СИСТЕМА НАТЯЖЕНИЯ ДЛЯ ВОДООТДЕЛЯЮЩЕЙ КОЛОНКИ С ВЕРХНИМ НАТЯЖЕНИЕМ
MARINE RISER TENSIONER SYSTEM WITH TOP TENSIONING

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение, в общем, относится к области плавучих морских платформ или судов для эксплуатации морских залежей нефти и природного газа. Конкретнее, оно относится к системе и устройству для натяжения водоотделяющих колонок, проходящих от подводного оборудования устья скважины или подводной структуры на плавучую платформу или судно.
Морские платформы для эксплуатации морских залежей нефти и природного газа обычно несут эксплуатационные водоотделяющие колонки, проходящие на платформу от одного или нескольких комплектов оборудования устья скважины или структур на морском дне. В вариантах глубоководного применения обычно используют плавучие платформы (такие как хранилища с беспричальным наливом, платформы с натяжным вертикальным якорным креплением, платформы с увеличенным зазором плавучего основания и полупогружные платформы). Данные платформы подвергаются перемещениям вследствие ветра, волн и течений. Следовательно, водоотделяющие колонки, используемые с такими платформами, должны быть натянутыми для обеспечения перемещения платформы относительно водоотделяющих колонок. Также натяжение водоотделяющей колонки должно поддерживаться, чтобы водоотделяющая колонка не теряла устойчивость при продольном прогибе под действием собственного веса. Соответственно, механизм натяжения должен прикладывать, по существу, постоянное усилие натяжения в водоотделяющей колонке в строго очерченном диапазоне.
Одним широким классом водоотделяющих колонок является категория под названием "водоотделяющие колонки верхнего натяжения". Такие водоотделяющие колонки проходят от подводного оборудования устья скважин под корпус платформы, по существу, вертикально к площади палубы платформы, где они опираются на механизм натяжения, в связи с этим они и называются "водоотделяющими колонками верхнего натяжения." Каждая водоотделяющая колонка верхнего натяжения обычно проходит от точки натяжения водоотделяющей колонки вверх на уровни палуб эксплуатационного оборудования платформы с использованием толстостенной трубы или стволового звена. На вершине трубы или стволового звена находится верхняя оконечность водоотделяющей колонки, где установлено надводное оборудование устья скважины и эксплуатационная фонтанная арматура или регулятор расхода. Платформы с таким устройством называют платформами с "изолированной фонтанной арматурой". Гибкая перемычка, скрепленная с эксплуатационной фонтанной арматурой, обеспечивает перемещение добытых скважинных текучих сред в перерабатывающие установки верхнего строения платформы.
Пассивные цистерны плавучести являются хорошо известным типом механизма натяжения водоотделяющей колонки, который используется в основном в хранилищах с беспричальным наливом. Цистерны плавучести независимо поддерживают каждую водоотделяющую колонку верхнего натяжения, что позволяет платформе перемещаться вверх и вниз относительно водоотделяющей колонки. Это изолирует водоотделяющие колонки от вертикальной качки платформы и исключает любое увеличенное натяжение водоотделяющей колонки, что обусловлено горизонтальным уравновешиванием платформы с реагированием на внешние воздействия морской среды.
Системы гидропневматического натяжителя являются другой формой механизма натяжения водоотделяющей колонки, используемой для поддержания водоотделяющих колонок верхнего натяжения на различных платформах с изолированной фонтанной арматурой. Гидропневматическое натяжение водоотделяющей колонки происходит от несения бурильных водоотделяющих колонок мобильных морских буровых установок. Несколько активных гидроцилиндров с пневматическими аккумуляторами присоединяются между платформой и водоотделяющей колонкой для создания и поддержания нужного натяжения водоотделяющей колонки. Реакция платформы на внешние воздействия среды, в основном вертикальные и горизонтальные перемещения, обуславливающие увеличение осадки корпуса, вызывают необходимость изменений длины водоотделяющей колонки относительно платформы, что, в свою очередь, обуславливает ходы выпуска и втягивания штоков цилиндров натяжения. Пружинное действие, обусловленное сжатием или расширением газа во время хода водоотделяющей колонки, частично изолирует водоотделяющая колонка от незначительных перемещений вертикальной качки платформы с поддержанием почти постоянного натяжения водоотделяющей колонки. Вместе с тем, когда платформе обеспечено существенное горизонтальное уравновешивание, сжатие газа в цилиндрах обуславливает увеличенное давление в цилиндрах и, таким образом, увеличенное натяжение водоотделяющей колонки. Абсолютная величина данного увеличения натяжения водоотделяющей колонки является функцией жесткости водоотделяющей колонки и системы натяжения.
В настоящее время используют два основных типа гидропневматических систем натяжения: "толкающую" систему или систему сжатия и "тянущую" систему или систему растяжения. Обе системы используют гидроцилиндры, имеющие поршни со штоками, соединенными с водоотделяющей колонкой кольцевым устройством натяжения. Толкающие цилиндры установлены со штоками, направленными вверх, и они используют давление, приложенное со стороны поршня цилиндров для создания натяжения водоотделяющей колонки. Штоки поршней эффективно толкают водоотделяющую колонку вверх, заставляя штоки работать на сжатие для натяжения водоотделяющей колонки. В отличие от этого, тянущие цилиндры установлены со штоками цилиндров, направленными вниз. Давление, приложенное в цилиндре со стороны штока, заставляет штоки работать на растяжение, вытягивая водоотделяющую колонку вверх для создания натяжения водоотделяющей колонки.
