УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПОДВОДНОГО РАСТЕКАНИЯ УТЕЧЕК ИЗ НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН И ЛОКАЛИЗАЦИЯ ИХ НА ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
DEVICE FOR PREVENTION OF UNDERWATER LEAKS FROM OIL WELLS AND LOCALIZATION ON THE WATER SURFACE

Изобретение относится к охране окружающей среды при технической эксплуатации нефтяных подводных источников, например из скважин нефти/нефтепродукта для локализации нефтяных утечек на открытых акваториях морей.
Известно устройство для установки бонового заграждения на водной поверхности, содержащее подвеску вертолета с вертлюгом-токосъемником, электрозамками для крепления пакета боновых заграждений и ферму, выполненную в виде двух взаимно перпендикулярных штанг, одни концы которых жестко соединены между собой и шарнирно с вертлюгом-токосъемником, а другие концы штанг посредством пространственных шарниров соединены с электрозамками, при этом снабжено несущим элементом с дополнительными электрозамками для якорей, причем несущий элемент жестко соединен со штангами фермы, а дополнительные электрозамками шарнирно соединены с несущим элементом (Патент RU №2080435, Е02В 15/04 от 27.05.1997).
Недостатком известного устройства является то, что неприспособленно для подводного нефтесборщика и локализации от утечки в толще подводного слоя воды, а также не позволяет осуществить оперативный сбор над утечкой нефти, например, из скважины на де моря, в частности из-за невозможности в подводном пространстве ограничить ее растекание непосредственно в самой массе воды во времени. Кроме того, наличие пакета боновых заграждений рассчитано в основном на эксплуатацию их только на водной поверхности локализации и сбора нефти и нефтепродуктов. Другим недостатком является, то что оно сложно конструктивно и существенно повышает затраты на его эксплуатацию. При этом в известном устройстве бонового заграждения входит сложная якорная система в рабочем положении, отсутствует контроль пуска источника сжатого воздуха (компрессора), который мог бы дополнительно сформировать вертикальную воздушную струю потока внутри цилиндрической емкости.
Известен также подводный нефтесборщик для локализации утечек из нефтепроводов, содержащий корпус обтекаемой фермы, в котором размещен нефтесборочный узел, ходовой двигатель с узлами управления, а также связанный с ними источник питания, он снабжен двумя индуктивными датчиками, датчиком наличия нефти в воде, датчиком заполнения емкости и системой управления, причем корпус выполнен секционным, а секции связаны посредством элементов переменной длины, имеющих соответствующие исполнительные механизмы и электромагнитную защелку, при этом нефтесборочный узел выполнен в виде емкости из эластичного материала с расположенной в ее верхней части заглушкой, а выходы всех датчиков связаны с соответствующими входами системы управления, выходы которой подключены к входам узлов управления ходовым двигателем, исполнительному механизму элементов переменной длины и электромагнитной защелки (Авторское свидетельство SU №1731902, Е02В 15/04 от 07.05.1992).
Известное устройство недостаточно эффективно при сборе нефти в подводном пространстве в глубине воды, возможность которого от разлива может распространяться на больших площадях непосредственно сразу у дна моря и не позволяет осуществить замкнутый контур и оперативный сбор нефти и нефтепродукта, в частности, из-за невозможности нефтяное пятно направить непосредственно вверх в ограниченном пространстве в короткий промежуток времени, а затем уже произвести локализацию данного нефтяного пятна боновым заграждением на водной поверхности. Кроме того, отсутствует контроль пуска источника сжатого воздуха (компрессора), который мог бы дополнительно сформировать струю потока внутри цилиндрической емкости.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для установки бонового заграждения на водной поверхности, содержащее подвеску вертолета с вертлюгом-токосъемником и электрозамок для крепления пакета боновых заграждений, и этом оно снабжено дополнительным электрозамком и фермой, выполненной в виде двух взаимно перпендикулярных штанг, одни концы которых жестко соединены между собой и шарнирно - с вертлюгом-токосъемником, а другие концы штанг посредством пространственных шарниров соединены с электрозамками (Авторское свидетельство SU №1767085, Е02В 15/04 от 07.10.1992).
