ПОДВОДНЫЙ ТРУБНЫЙ МАНИПУЛЯТОР
UNDERWATER PIPE MANIPULATOR

Изобретение относится к оборудованию для бурения нефтяных и газовых скважин, в частности, к обитаемым подводным аппаратам, предназначенным для подводного строительства скважин на морских нефтегазовых месторождениях, расположенных на длительно замерзающих глубоководных арктических морях, и находящимся под водой на протяжении всего периода строительства.
2
Основные шельфовые запасы нефти и газа в Российской Федерации приходятся на арктических морях с суровыми климатическими условиями и экстремальной ледовой обстановкой. Разработке морских месторождений предъявляются более жесткие экологические требования, любая авария самым негативным образом может отразиться на всей экосистеме планеты. Континентальный шельф Российской Федерации - самый крупный в мире по площади. Его территория превышает 6,2 миллионов км. Изучение собственного шельфа Россия, как и Норвегия, начала более 30 лет назад. Норвегия в настоящее время добывает свыше 250 миллионов тонн углеводородного сырья в Северном море, запускает в эксплуатацию месторождение «Сновит» в Баренцевом море и заканчивает строительство завода. В России освоение собственного шельфа идет немного медленнее. К причинам отставания можно отнести слабую геологическую изученность акваторий, отсутствие необходимого оборудования и технологий. В настоящее время по поручению Президента РФ реализуется особо важная стратегическая задача по освоению Северного морского пути - кратчайшего морского пути между Европейской частью России и Дальним Востоком для перевозки грузов крупнотоннажным морским транспортом, в том числе, добываемых нефти и газа.
Применяемые в настоящее время установки для бурения, непосредственно размещенные под водой, снабжены специальным оборудованием, устраняют необходимость использования крупных и дорогостоящих платформ. Однако эксплуатация имеющихся подводных установок сталкивается с рядом сложностей, возникающих при спускоподъемных операциях, при этом транспортировка, установка и замена оборудования требует привлечения дополнительных технических средств для выполнения операций по подаче труб и бурового инструмента. Известные установки выполняют бурение скважин только на морском дне, при этом требуется установка и настройка оборудования.
В этой связи возникает необходимость в разработке новых технических решений и технологий, используемых при бурении и разработке морских арктических месторождений на территории Известен подводный буровой модуль для использования при бурении нефтяных и газовых скважин (WO 2004018826, опубл. 04.03.2004). Согласно изобретению, подводный буровой модуль, установленный на дне моря, имеет открытую рамную конструкцию, буровую вышку с вертикальными направляющими для бурильной машины, подъемный механизм для перемещения бурильной машины, бурильную машину для вращения бурильной колонны, средства для соединения/отсоединения бурильных труб в процессе добавления или удаления бурильных труб в/из бурильной колонны при спускоподъемных операциях, заменяемую кассету с бурильными трубами, устройство подачи и установки бурильных труб с захватными рычагами, систему циркуляции бурового раствора. Бурильная колонна составлена из бурильных труб, соединяемых с помощью резьбовых соединений и размещенных в заменяемой кассете для бурильных труб, которая установлена таким образом, что обеспечивает подачу и установку каждой бурильной трубы в бурильную колонну при ее монтаже или демонтаже. Передача бурильных труб между заменяемой кассетой с бурильными трубами и положением в буровой вышке обеспечена с помощью устройства подачи и установки бурильных труб с захватными рычагами.
Недостатком данного технического решения является то, что в процессе бурения подводной скважины при добавлении или удалении бурильных труб из бурильной колонны при спускоподъемных операциях не обеспечивается непрерывная работа бура из-за необходимости периодической смены кассет с оборудованием, что приводит к определенным осложнениям при строительстве скважин.