Тянущие системы натяжителей в настоящее время используют для несения водоотделяющих колонок верхнего натяжения в основном на платформах с натяжным вертикальным якорным креплением. Цилиндры натяжителя могут быть симметрично установлены под колодезной палубой снаружи водоотделяющей колонки с использованием проушин и поворотных петель, или они могут быть установлены аналогичным способом в кассетной раме, затем устанавливающейся на колодезной палубе. Цилиндры наклонены внутрь к узлам крепления водоотделяющей колонки на натяжном кольце. В общем, используют роликовую сборку, установленную на уровне колодезной палубы над натяжным кольцом, для создания боковой опоры водоотделяющей колонки при его проходе через натяжное устройство.
Тянущие натяжители на платформах с натяжным вертикальным якорным креплением разработаны для коротких ходов вследствие малых перемещений от вертикальной качки, отличающих корпус, в соединении с относительно небольшими изменениями длины водоотделяющей колонки, связанными с малым осаживанием корпуса вследствие параллелограммного устройства, образованного платформой, натяжными элементами опоры платформы, водоотделяющими колонками и системой размещения скважин на морском дне. Преимущество состоит в том, что эксплуатационная фонтанная арматура или регулятор расхода на вершине водоотделяющей колонки на платформе с натяжным вертикальным якорным креплением может быть установлена ближе к точке натяжения водоотделяющей колонки, и расстояние между колодцами внутри платформ может быть уменьшено. Это уменьшает изгибающие нагрузки, производимые на участок водоотделяющей колонки над точкой приложения натяжения, то есть верхнее звено водоотделяющей колонки от динамических перемещений надводного эксплуатационного оборудования. Вместе с тем эксплуатационное оборудование для других типов корпусов и конфигураций систем водоотделяющих колонок может быть размещено на некотором расстоянии от точки приложения натяжения. Поскольку, в общем, имеется только один комплект устройств, регулирующих боковое перемещение водоотделяющей колонки (таких как ролики), динамические изгибающие моменты от эксплуатационного оборудования передаются через ролики и натяжное кольцо на водоотделяющую колонку под точкой приложения натяжения. Также колебания вибрации водоотделяющей колонки, вызванные вихреобразованием, могут передаваться через натяжное кольцо на верхнее стволовое звено водоотделяющей колонки, возможно, оказывая воздействие на срок службы по условиям усталостного износа.
При отказе натяжного цилиндра внецентренная нагрузка, генерируемая неравномерным приложением усилий от цилиндров на натяжном кольце, может также обуславливать дополнительные изгибающие моменты, которые должна воспринимать водоотделяющая колонка. Несбалансированные усилия от цилиндров могут также обуславливать одностороннее отклонение водоотделяющей колонки и надводной фонтанной арматуры. Возникновение динамических изгибающих моментов от эксплуатационного оборудования и возможность отказа цилиндра диктуют необходимость установки цилиндров натяжения для обеспечения шарнирного поворота с использованием проушин и поворотных петель. Шарнирная установка исключает необходимость восприятия цилиндрами и опорами цилиндров различных нагрузок. Вместе с тем, поскольку цилиндры, в общем, являются подвешенными сверху, чтобы тянуть верх, и также наклонены внутрь к водоотделяющей колонке, замена отказавшего цилиндра делается более сложной, поскольку цилиндры размещены под палубой, к которой подвешены.
Толкающие системы натяжения являются более новым подходом к натяжению водоотделяющей колонки и уже используются на хранилищах с беспричальным наливом для несения водоотделяющих колонок верхнего натяжения и бурильных водоотделяющих колонок. Обычно четыре-шесть толкающих цилиндров вертикально установлены на палубе платформы. Поршень установлен в каждом из цилиндров, каждый из поршней соединен с проходящим вверх штоком, скрепленным со структурной верхней рамой. Структурная верхняя рама, в свою очередь, несет трубу кондуктора большого диаметра и содержит устройство крепления натяжного кольца к водоотделяющей колонке. Штоки поршней толкают вверх верхнюю раму, которая, в свою очередь, толкает вверх водоотделяющую колонку посредством натяжного кольца. Направляющая труба с двумя группами реактивных роликов создает соединитель с двумя точками приложения усилий для восприятия динамических изгибающих моментов водоотделяющей колонки, создаваемых эксплуатационным оборудованием и отказавшими цилиндрами. Направляющая труба и связанные с ней устройства, предотвращающие вращение, также препятствуют крутящему моменту водоотделяющей колонки, производимому рысканием платформы или судна. Поскольку штоки работают на сжатие и от них требуется сопротивление потере устойчивости под очень большими нагрузками, диаметры штоков превосходят диаметры штоков системы тянущего натяжителя.
В общем, хотя обычные тянущие натяжители, такие как описанные выше, являются меньше, дешевле и более доступными, чем толкающие натяжители, обычная тянущая система натяжителя, в общем, демонстрирует одно или несколько следующих недостатков:
система может не создавать реакции в двух точках динамических изгибающих моментов водоотделяющей колонки, создаваемых надводным эксплуатационным оборудованием, размещенным над точкой натяжения водоотделяющей колонки. Отсутствие реакции в двух точках также допускает возбуждение колебаний от колебаний вибрации водоотделяющей колонки, вызванных вихреобразованием ниже точки приложения натяжения в надводном оборудовании, расположенном над точкой приложения натяжения, таким образом, вредно влияя на его срок службы по условиям усталостного износа. Система может не реагировать адекватно на внецентренные нагрузки при отказавшем цилиндре, таким образом, создавая дополнительные изгибающие моменты водоотделяющей колонки. Система может недостаточно противодействовать вращению водоотделяющей колонки (крутящему моменту), созданному рысканием платформы. Замена отказавшего цилиндра делается более сложной, поскольку требует работ под палубой.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В общем, настоящее изобретение представляет собой тянущую гидропневматическую систему натяжения для водоотделяющей колонки на плавучей платформе, содержащую опорный кондуктор водоотделяющей колонки, коаксиально окружающий водоотделяющую колонку и функционально соединенный с верхним концом водоотделяющей колонки; и множество гидропневматических натяжителей, функционально присоединенных между платформ и нижним концом опорного кондуктора водоотделяющей колонки для приложения тянущего усилия натяжения к опорному кондуктору водоотделяющей колонки, при этом опорный кондуктор водоотделяющей колонки передает тянущее усилие натяжения к верхнему участку водоотделяющей колонки. Система натяжения настоящего изобретения создает восприятие нагрузки на водоотделяющую колонку в двух точках и противодействует вращению водоотделяющей колонки, например, от рыскания платформы.