Недостатком известного устройства является, во-первых, то, что боновое заграждение только препятствует растеканию нефтяного пятна с поверхности воды, и никак не связано с подводным устройством объекта утечки нефти, например, скважины на дне моря, во-вторых, нефтепродукт по всей подводной толще воды по высоте и ширине, при аварии скважины у дна моря, выход этой массы нефти начинает включать в себя несколько слоев: тяжелой массы, средней и легкой массы в удельных единицах измерения, при растекании в воде. Кроме того, пакет боновых заграждений сбрасывается только по водной поверхности на каждом новом месте, где замыкая цепь управления, летчик дистанционно открывает замки и с помощью якорей удерживаются боновые заграждения на водной поверхности. Только в этом случае, боновые заграждения под действие ветра или течения принимают полукруглую форму, и нефтепродукт скапливается в образовавшейся нише.
Таким образом, оно имеет ограниченную область применения, поскольку нижние слои нефти растекаются на большой площади под водой, в частности у дна моря в акватории аварии скважины.
Задачей заявляемого изобретения является создание системы водовоздушных струй активизации формирования вертикального подъема вверх вытекающей нефти из аварийного створа, например, нефтяной скважины на дне моря и обеспечение устойчивого перемещения нефтяного разлива пятна в сторону водной поверхности и локализация одновременно его внутри бонового заграждения.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для предотвращения подводного растекания утечек из нефтяных скважин и локализация их на водной поверхности, содержащее подвеску вертолета с вертлюгом-токосъемником для крепления бонового заграждения, при этом снабжено дополнительным электрозамком и фермой, выполненной в виде двух взаимно перпендикулярных штанг, одни концы которых жестко соединены между собой и шарнирно - с вертлюгом-токосъемником, и другие концы штанг посредством пространственных шарниров соединены с электрозамками, оно дополнительно снабжено пакетом сочлененных секций вертикальных пустотелых цилиндрических емкостей, связанных между собой посредством двух пустотелых трубчатых ободов, соединенных между собой с помощью вертикальных стержней в виде круговой решетки с возможностью передвижения и фиксации соосно друг друга по высоте; каждая секция содержит юбку с наружной стороны решетки в виде полотнища из эластичного смачиваемого материала, которое закреплено к боковым стенкам пустотелых трубчатых ободов посредством неразъемного соединения со складками эластичного полотна при неразъемном их соединении с ободами, закрывающих с наружной стороны каждую секцию решетки при взаимном вертикальном перемещений секций пустотелых цилиндрических емкостей, верхняя секция, которая соединена натяжными тросами с плавающим боновым заграждением на водной поверхности, при этом нижняя секция с пустотелым ободом является водонаполняемым в виде противовесом вместе с якорем для придания дополнительного устойчивого вертикального положения, полость которого соединена с источником воды посредством гибкого шланга с насосом и выпуска из него воды, а верхние и последующие пустотелые трубчатые ободы каждой вертикальной секции пустотелых цилиндрических емкостей выполнены с отверстиями с системой сопел снабженных равномерно распределенными по внутренней стороне его стенки и подключены гибким шлангом подвода воздуха к компрессору с пультом управления, при этом сопла расположены под острым углом к плоскости, обращенной к замкнутому боновому заграждению на водной поверхности.
Кроме того, нижний водонаполняемый обод нижней секции пустотелой цилиндрической емкости имеет необходимую посадку на дно огражденного участка акватории над скважиной.
Пакет сочлененных из отдельных секций вертикальных пустотелых цилиндрических емкостей, каждый из которых ограничен снизу и сверху пустотелыми трубчатыми ободами, последние соединены между собой вертикальными стержнями в виде замкнутой решетки, выполнены складывающимся и раскладывающимся по высоте своей соосно друг друга, диаметр при этом их, соответственно каждого имеет различные размеры по отношению друг к другу с возможностью фиксирования между собой непосредственно ободами. Устройство управляется в автономном режиме на внешней подвеске по команде из вертолета с раскрытием дистанционно замка, расположенного на вертикальной штанге, в результате чего пакет сочлененных цилиндрических емкостей с боновым заграждением опускаются на водную поверхность. При этом освобождается также шкет и якорь, который был закреплен на вертикальной тяге, и вместе с нижней секцией пустотелой цилиндрической емкости, закрытые с наружной стороны решетки юбкой погружаются на дно, ограждаемого участка акватории над скважиной, а это ограждает от растекания нефти на дне моря. Структура нефти может быть как маловязкой, так и вязкой по своему составу. Далее в работу вступает нагнетание в нижний обод нижней секции пустотелой цилиндрической емкости под напором воды непосредственно насосом, а верхние ободы с соплами, заполняются сжатым воздухом с компрессором.