Известен подводный буровой модуль для бурения нефтяных и газовых скважин (RU 2624841 С1 (Российская Федерация, от имени которой выступает Фонд перспективных исследований опубл. 07.07.2017), устанавливаемый на дне моря, который имеет открытую рамную конструкцию и включает буровую вышку с вертикальными направляющими для бурильной машины, подъемный механизм для перемещения бурильной машины, бурильную машину для вращения бурильной колонны, средства для соединения/отсоединения бурильных труб в процессе добавления или удаления бурильных труб в/из бурильной колонны при спускоподъемных операциях, заменяемую кассету с бурильными трубами, устройство подачи и установки бурильных труб с захватными рычагами, элементы системы циркуляции бурового раствора, устройство вытеснения окружающей водной среды в систему буровых сточных вод и бурового раствора в систему циркуляции бурового раствора, элементы системы буровых сточных вод, которые закреплены на буровой вышке.
Недостатками известного модуля являются: частые остановки бурильной установки, что увеличивает осложнения при строительстве скважин; кроме того, большие вертикальные размеры, обусловленные значительной высотой буровой вышки, вызывают затруднения при транспортировке и монтаже известного модуля на точке эксплуатации, а размещение заменяемых кассет способно привести к существенным затруднениям при их замене в процессе эксплуатации.
В качестве наиболее близкого аналога выбрано устройство для смены инструментов в буровой установке для бурения, расположенной на дне моря (RU 2412327, СИБЕД РИГ AC (NO) опубл. 20.02.2012). Буровая установка расположена на дне моря и герметично закрыта относительно окружающей среды. Пол буровой установки имеет автоматическое средство для смены инструментов и кассету для хранения инструментов и компонентов, при этом автоматическое средство для смены инструментов выполнено, по меньшей мере с возможностью осуществлять смену и транспортировку инструментов между буровым центром буровой установки и кассетой для их хранения. Обеспечивает дистанционное управление буровыми работами на дне моря.
К недостаткам вышеприведенного технического решения следует отнести сложность конструкции кассеты для хранения инструментов и труб, работу только на морском дне, а также сложность устройства в целом. Известное устройство, устанавливаемое на дне, требует дополнительное время на установку и настройку оборудования, не предусматривает спуск крупногабаритного, в частности, скважинного оборудования, при этом используемые в нем кассеты для хранения труб и оборудования не обеспечивают размещения достаточного объема труб, поэтому для их пополнения приходится периодически останавливать работу буровой установки.
Резюмируя вышесказанное, необходимо отметить, что техническая проблема при создании заявленной полезной модели заключается в отсутствии достаточного количества новых решений, используемых при бурении и разработке морских арктических месторождений на территории России, позволяющих обеспечивать бесперебойную и достаточно быструю подачу труб и другого бурового инструмента/оборудования к устью скважины.
Задачей является создание сравнительно простого по конструкции экономически эффективного, надежного в работе мобильного подводного трубного манипулятора, который может быть применен независимо от природных условий и ледовой обстановки, а также независимо от состояния морского дна, поскольку обитаемый подводный аппарат (являющийся обитаемой буровой установкой) постоянно находится подо льдом в толще воды на протяжении всего периода строительства скважин.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в упрощении конструкции подводного трубного манипулятора, предотвращении проникновения морской воды в обитаемой подводный буровой аппарат в процессе спускоподъемных операций во время бурения скважин, а также уменьшения габаритов буровой вышки путем переноса хранилища труб в трубный манипулятор, повышении надежности его работы, увеличении скорости подачи и замены инструментов, труб и другого бурового оборудования, в том числе крупногабаритного, при одновременном уменьшении материальных затрат на осуществление подводного бурения нефтяных и газовых скважин, сокращении сроков строительства скважин. Предлагаемый трубный манипулятор позволяет сократить время работ за счет его мобильности и постоянной готовности.
Технический результат от реализации предлагаемого изобретения достигается в результате создания подводного трубного манипулятора и достигается за счет следующей совокупности существенных признаков, а именно:
«Подводный трубный манипулятор, характеризующийся тем, что находится в герметично закрытом относительно окружающей среды корпусе с герметичными запирающими устройствами, снабженный средствами хранения и смены инструментов, труб и бурового оборудования, отличающийся тем, что прикреплен снизу к обитаемой подводной буровой установке, при этом корпус содержит наружную и внутреннюю оболочки, обеспечивает возможность его легкого перемещения под водой, герметичные запирающие устройства размещены в верхнем основаниях корпуса, средства хранения инструментов, бурильных и обсадных труб, бурового оборудования выполнены в виде вертикальных подвижных стеллажей, перемещаемых подающим механизмом для присоединения к спуско-подъемной шахте и свинчивания с предыдущей трубой при помощи бурового ключа, укомплектованы подающими механизмами с захватами, спускоподъемными штангами и буровым столом для удержания буровой колонны с подвешенным буровым оборудованием».