Более конкретно, система натяжения для водоотделяющей колонки с верхним натяжением на плавучей платформе, согласно варианту осуществления настоящего изобретения, содержит множество гидропневматических натяжителей, содержащих, каждый, поршень с гидроприводом, предназначенный для возвратно-поступательного перемещения в гидроцилиндре и включающий в себя шток поршня, имеющий нижний конец, функционально соединенный с нижним концом опорного кондуктора водоотделяющей колонки посредством соединительного узла опорного кондуктора, узел опоры звена натяжения водоотделяющей колонки, функционально соединяющий верхний конец опорного кондуктора водоотделяющей колонки с верхним концом водоотделяющей колонки, и узел реактивной нагрузки опорного кондуктора, функционально соединяющий опорный кондуктор с платформой для восприятия боковых нагрузок и изгибающих моментов в опорном кондукторе и противодействия вращению опорного кондуктора вокруг его продольной осевой линии.
Гидропневматическое втягивание штоков натяжителя при реагировании на перемещение платформы прилагает направленное вверх усилие на соединительный узел опорного кондуктора. Нагрузки осевого натяжения передаются от натяжителей на нижний конец опорного кондуктора посредством соединительного узла опорного кондуктора и затем от верхнего конца опорного кондуктора на верхний конец водоотделяющей колонки посредством узла опоры звена натяжения водоотделяющей колонки, при этом натягивая водоотделяющую колонку.
Система натяжения настоящего изобретения предназначена в основном для использования в хранилищах с беспричальным наливом, платформах с увеличенным зазором плавучего основания платформ и полупогружных платформах для несения водоотделяющих колонок с верхним натяжением.
Номинальные рабочие ходы около 28 футов (около 9 метров) и номинальные рабочие нагрузки натяжения около 1500 тыс. фунтов (681 тс) - 2000 тыс. фунтов (908 тс) являются типичными, но могут меняться для соответствия конкретным вариантам применения системы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 показан вид сбоку, частично в разрезе, морской платформы, включающей в себя систему натяжения согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, содержащую гидропневматический натяжитель, в общем, в номинальном положении хода.
На фиг.2 аналогично фиг.1 показан гидропневматический натяжитель, установленный, в общем, в максимально верхнем положении хода.
На фиг.3 аналогично фиг.1 показан гидропневматический натяжитель, установленный в максимально нижнем положении хода.
На фиг.4 показан вид узла реактивной нагрузки, согласно варианту осуществления настоящего изобретения, по линии 4-4 фиг.1.
На фиг.5 показан детальный вид сечения соединительного узла кондуктора, согласно варианту осуществления настоящего изобретения, по линии 5-5 фиг.6.
На фиг.6 показан вид сечения соединительного узла кондуктора по линии 6-6 фиг.5.
На фиг.7 показан детальный вид сбоку узла опоры звена натяжения водоотделяющей колонки, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг.8 - вид в плане варианта осуществления узла восприятия боковой нагрузки опорного кондуктора, который может использоваться в узле реактивной нагрузки, показанном на фиг.4.
На фиг. 9 - вид в плане варианта осуществления узла восприятия боковой нагрузки опорного кондуктора, который может использоваться в узле реактивной нагрузки, показанной на фиг.4.
На фиг.10 представлена схема гидропневматической системы, используемой для управления работой гидропневматических натяжителей согласно настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
При использовании в данном документе термины "изобретение" и "настоящее изобретение" следует понимать охватывающими изобретение, описанное в данном документе в его различных вариантах осуществления и аспектах, а также любые эквиваленты, которые могут предлагать специалисты в соответствующих областях техники.
На фиг.1-3 показана морская платформа 100, содержащая систему натяжения, согласно настоящему изобретению. Платформа 100 может являться, например, платформой типа хранилища с беспричальным наливом, платформой с натяжным вертикальным якорным креплением, платформой с увеличенным зазором плавучего основания или полупогружной платформой или судном типа, используемого для бурения и добычи углеводородов из морских залежей (далее по тексту плавучая платформа). Система натяжителя настоящего изобретения, как описано ниже, может являться подходящей для использования на морской плавучей платформе с изолированной фонтанной арматурой, на которой буровое и эксплуатационное оборудование располагается над ватерлинией. Буровое и эксплуатационное оборудование обеспечивает доступ к углеводородному коллектору с использованием, по меньшей мере, одной вертикальной трубы или водоотделяющей колонки, проходящей вниз от платформы к соединению с подводным оборудованием устья скважины (не показано). Обычно водоотделяющая колонка представляет собой колонну из соединенных звеньев водоотделяющей колонки. Для осуществления операций бурения и добычи необходимо поддерживать натяжение водоотделяющей колонки относительно плавучей платформы, и водоотделяющая колонка с верхним натяжением получает такое усилие натяжения на верхнем участке водоотделяющей колонки, размещенном над ватерлинией. Водоотделяющая колонка 101 с верхним натяжением показана как единичная вертикальная труба, только для иллюстрации и может содержать множество соединительных звеньев в объеме настоящего изобретения. Выбранные варианты осуществления системы натяжителя могут быть выполнены для использования плавучими платформами с изолированной фонтанной арматурой, имеющими водоотделяющую колонку с верхним натяжением, включающими в себя, без ограничения, платформы любого из типов, упомянутых выше. Плавучая платформа 100, показанная на чертежах, и водоотделяющая колонка 101 являются примерами плавучей платформы типа хранилища с беспричальным наливом и водоотделяющей колонки верхнего натяжения, соответственно, которые можно использовать в вариантах практического применения на сверхбольших морских глубинах.