На фиг. 1 изображен общий вид устройства, подвешенного к замкам пакета из отдельных вертикальных секций пустотелых цилиндрических емкостей, снабженными трубчатыми ободами сверху и снизу, которые соединены между собой вертикальными стержнями в виде кольцевой решетки, и боновое ограждение, в нерабочем состоянии; на фиг. 2 - схема постановки бонового ограждения и вертикальных секций пустотелых цилиндрических емкостей, соединенных тросами с боновым заграждением, вид сбоку; на фиг. 3 - представлена вертикальная секция пустотелой цилиндрической емкости, огражденная снизу и сверху пустотелыми трубчатыми ободами, соединенных между собой вертикальными стержнями в виде круговой решетки, вид сбоку; на фиг. 4 - показана схема размещения пустотелых цилиндрических емкостей при входе соосно друг друга в растянутом виде.
Устройство для предотвращения подводного растекания утечек из нефтяных скважин и локализация их на водной поверхности включает внешнюю подвеску 1 вертолета, стальной трос установленной длины, соединенный с ним вертлюг-токосъемник 2, шарнирно соединенную с вертлюгом-токосъемником 2 ферму 3, выполненную из двух взаимно перпендикулярных штанг 4 и распорки 5. На свободных концах штанг 4 шарнирно закреплены основные электрозамки 6 и 7. К электрозамку 6 подвешены боновое заграждение 8 и пакет 9 сложенных вертикальных секций пустотелых цилиндрических емкостей 10, состоящих из нижней секции с трубчатым нижним 11 и верхними 12 ободами, упакованные в грузовую сеть (не показана). Нижняя секция с нижнем ободом 11 с верхним ободом 12, как и остальные верхние секции с ободами 12, соединены между собой вертикальными стержнями, образующих круговую решетку 13 и составляющий каждую отдельную пустотелую цилиндрическую емкость, не менее двух по высоте, количество которых зависит от устанавливаемых на дно моря при утечки нефти из скважины 14. Внешняя поверхность каждой секции емкости 10 содержит юбку в виде полотнища 15 из пластичного смачиваемого материала, которое закреплено к боковым стенкам ободов. Каждая секция, имеющая трубчатые ободы 12 сверху и снизу, посредством неразъемного соединения со складками эластичного полотна при неразъемном соединении с ними и закрывающихся с наружной стороны решетку 13 эластичным полотном, имеют возможность перемещения вертикально и соосно друг друга с фиксаций в крайних своих положениях, с помощью выступающих по диаметру трубчатых ободов, как при установке их по высоте над скважиной, так и при упаковке их между собой. К нижней секции с нижним ободом 11 крепится якорный трос 16 с якорем 17. К электрозамку 6 крепится также якорь на шкерте 18, а к электрозамку на другой (горизонтальной) штанге 4 фермы 3 крепится второй якорь 19.
Электропитание подается к электрозамкам 6 и 7 внутри штанг 4 (не показан).
Устройство нижней секции с нижним трубчатым ободом 11 является водонаполняемым посредством гибкого шланга 20 и насоса (не показан), и является дополнительным противовесом с якорем. Натяжные тросы 21 одними концами закреплены к верхнему трубчатому ободу 12, а вторыми концами связаны с боновым заграждением 8, которыми регулируется расположения бонового заграждения 8 на водной поверхности при изменении естественного уровня воды на акваториях морских. Каждая верхняя секция с трубчатыми ободами 12 имеет в боковых стенках отверстия 22, в которые навинчены сопла 23, расположены внутри верхних секции вертикальных пустотелых цилиндрических емкостей 10 и размещенных под острым углом вверх к водной поверхности в сторону поднятия нефтяного пятна 24 замкнутого бонового заграждения 8. Сопла 23 предназначены для инжектируемой среды в виде сжатого воздуха от компрессора (не показан), являются съемными с возможностью фиксации их длины для подачи вовнутрь секций из емкостей 10, образованной с трубчатыми ободами 12 распыленной активной среды воздуха под давлением, создающей водовоздушную струю внутри пакета верхних отдельных секций пустотелых цилиндрических емкостей 10, образованных посредством соответствующих закрытых по высоте юбок из эластичного полотнища вокруг внешней стороны решетки по всей высоте емкости, куда поступает утечка нефти из скважины 14 вверх. Сжатый воздух подается с помощью гибкого шланга 25 соединенного с компрессором (не показан).