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 изображен фронтальный вид подводного бурового манипулятора;
- на фиг. 2 изображен вид сверху подводного бурового манипулятора.
Предлагаемый подводный трубный манипулятор прикреплен к обитаемому подводному аппарату 1 (являющемуся обитаемой буровой установкой), содержащему двойной корпус, включающий наружную 2 и внутреннюю 3 оболочку, вертикальные стеллажи 4, предназначенные для хранения бурильных 5 и обсадных 6 труб, подающие механизмы (захваты) 7, спускоподъемную штангу 8, буровой ключ 9, буровой стол 10 для удержания колонны с подвешенным буровым оборудованием 11, нижнее 12 и верхнее 13 запирающие герметичные устройства.
Подводный трубный манипулятор установлен под днищем обитаемого подводного бурового аппарата, прикреплен к нему снизу и вместе с ним постоянно находится под водой на протяжении всего периода строительства (бурения скважин).
Пол бурового аппарата имеет автоматическое средство для смены инструментов и стеллажи для обсадных и бурильных труб (инструментов и компонентов), при этом упомянутое автоматическое устройство выполнено с возможностью менять и транспортировать бурильные и обсадные трубы (инструменты и компоненты) между центром бурового аппарата и стеллажами (для хранения инструментов и компонентов).
Работает предлагаемый подводный трубный манипулятор следующим образом.
Из обитаемого бурового аппарата в подводный трубный манипулятор через герметичные устройства 12 и 13 спускают инструменты и буровое оборудование, в частности, трубы, которые далее направляют в скважину. Оборудование опускают до бурового стола 10, где отсоединяют от спуско-подъемной штанги 8. После этого штангу 8 поднимают, оставляя место для трубы (бурильной 5 или обсадной 6, в зависимости от вида производимых работ). Размещаемые в вертикальных подвижных стеллажах 4 трубы перемещают подающим механизмом 7, который захватывает трубу и присоединяет ее к спуско-подъемной штанге 8 над буровым столом 10. Свинчивание поданной новой трубы с оборудованием или установленной ранее трубой, находящейся в буровом столе 10, осуществляется при помощи бурового ключа 9. Свинтив трубы, спускоподъемная штанга 8 опускает их вниз и фиксирует в буровом столе 10.
Далее операции повторяются снова.
Буровое оборудование 11 при помощи спускоподъемной штанги 8 поднимается в подводный трубный манипулятор. Нижнее запирающее устройство 12 закрывается. Вода из подводного трубного трубного манипулятора откачивается. Верхнее запирающее устройство 13 открывается, и через него штанга 8 поднимает оборудование 11 в обитаемый буровой аппарат.
Таким образом, использование предлагаемого подводного трубного манипулятора обеспечивает значительное снижение расходов, связанных с подводным буровым оборудованием. Это становится возможным за счет использования средств хранения инструментов, труб и другого бурового оборудования в виде вертикальных подвижных стеллажей, укомплектованных подающими механизмами с захватами, спускоподъемными штангами и буровым столом для удержания буровой колонны, возможности круглогодичного бурения, независимого от природных условий и ледовой обстановки. Стеллажи позволяют разместить все необходимые трубы и оборудование, обеспечивающее непрерывную работу бурового аппарата. Подводный трубный манипулятор может быть использован для осуществления спускоподъемных операций и подачи инструментов, труб и другого бурового оборудования в обитаемую подводную буровую установку. Работа предлагаемого манипулятора не зависит от донного рельефа, от глубины моря и глубины для бурения, от погодных условий на буровой площадке и ледовой обстановки.