Как показано на фиг.1, плавучая платформа 100 может включать в себя главную палубу 112 и технологическую палубу 114. В случае необходимости, разборная рабочая платформа 116 может быть установлена для обеспечения доступа персонала для выполнения таких задач, как соединение водоотделяющей колонки с системой натяжителя, подлежащей описанию в данном документе. Обычно главная палуба 112 несет морское оборудование хранилища с беспричальным наливом и верхнее строение платформы, включающее в себя буровую и эксплуатационную палубу (не показано) для несения бурового и эксплуатационного оборудования платформы (не показано), устройств управления давлением и устройства регулирования расхода текучих сред из коллектора (не показано). Технологическая палуба 114 размещена под главной палубой 112 и ее могут использовать для обвязки оборудования и плановых проверок и техобслуживания. Когда она присутствует, разборную рабочую платформу 116 также могут использовать для обвязки оборудования и проверок и техобслуживания и ее могут размещать над главной палубой 112, или ее могут устанавливать сверху цилиндров натяжения, описанных ниже, опирающейся на цилиндры.
В общем, водоотделяющая колонка 101 с верхним натяжением соединена в устройстве с изолированной фонтанной арматурой с эксплуатационным оборудованием (не показано), расположенным, например, на главной палубе 112 или над ней. Система натяжителя настоящего изобретения, как описано ниже, несет водоотделяющую колонка 101 верхнего натяжения, выставленная по вертикальной осевой линии 105, относительно плавучей платформы 100.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, являющемуся примером, система натяжения водоотделяющей колонки 101 с верхним натяжением содержит множество тянущих гидропневматических натяжителей 120 (предпочтительно четыре), опорный кондуктор 150 водоотделяющей колонки, узел 400 реактивной нагрузки (фиг.4, 8 и 9), соединительный узел 500 опорного кондуктора (фиг.5 и 6) и узел 700 опоры звена натяжения водоотделяющей колонки (фиг.7). В общем, опорный кондуктор 150 водоотделяющей колонки может снимать напряжения изгиба и кручения, которые, в противном случае, могут воздействовать непосредственно на водоотделяющую колонку 101 или могут передаваться водоотделяющей колонкой 101 обратно на платформу 100. Такие напряжения могут разрушительно воздействовать на целостность и срок службы водоотделяющей колонки 101, особенно в условиях сильного волнения моря. Натяжители 120, и узлы 400, и узлы 500 и 700 взаимодействуют с опорным кондуктором 150 водоотделяющей колонки для приложения компенсирующего усилия натяжения к вертикальной водоотделяющей колонке 101 и реагируют на относительные перемещения платформы, наведенные в плавучей платформе 100. Относительные перемещения платформы могут быть обусловлены волнами, течениями, ветрами и другими силами, обычными для морской окружающей среды с большими глубинами, и могут включать в себя сложные линейные и вращательные перемещения, такие как вертикальная качка, килевая качка, рыскание или их комбинации. На фиг.1, 2 и 3 узел 400 реактивной нагрузки для упрощения показан вращающимся относительно гидропневматических натяжителей 120. На фиг.4, 8 и 9 показана типичная ориентация узла 400 реактивной нагрузки и составляющих его элементов относительно гидропневматических натяжителей 120.
Гидропневматические натяжители 120 создают усилия натяжения в опорном кондукторе 150 водоотделяющей колонки, использующиеся для стабилизации водоотделяющей колонки 101 относительно платформы 100 посредством соединительного узла 500 и узла 700 звена натяжения водоотделяющей колонки. Соединительный узел 500 кондуктора передает усилия натяжения от гидропневматических натяжителей 120 на опорный кондуктор 150 водоотделяющей колонки и узел 700 звена натяжения водоотделяющей колонки. Узел 700 звена натяжения водоотделяющей колонки, в свою очередь, может использовать свою жесткость (прочность на изгиб) для сопротивления боковому (поперечному) изгибу и вращению (кручению) водоотделяющей колонки 101 и для уравновешивания статических сил водоотделяющей колонки, включающих в себя вес водоотделяющей колонки 101. Предпочтительно, узел 400 реактивной нагрузки создает компенсирующие реактивные усилия на нагрузки, приложенные к водоотделяющей колонке 101 и связанные с ней структуры, включающие в себя, без ограничения этим, нагрузки, создающие изгибающие моменты и боковые усилия.
Каждый из гидропневматических натяжителей 120 является тянущим гидропневматическим натяжителем, прикладывающим тянущее усилие натяжения к верхнему участку водоотделяющей колонки 101. В зависимости от требований конкретного варианта применения можно иметь четыре или шесть или больше гидропневматических натяжителей 120, установленных на упругой подвеске на плавучей платформе, в общем, с симметричным устройством. Каждый гидропневматический натяжитель 120 включает в себя цилиндр 125 и шток 130 поршня, имеющий первый или верхний конец, соединенный с поршнем 136 (фиг. 10), установленный с возможностью скольжения в цилиндре 125 для осевого возвратно-поступательного перемещения в нем. Каждый шток 130 поршня имеет второй или нижний конец 131, соединенный с водоотделяющей колонкой 101 посредством опорного кондуктора 150, как описано ниже. Каждый из гидропневматических натяжителей 120 является тянущим натяжителем, при этом изменения в нагрузках на водоотделяющую колонку и в положении платформы обуславливают перемещение штоков 130 вверх и вниз в соответствующих цилиндрах 125 с полезным действием, состоящим в том, что перемещение штока 130 прикладывает тянущее усилие натяжения к верхнему участку водоотделяющей колонки 101. Кроме того, гидропневматические натяжители 120 выполнены как устройства натяжения с длинным ходом, в которых соответствующие цилиндры 125 и штоки 130 выполнены с возможностью компенсации больших относительных смещений между водоотделяющей колонкой и платформой, испытываемых, например, на сверхбольших морских глубинах. Поэтому гидропневматические натяжители 120 можно именовать гидропневматическими натяжителями 120 с длинным ходом.