Таким образом, внутренняя полость вертикальных верхних секций пустотелых цилиндрических емкостей по своей высоте на глубине воды (подводное состояние) с соплами 23, обеспечивает активное поднятие поступающей нефти из скважины 14 вверх, где происходит локализация ее с помощью замкнутого бонового заграждения 8.
В результате того, что нефть, как вязкая, так и маловязкая с водой, поднятая водовоздушной завесой в виде формирования микропузырьковой водовоздушной смеси, облегчает подъем ее вверх на водную поверхность, в конечном итоге, это препятствует широкому растеканию в подводной части аварийного узла, в частности, выше скважины.
Устройство работает следующим образом.
При обнаружении по данным приборам или визуального наблюдения утечек нефтяного разлива из аварийных скважин или трубопроводов, в необходимом направлении и в непосредственной близости вертолет доставляет на внешней подвеске 1 пакет из отдельных вертикальных секций пустотелых цилиндрических емкостей 10 и боновое заграждение 8. Замыкая цепь управления, летчик дистанционно открывает замок 6, расположенный на вертикальной штанге 4, в результате чего пакет цилиндрических емкостей 10 опускается на дно, а боновое заграждение 8 на поверхность воды, которое соединено с натяжными тросами 21 с пакетом из отдельных вертикальных секций пустотелых цилиндрических емкостей 10. При этом освобождается также пакет цилиндрических емкостей 10, якорь его, которые были закреплены на вертикальной тяге 4, и погружаются на грунт. Грузовая сеть, в которую упакованы секции цилиндрических емкостей и бонового заграждения, с одной стороны имеют плавучие элементы, а с противоположной стороны на ней установлены грузы. При опускании пакета вертикальных секций пустотелых цилиндрических емкостей 10 они погружаются на глубину от поверхности воды и отделения грузовой сети от электрозамка, сторона грузовой сети, на которой установлены грузы, погружается под воду, и сеть принимает вертикальное положение, удерживаясь при помощи плавучих элементов, установленных на противоположной стороне сети. Таким образом, осуществляется освобождение и вертикальных секций пустотелых цилиндрических емкостей 10, связанных между собой с помощью фиксированного соединения посредством ободов 12.
В результате дальнейшего опускания пакета цилиндрических емкостей на дно с помощью подвешенных натяжных тросов 21 с боковых сторон их и соединенных с плавающим боновым заграждением 8, пакет из отдельных вертикальных секций пустотелых цилиндрический емкостей постепенно растягивается соосно друг друга, и каждая из секций цилиндрических емкостей вертикально фиксируется с помощью ободов 12 между собой (высота их определяется расчетом).
В зависимости от глубины моря устанавливаются соответствующие ей натяжные тросы 21 пакета 9 секций пустотелых цилиндрических емкостей, которые соединены с боновым заграждением 8, размещенным на водной поверхности.
В результате того, что второй якорь 19 по-прежнему закреплен на замке 7, другой штанги 4, последняя, под действием веса якоря 19 займет вертикальное положение, повернувшись на шарнирном соединении. Далее, вертолет, перемещаясь перпендикулярно дрейфу нефтяного пятна, раскладывает боновое заграждение 8 на водной поверхности, которое натяжными тросами 21 соединено с пакетом из вертикальны секций 10 пустотелых цилиндрических емкостей, установленных соосно друг друга в вертикальном положении над утечкой нефти из скважины 14, удерживаются в нижнем положении тросом 16 с якорем 17, дополнительно весом рабочей воды, заполняемой нижний обод 11 с помощью гибкого шланга 20 насосом (не показан).
