиксирующий палец 8 убирается. Понятно, что высвобождающийся фиксирующий механизм (не показано) можно использовать вместо фиксирующего пальца 8.
Возможные последовательности отсоединения показаны на фиг. 12 и фиг. 13.
В случае определения изменения кривизны в трубе райзера 2 с помощью надцентрального механизма 12, который должен переворачиваться касанием трубы райзера 2 и может быть установлен на несущей нагрузку трубе райзера 2, или на ненагруженном жестком корпусе 18, или на трубе и корпусе, или в любом другом подходящем месте, где изменение кривизны трубы райзера создает смещение для переворота надцентрального механизма.
c
Согласно настоящему изобретению различные виды определяющих средств для определения d могут использоваться. Кроме механических определяющих средств могут использоваться оптические или электронные определяющие средства. Оптические или электронные сигналы можно тогда использовать для приведения в действие пускового механизма.
Возможные преимущества настоящего изобретения можно обобщить следующим образом.
Требование защиты барьера 5 скважины от чрезмерной изгибающей нагрузки должно обычно обуславливаться аварийными сценариями, где происходит потеря позиции судном. Изобретение должно в комбинации с существующими конструкциями слабой перемычки защищать барьер 5 скважины в любом аварийном сценарии, в котором создаются чрезмерные аксиальные силы и чрезмерные изгибающие моменты, которые могут в ином случае повреждать барьер 5 скважины. Кроме того, область рабочих режимов райзера и барьера скважины может значительно увеличиваться, поскольку функциональности слабой перемычки, срабатывающей от изгибающего момента, и слабой перемычки, срабатывающей от аксиального растяжения, разделены и при этом не влияют друг на друга.
Согласно одному аспекту способа и защитного устройства по настоящему изобретению предельный изгибающий момент защитного устройства можно регулировать для обеспечения использования одного защитного устройства в нескольких различных системах райзера 2 с различной прочностью на изгиб. Регулировать предельный изгибающий момент можно, регулируя пространство между ненагруженным жестким корпусом 18 и несущей нагрузку трубой райзера 2 и/или меняя место прикрепления пускового устройства. Пусковой механизм может располагаться на несущей нагрузку трубе райзера 2 и/или на ненагруженном жестком корпусе 18, и понятно, что можно регулировать расстояние до пускового механизма как с одной, так и с двух сторон.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения надлежащее расстояние между несущей нагрузку трубой райзера 2 и ненагруженным жестким корпусом 18 можно определять при проектировании, оценивая соотношение между изгибающим моментом в несущей нагрузку трубе райзера 2 и предельным моментом в барьере 5 скважины.
Согласно настоящему изобретению кривизну несущей нагрузки трубы райзера 2 можно, как упомянуто выше, измерять с помощью мониторинга относительного расстояния d между несущей нагрузку трубой райзера 2 и ненагруженным жестким корпусом 18. Один конец ненагруженного жесткого корпуса 18 может согласно настоящему изобретению прикрепляться к несущей нагрузку трубе райзера 2. Изгибающий момент в несущем нагрузку райзере 2 должен обуславливать поворот жесткого корпуса, а также кривизну в несущей нагрузку трубе райзера 2, при этом кривизна несущей нагрузку трубы райзера 2 должна быть, по существу, пропорциональной моменту в несущей нагрузку трубе райзера 2. Соотношение между моментом в несущий нагрузку трубе райзера 2 и изгибающим моментом на барьере 5 скважины или любом другом критическом компоненте системы можно затем использовать для определения ограничивающего момента несущей нагрузку трубы райзера 2. Ненагруженный жесткий корпус 18, который одним концом прикрепляется к райзеру, должен следовать перемещению жесткого корпуса колонны райзера вследствие изгиба, при этом кривизна трубы райзера, обусловленная изгибающим моментом, не должна возникать в жестком корпусе 18, поскольку последний является ненагруженным. Поэтому относительное смещение или расстояние d между жестким корпусом и несущей нагрузку трубой райзера 2 дает измерение, пропорциональное изгибающему моменту в трубе райзера.
Слабая перемычка с управлением по изгибу согласно настоящему изобретению не основана на потере несущей способности, таким образом, простое многократное испытание обеспечивает документирование надежности и точной высвобождающей нагрузки. Время на определение соответствия установленным требованиям любого проекта для слабой перемычки должно значительно уменьшаться в сравнении с проектами, основанными на разрушении частей несущей нагрузку конструкции.
Возможные преимущества и улучшения по сравнению с известной техникой можно обобщить так: существующие слабые перемычки выполнены с возможностью разрушения при растяжении и поэтому являются подходящими для защиты барьера 5 скважины в аварийных сценариях, включающих в себя высокие аксиальные нагрузки. Для сценариев, включающих в себя высокие изгибающие нагрузки, поскольку растягивающее усилие прикладывается райзером под углом, существующее конструктивное исполнение слабых перемычек не может защитить барьер скважины от чрезмерных изгибающих нагрузок. Настоящее изобретение выполнено с возможностью защиты барьера скважины от чрезмерных изгибающих нагрузок. Существующие конструкции слабых перемычек обычно основаны на разрушении компонента. Настоящее изобретение разработано с разъемным соединителем 6, который выполнен с превышением размеров. Предел высвобождения можно регулировать для разных проектов, при этом экономится значительное время и затраты для обеспечения проектного соответствия установленным требованиям слабой перемычки.
Понятно, что слабую перемычку с управлением по изгибу согласно настоящему изобретению можно использовать для систем райзеров во время бурения после установки противовыбросового превентора на морском дне, во время скважинных геотехнических мероприятий, и во время заканчивания и капремонта. Специалист в данной области техники должен также понимать, что слабую перемычку с управлением по изгибу согласно настоящему изобретению можно использовать для разгрузочных шлангов и других вариантов применения райзеров, как жестких, так и гибких.