2
2
2
2
Как показано на фиг.10, цилиндр 125 каждого натяжителя 120 гидравлически соединен на нижнем конце (сторона штока) с емкостью 137 рабочей жидкости гидросистемы, находящейся под давлением от пневматического аккумулятора 138 высокого давления. Верхний конец (сторона поршня) цилиндра 125 гидравлически соединен с гидравлическим аккумулятором 139 низкого давления. Газ, такой как азот или осушенный воздух, относительно высокого давления (например, около 1500 фунт/дюйм(105 кг/см), подается из пневматического аккумулятора 138 высокого давления к рабочей жидкости 140 гидросистемы в емкости 137, подавая рабочую жидкость гидросистемы к дну стороны штока поршня 136, при этом приводя поршень 136 в движение вверх в цилиндре 125 для втягивания штока 130 (то есть перемещения его вверх в цилиндре 125), таким образом, вытягивая опорный кондуктор 150 вверх через соединительный узел 500 и, в свою очередь, натягивая водоотделяющую колонку 101. Смазка 141 на основе масла или воды может быть создана сверху поршня 136 от аккумулятора 139 низкого давления с относительно низким давлением (например, около 200 фунт/дюйм(14 кг/см)) для создания внутренней смазки поршневых уплотнений 142. Приложение давления газа от пневматического аккумулятора 138 высокого давления и давления рабочей жидкости от гидравлического аккумулятора 139 низкого давления регулируется обычными механизмами управления (не показано), работой которых управляют с пульта управления, который можно создать на главной палубе 112. Кроме того, стравливание избыточного давления для пневматического аккумулятора 138 высокого давления и гидравлического аккумулятора низкого давления можно обеспечить обычными "выпускными" предохранительными клапанами 143, 144, соответственно, хорошо известными в данной области техники.
Выбранные варианты осуществления натяжителей 120 можно выполнить для производства полной номинальной рабочей нагрузки натяжения около 1500 тыс. фунтов (681 тс), максимально, около 2,000 тыс. фунтов (908 тс). Вместе с тем, натяжители 120 также можно выполнить для производства большей или меньшей нагрузки натяжения согласно требованиям варианта применения. Необходимо, чтобы гидропневматические натяжители 120 являлись пассивными, в которых можно осуществлять мониторинг внутреннего давления натяжителей и регулировать его с местного пульта пневматического управления (не показано), обычного образца, который может поддерживать связь с различными датчиками (не показано), такими как датчики давления и хода штока, генерирующими сигналы, передаваемые на пульт управления. Пульт управления также используют в первоначальной установке водоотделяющей колонки для регулирования внутреннего давления натяжителей для получения надлежащего натяжения водоотделяющей колонки. После этого пульт используют только для мониторинга, если не возникает необходимость при производстве работ в увеличении или уменьшении давления в цилиндрах и, таким образом, натяжения водоотделяющей колонки.
Как показано на фиг.1-3, каждый из гидропневматических натяжителей 120 установлен с упругой подвеской на главной палубе 112 на опорном узле натяжителя, который может включать в себя фланец 133 цилиндра и податливый опорный элемент 135 с гибким вкладышем, соответственно. Фланец 133 цилиндра скреплен вокруг цилиндра 125 около середины его длины. Опорные элементы 135 с гибким вкладышем установлены на главную палубу 112 и выполнены с возможностью упругого соединения с фланцем 133 цилиндра, соответственно. Необходимо, чтобы опорные элементы 135 с гибким вкладышем были достаточно гибкими для обеспечения незначительных поворотов цилиндра 125, которыми стремятся уменьшить нежелательные боковые нагрузки, которые могут передаваться на шток 130 поршня и относящиеся к нему уплотнения. Опорные элементы 135 с гибким вкладышем также служат выносными вкладышами для демпфирования нагрузок ударов штоков 130 поршня по концам цилиндров или стволов 125 в маловероятном случае достижения дна штоком поршня.
На фиг.2 и 3 показан вариант осуществления гидропневматических натяжителей 120, в котором цилиндры 125 натяжителей, связанные с ними штоки 130 поршней выполнены с возможностью создания номинальной амплитуды хода около 28 футов (8,5 м), включающей в себя ход вверх около 7 футов (2,1 м) и ход вниз около 21 фута (6,4 м). Натяжители 120 могут быть выполнены для создания любой необходимой комбинации хода вверх и хода вниз в полном диапазоне хода штока 130 поршня. На фиг.2 гидропневматические натяжители 120 показаны расположенными, в общем, в положении с максимальным ходом вверх, а на фиг.3 натяжители 120 показаны, в общем, в положении с максимальным ходом вниз.