После завершения опускания пакета секций пустотелых цилиндрических емкостей и вертикально над скважиной 14 с креплением бонового заграждения 8 с установившемся характером утечки нефти (нефтепродукта), в образовавшуюся из пакета вертикальных секций пустотелых цилиндрических емкостей при вертикальной их установке над скважиной 14, нефть скапливается внутри них, что обеспечивает возможность ее от растекания. Далее используют компрессор (не показан) для подачи сжатого воздуха с помощью подключения шланга 25, и соединенного с трубчатыми ободами 12, образующие в целом цилиндрическую емкость, что позволяет через сопла 23 по кругу обода 12 сформировать интенсивный водовоздушный поток в виде микропузырьковой смеси, который под давлением поступает в сопла 23 с дополнительно направленным для обеспечения возможности поднятие нефти вверх в сторону бонового заграждения 8 на водную поверхность.
Нефть с водой, поднятая водовоздушной завесой, поднимается вверх на водную поверхность. Поднятая наверх нефть собирается боновым заграждением 8, включается в работу судно-нефтесборщик (не показан).
Таким образом, использование сопел 23 непосредственно на верхних секциях с ободами 12 позволяет гарантировано подавать водовоздушную смесь непосредственно в сторону поднятия нефти вверх внутри вертикальных секций (звеньев) пустотелых цилиндрических емкостей 10, и которая формируется вблизи стенок решетки 13, закрытой юбкой 15. Благодаря выполнению сопел 23 под углом вверх по кругу обода 12 удается создать относительно плотную водовоздушную завесу с восходящими потоками, активно помогающими поднятию вверх нефти/нефтепродукта в сторону бонового заграждения 8 на водную поверхность, что значительно упрощает сбор нефтяного пятна на водной поверхности. Юбка 15 с внешней стороны решетки 15 секции цилиндрической емкости с ободами образует механическую преграду на пути растекания нефти из скважины 14 с подвешенными вертикально пакетом из вертикальных секций пустотелых цилиндрических емкостей 10 к водной поверхности, за счет своей геометрии создает дополнительный восходящий поток воды, усиливающий подъем нефти и силу водовоздушной завесы.
При количестве сочлененных между собой вертикальных секций пустотелых цилиндрических емкостей, состоящих каждый из двух ободов с замкнутой обрешеткой, включающей вертикальные стержни, можно устанавливать вертикально две и более количество таких отдельных секций пустотелых цилиндрических емкостей над объектом разлива нефти, например, из скважины и направить ее вверх, а это позволяет иметь возможность задерживать распространение разлива нефти в нижних слоя воды.
После завершения работ по очистке разлива нефтяного пятна со дня моря, сочлененный пакет из отдельных вертикальных секций пустотелых цилиндрических емкостей и бонового заграждения вновь поднимают вверх и буксируют, например, затем на судно-бонопоставщик (не показан). При этом нижнюю секцию с нижним кольцевым ободом освобождают от давления воды из него, и сливают, а верхние секции с верхними ободами отключают автоматически подачу сжатого воздуха от компрессора.
В этом случае уже не нужен будет вертолет до следующего его момента использования по доставке пакета цилиндрических емкостей и бонового заграждения к следующему источнику разлива нефти или нефтепродукта.
В особых случаях, когда из-за волнения моря вода из ограждаемого участка акватории перекатывается через боновое заграждение, возникает необходимость увеличивать давление воздуха в нем до того момента, когда осадка его с тросами, соединенного с пакетом цилиндрических емкостей и тросы с якорем на дне моря. Будет уменьшаться погружение в воду, и его оболочка полностью выйдет из воды.
Плавучесть соосно установленных между собой вертикальных секций пустотелых цилиндрических емкостей позволяет менять свое вертикальное положение относительно друг друга соосно в вертикальной плоскости в подводном состоянии, которое фиксируется между собой ободами с двух сторон (нижнего и верхнего) каждой отдельной сочлененной секции.
Предложенное устройство упрощает конструкцию из пакета вертикально сочлененных секций пустотелых цилиндрических емкостей, каждый из которых сверху и снизу ограничен в вертикальном положении относительно друг друга ободами, создает между ними жесткость фиксации и использующую поверхность обрешетки из вертикальных стержней, закрытых юбкой, значительно снижает затраты на его эксплуатацию за счет активизации процесса отвода вверх нефти/нефтепродукта водовоздушными струями в сторону бонового заграждения на водной поверхности. Кроме того, устройство использует водовоздушную завесу с подачей сжатого воздуха от компрессора, поступающего в верхние секции с ободами, имеющими по окружности отверстия с соплами, направленными под острым углом вверх.