Опорный кондуктор 150 водоотделяющей колонки представляет собой вертикальную трубу с внутренним диаметром больше наружного диаметра водоотделяющей колонки 101. Опорный кондуктор 150 установлен, в общем, коаксиально вокруг водоотделяющей колонки 101, относительно осевой линии 105 водоотделяющей колонки и проходит вниз от платформы 100 в направлении к морскому дну. В общем, водоотделяющая колонка 101 пропущена через опорный кондуктор 150 и установлена в нем так, чтобы водоотделяющая колонка 101 поддерживалась в коаксиальном положении в опорном кондукторе 150. Опорный кондуктор 150 водоотделяющей колонки передает усилие натяжение от плавучей платформы 100 на водоотделяющую колонку 101, удерживает водоотделяющую колонку 101 от линейного перемещения и вращения и воспринимает изгиб и боковые нагрузки, приложенные к водоотделяющей колонке 101 с использованием элементов узла 400 восприятия боковой нагрузки, описанных ниже. Опорный кондуктор 150 водоотделяющей колонки предпочтительно выполнен со стыком с натяжным кольцом кондуктора (описано ниже и показано на фиг.5), выполненным с возможностью контакта с соединительным узлом 500 и приема усилий натяжения, передаваемых соединительным узлом 500 от гидропневматических натяжителей 120. В варианте осуществления, являющемся примером платформы с использованием системы натяжения настоящего изобретения, опорный кондуктор 150 водоотделяющей колонки может представлять собой трубу с внутренним диаметром около 50 дюймов (127 см), с толщиной стенки около одного дюйма (2,5 см). Водоотделяющую колонку 101 также можно удерживать выставленной коаксиально относительно опорного кондуктора 150, например, с использованием верхнего центратора 180 водоотделяющей колонки и податливого нижнего центратора 190 водоотделяющей колонки. Нижний центратор 190 может предпочтительно включать в себя обжимной подшипник 195 для создания радиального контакта между опорным кондуктором 150 водоотделяющей колонки и водоотделяющей колонкой 101. Радиально податливая опора, создаваемая нижним центратором 190 водоотделяющей колонки, подавляет вибрации водоотделяющей колонки, вызванные вихреобразованием, возникающие в водоотделяющей колонке 101 в окрестности кондуктора 150.
На фиг.4 показан вариант осуществления узла 400 реактивной нагрузки, которая может быть установлена на платформе 100 для восприятия боковых нагрузок и изгибающих моментов, генерируемых в опорном кондукторе 150 водоотделяющей колонки, например, перемещениями водоотделяющей колонки 101, эффектом "флагштока" от действия эксплуатационного оборудования на верхний конец водоотделяющей колонки или отказом натяжителя 120. Узел 400 реактивной нагрузки может включать в себя два узла 405, 410, воспринимающих боковую нагрузку, для создания пары сил реакции на изгибающий момент кондуктора. Верхний узел 405, воспринимающий боковую нагрузку кондуктора, может находиться на верхней поверхности главной палубы 112 или над ней, а нижний узел 410, воспринимающий боковую нагрузку кондуктора, может быть установлен на нижней поверхности главной палубы 112 или под ней. Может быть необходима установка распорной детали 415 между главной палубой 112 и нижним узлом 410, воспринимающим боковую нагрузку кондуктора, для увеличения расстояния между узлами 405, 410, воспринимающими боковую нагрузку кондуктора, для улучшения тем самым сопротивления изгибающему моменту. Узлы 405, 410, воспринимающие боковую нагрузку кондуктора, могут включать в себя узлы с роликами, воспринимающими боковую нагрузку, показанными на фиг.8, или узлы с 910 опорными накладками, воспринимающими боковую нагрузку, показанными на фиг.4 и 9, описанные более подробно ниже.
На фиг.5 и 6 показан вариант осуществления соединительного узла 500 опорного кондуктора с натяжителями 120. В варианте осуществления изобретения, являющемся примером, с использованием четырех гидропневматических натяжителей 120, соединительный узел 500 опорного кондуктора может иметь форму натяжного кольца 510 кондуктора, от которого радиально отходят несколько (в примере, четыре) кронштейнов 520 натяжного кольца. Кронштейны 520 натяжного кольца могут быть встроенными в натяжное кольцо 510 кондуктора или могут представлять собой пластины, прикрепленные к натяжному кольцу 510 кондуктора и радиально выступающие от кольца. Кронштейны 520 натяжного кольца рассставлены, в общем, симметрично вокруг внешнего периметра натяжного кольца 510 кондуктора с пространственным расположением, соответствующим расположению натяжителей 120. Каждый из кронштейнов 520 натяжного кольца выполнен и размещен с возможностью соединения с нижним концом 131 соответствующего штока поршня. Каждый кронштейн натяжного кольца 520 предпочтительно заканчивается во вкладыше 540, воспринимающем нагрузку с несущей поверхностью, выполненной для размещения соединительной натяжной гайки 560 и контакта с ней, для удержания нижних концов 131 штоков поршней способом, обеспечивающим некоторое относительное перемещение между каждым штоком 130 и его соответствующим кронштейном 520 натяжного кольца.
Внутренняя поверхность натяжного кольца 510 предпочтительно выполнена с конфигурацией опорной поверхности для создания стыка кондуктора с натяжным кольцом. В варианте осуществления, являющемся примером, стык кондуктора с натяжным кольцом содержит множество (в примере, восемь) охватывающих пазов 570 в форме буквы J, вырезанных на металлорежущем станке в опорном кондукторе 150, и аналогичного числа стыковочных шипов 580, выступающих из поверхности корпуса натяжного кольца 510 кондуктора. Пазы 570 в форме буквы J в кондукторе могут совмещаться со стыковочными шипами 580 кондуктора, после чего опорный кондуктор 150 поворачивают на 1/8 оборота по часовой стрелке (если смотреть вниз), и выполнены с возможностью надежного, но разъемного присоединения натяжного кольца 510 кондуктора. Таким образом, нагрузки натяжения, генерируемые на штоках 130 поршней, могут передаваться, соответственно от нижних концов 131 штоков на кронштейны 520 натяжного кольца, выступающие от натяжного кольца 510. Затем нагрузки натяжения могут передаваться на опорный кондуктор 150 посредством стыкующихся опорных поверхностей, образованных между шипами 580 натяжного кольца кондуктора и верхом пазов 570 в форме буквы J в опорном кондукторе 150.
На фиг. 7 показан вариант осуществления узла 700 опоры звена натяжения водоотделяющей колонки, которая может включать в себя опорную головку 705 звена натяжения, скрепленную с верхом опорного кондуктора 150, обойму 710 подвески, регулирующую звено натяжения, контактирующей по периметру со звеном 715 натяжения водоотделяющей колонки, которое последовательно соединено с верхним концом водоотделяющей колонки 101. Узел 700 передает усилия натяжения, прилагаемые гидропневматическими натяжителями 120 на опорный кондуктор 150 водоотделяющей колонки, на вертикальную водоотделяющую колонку 101. Узел 700 также стремится удерживать водоотделяющую колонку 101 в необходимом положении, выставленную по вертикальной осевой линии 105 коаксиально с опорным кондуктором.
В общем, опорная головка 705 контактирует с обоймой 710 подвески, которая, в свою очередь, контактирует по периметру (не напрямую, как рассмотрено ниже) со звеном 715 натяжения водоотделяющей колонки. Конкретно, множество отводящихся упоров 707 с уступом поворотно прикреплены вокруг верхнего конца опорной головки 705. Упоры 707 выполнены с возможностью поворота в направлении радиально внутрь и наружу относительно осевой линии 105. Когда упоры 707 отводят, поворачивая их в направлении радиально наружу, обеспечивается доступ во внутренний объем опорного кондуктора 150 для обеспечения, например, установки водоотделяющей колонки 101 со спуском его через опорный кондуктор 150 водоотделяющей колонки. Когда упоры 707 устанавливают, поворачивая их в направлении радиально внутрь, упоры 707 контактируют со стыкующимся уступом на внешней периферии обоймы 710, регулирующей звено натяжения.
Внутренняя периферийная поверхность обоймы 710 наклонена в направлении радиально внутрь сверху вниз для стыковки с аналогично наклоненными или конусными внешними поверхностями пары полукруглых участков 711 внутренней периферии обоймы 710. Внутренние поверхности контактных участков 711 выполнены с возможностью контакта и стыковки с резьбовым или снабженным канавками звеном 725 в звене 715 натяжения водоотделяющей колонки. Обойма 710 звена натяжения съемно фиксируется к соединительным участкам 711 парой полукруглых захватывающих пластин 712, каждая из которых крепится к обойме 710 крепежным элементом, таким как винт с головкой под ключ или болт 713. Внутренняя периферия каждой из захватывающих пластин 712 стопорится в стопорном элементе 714 пластины с пазом на верхней поверхности каждого из контактных участков 711. При удалении винтов с головкой под ключ или болтов 713 и, таким образом, высвобождения захватывающих пластин 712 положение обоймы 710 звена натяжения и контактного участка 711 можно регулировать относительно звена 715 натяжения для обеспечения надлежащей подгонки длины водоотделяющей колонки относительно подводного оборудования устья скважины (не показано), верха опорного кондуктора 150 водоотделяющей колонки и опорной головки 705 звена натяжения. Внешняя поверхность каждого из контактных участков 711 предпочтительно снабжена, по меньшей мере, одним блоком 716, противодействующим вращению, размещенным в стыковочном пазе 717 во внутренней периферии обоймы 710, чтобы обойма 710 не могла вращаться относительно контактного участка 711. Как показано на фиг.7, второй верхний центратор водоотделяющей колонки 181, соединяющий внутреннюю поверхность стенки опорного кондуктора 150 и внешнюю поверхность водоотделяющей колонки 101, может быть расположен на небольшом расстоянии ниже узла 700 опоры звена натяжения водоотделяющей колонки.
На фиг.8 и 9 показаны два альтернативных узла, воспринимающих боковую нагрузку опорного кондуктора, которые могут являться подходящими для использования в качестве узлов 405, 410, воспринимающих боковую нагрузку, опорного кондуктора в узле 400 реактивной нагрузки. Узел, воспринимающий боковую нагрузку опорного кондуктора фиг.9, является аналогичным узлу, частично показанному на фиг.4, тогда как узел, воспринимающий боковую нагрузку опорного кондуктора фиг.8, является альтернативным вариантом осуществления, который также можно использовать. На каждой из фиг.8 и 9 опорный кондуктор 150 водоотделяющей колонки снабжен множеством радиально выступающих стабилизирующих элементов кондуктора, контактирующих в узле стабилизирующего контакта, созданного соответствующими узлами 405, 410, воспринимающими боковую нагрузку опорного кондуктора для обеспечения, в общем, направления по осевой линии опорного кондуктора 150 и, следовательно, водоотделяющей колонки 101.
На фиг.8 показан верхний узел 800, воспринимающий боковую нагрузку опорного кондуктора, который можно использовать, как верхний узел 405, воспринимающий боковую нагрузку опорного кондуктора, упомянутый выше. Компоненты узла 800, описанные ниже, установлены, в общем, на кольцевом опорном элементе 812, неподвижно закрепленном на верхней поверхности главной палубы 112. Очевидно, что аналогичный узел 800 можно использовать, как нижний узел 410, воспринимающий боковую нагрузку опорного кондуктора, в данном варианте компоненты устанавливают на аналогичном опорном элементе, неподвижно закрепленном на нижней поверхности главной палубы 112, или конструкции распорной детали 415, показанной на фиг.4.
В варианте осуществления фиг.8 радиально выступающие стабилизирующие элементы выполнены в виде радиально выступающих стабилизирующих пластин 801, и узел 800, воспринимающий боковую нагрузку опорного кондуктора, включает в себя узлы стабилизирующего контакта, содержащего множество воспринимающих боковую нагрузку роликов 810 расположенных парами, каждая из которых соединена с одной из стабилизирующих пластин 801. Ролики 810 установлены на опорном элементе 812, который, как упомянуто выше, неподвижно закреплен на верхней поверхности главной палубы 112. Опорный элемент 812 имеет центральное отверстие 814 для прохода через него кондуктора 150 и конфигурацию внешней периферии, содержащую вырезы 816, вмещающие цилиндры 125 натяжителей 120. Контакт между стабилизирующими пластинами 801 и роликами 810 противодействует силам вращения кондуктора 150 вокруг осевой линии 105. Ролики 810 могут предпочтительно быть выполнены с регулировкой установки как для приближения к стабилизирующим пластинам 801, так и удаления от них для компенсации допусков при изготовлении и общего несовпадения между компонентами для достижения надлежащего контакта между роликами 810 и стабилизирующими пластинами 801.
На фиг. 9 узел 900, воспринимающий боковую нагрузку опорного кондуктора, показан как верхний узел 405, воспринимающий боковую нагрузку опорного кондуктора фиг.4. Также понятно, что аналогичный узел 900 можно использовать, как нижний узел 410, воспринимающий боковую нагрузку опорного кондуктора. Следующее описание включает в себя компоненты, установленные на опору 914. В варианте верхнего узла 405, воспринимающего боковую нагрузку опорного кондуктора, опора 914 неподвижно закреплена на верхней поверхности главной палубы 112, тогда как в варианте нижнего узла 410, воспринимающего боковую нагрузку опорного кондуктора, опора неподвижно закреплена на нижней поверхности главной палубы, или к распорной детали 415, показанной на фиг.4.
В варианте осуществления фиг.9, радиально выступающие стабилизирующие элементы 901 являются трубчатыми, и узел 900, воспринимающий боковую нагрузку опорного кондуктора, включает в себя узел стабилизирующего контакта, содержащий множество узлов 910 упругих упоров, воспринимающих боковую нагрузку, при этом каждый узел 910 упоров контактирует с одним из стабилизирующих элементов 901. Каждая пара узлов 910 упоров установлена в фиксаторе 912 с регулировкой установки, и фиксаторы 912, в свою очередь, установлены на опоре 914, неподвижно закрепленной на палубе 112, как упомянуто выше. Опора 914 имеет центральное отверстие 916 для прохода кондуктора 150. Внешняя периферия опоры 914 выполнена с множеством вырезов 918, вмещающих цилиндры 125 натяжителей 120. Каждый из узлов 910 упоров содержит устройство с вкладышами (металлическими или неметаллическими), и контакт между стабилизирующими элементами 901 и соответствующими узлами 910 упоров служит для противодействия силам вращения на кондукторе 150. Фиксаторы 912 предпочтительно выполнены с регулировкой установки подходящим средством, таким как устройство с регулировочными болтами 920 для компенсации допусков при изготовлении и общего несовпадения между компонентами.
Из приведенного выше описания должно быть ясно, что траектория действия осевой нагрузки водоотделяющей колонки от верхнего участка водоотделяющей колонки 101 до палубы хранилища с беспричальным наливом, на которую опираются натяжители (то есть главной палубы 112), проходит через узел 700 опоры звена натяжения водоотделяющей колонки, затем на верхний конец опорного кондуктора 150. Оттуда осевая нагрузка передается через стенку опорного кондуктора вниз на узлы крепления нижних концов 131 штоков поршней и кронштейнов 520 натяжного кольца. Натяжение водоотделяющей колонки создается штоками 130 поршней натяжителя, которые фактически передвигаются гидравлическим давлением, созданным цилиндром 125 натяжителя, заряженным азотом или осушенным воздухом из взаимосвязанного с ним пневматического аккумулятора 138 высокого давления. Аналогичное давление тянет цилиндр 125 вниз к несущей конструкции платформы (такой как главная палуба 112), таким образом завершая траекторию движения нагрузки от верхнего участка водоотделяющей колонки до несущей конструкции платформы. В отличие от этого натяжители предшествующего уровня техники подвергают опорный кондуктор паре боковых нагрузок и изгибающему моменту, прикладываемым к верху опорного кондуктора с действием эффекта флагштока от надводного оборудования. Настоящее изобретение, с другой стороны, использует увеличенную площадь поперечного сечения опорного кондуктора 150 для несения осевой нагрузки в режиме работы на сжатие, кроме того, для создания боковой опоры верхнего участка водоотделяющей колонки вблизи его верха или верхнего конца.
Как должно быть ясно из подробного описания, приведенного выше, настоящее изобретение предлагает значительные преимущества, включающие в себя, без ограничения этим, следующее: величина хода и натяжения может быть регулируемой для использования широкого диапазона систем водоотделяющей колонки; цилиндры гидропневматических натяжителей устанавливаются и работают вертикально, что обеспечивает простое снятие отказавшего натяжителя для техобслуживания и ремонта, требующего ограниченных работ под палубой; опорный кондуктор можно устанавливать вертикально и можно соединять с натяжным кольцом кондуктора простым поворотом на 1/8 оборота в соединении с запорным клином; шток поршня можно соединять с натяжным кольцом кондуктора посредством простой натяжной гайки со сферическим вкладышем; использование опорного кондуктора обеспечивает центрирование водоотделяющей колонки до входа в контакт с натяжным кольцом во время установки, что также предпочтительно продлевает срок службы водоотделяющей колонки по усталостному износу; опорный кондуктор и элементы, воспринимающие боковые нагрузки, противодействуют вращению водоотделяющей колонки и изгибающим моментам на кондукторе водоотделяющей колонки, возникающим вследствие нагрузок на водоотделяющую колонку, действию "эффекта флагштока" от оборудования над натяжным кольцом, или отказа натяжителя; податливый нижний центратор водоотделяющей колонки создает механизм подавления вибраций водоотделяющей колонки, вызванных вихреобразованием; податливые опорные элементы 135 гибкой опоры поглощают ударную нагрузку в случае касания дна поршнем во время, например, чрезвычайного события внешнего воздействия; узел 700 опоры звена натяжения (конкретно обойма 710 и упоры 707 с уступом) обеспечивают возможность касания верха штоком поршня без повреждения опорного кондуктора водоотделяющей колонки с последующим возможным высвобождением водоотделяющей колонки.
Описанные выше варианты осуществления настоящего изобретения приведены только в качестве примеров. Данные варианты осуществления никоим образом не являются исчерпывающими для объема настоящего изобретения, заданного в следующей формуле изобретения.