ПОДВОДНАЯ СКВАЖИНА Российский патент 2002 года по МПК E21B33/38 E21B43/13 

Изобретение относится к устройству для подводной скважины для добычи нефти или газа в открытом море, которое содержит устье скважины, фонтанную арматуру, установленную на устье скважины, и по меньшей мере одну восходящую трубу для соединения с добывающим судном на поверхности моря.

При разработке месторождений с ограниченными запасами в открытом море важно, чтобы издержки были низкими. Существенным фактором, определяющим издержки, для известных форм разработки являются подводные трубопроводы и кабели между фонтанными арматурами на скважинах и местом приема продукта, например платформой или добывающим плавучим средством. Обычно при расстояниях около 2 км могут возникнуть некоторые проблемы. В связи с этим следует отметить, что современные технологии бурения позволяют вести добычу с уменьшенным количеством фонтанных арматур, так как скважины могут иметь несколько ответвлений. В ряде случаев можно вести разработку подводных месторождений с использованием лишь одной подводной фонтанной арматуры.

Известно устройство для подводной скважины для добычи нефти или газа в открытом море, содержащее устье скважины, фонтанную арматуру, установленную на устье скважины, и по меньшей мере одну восходящую трубу для соединения с добывающим судном на поверхности моря, причем на верхней части фонтанной арматуры установлено поворотное устройство, сообщающееся с фонтанной арматурой и снабженное направленными предпочтительно вбок соединительными элементами для восходящих труб или рукавов и для главного кабеля или кабеля управления (GB 1549766, кл. В 63 В 21/00, 08.08.79).

Недостаток этого устройства для подводной скважины состоит в том, что швартовы, которыми к нему швартуется добывающее судно, крепятся к поворотному устройству, как и восходящие трубы или рукава. Поэтому действующие на швартовы силы, намного превышающие силы, которым подвергаются восходящие трубы или рукава, передаются на фонтанную арматуру и устье скважины, создавая в них дополнительные напряжения.

Задачей изобретения является предотвращение нагружения фонтанной арматуры и устья скважины силами от швартовых добывающего судна.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для подводной скважины для добычи нефти или газа в открытом море, содержащем устье скважины, фонтанную арматуру, установленную на устье скважины, по меньшей мере одну восходящую трубу для соединения с добывающим судном на поверхности моря и установленное на верхней части фонтанной арматуры поворотное устройство, сообщающееся с фонтанной арматурой и снабженное направленными предпочтительно вбок соединительными элементами для восходящих труб или рукавов и для главного кабеля или кабеля управления, согласно изобретению на уровне, ниже уровня, на котором находится поворотное устройство, расположены крепежные элементы для вилки, установленной с возможностью поворота в пределах некоторого угла вокруг горизонтальной оси, для соединения своим наружным концом по меньшей мере с одним швартовом добывающего судна, при этом указанные крепежные элементы закреплены на корпусе, установленном с возможностью поворота вокруг центральной вертикальной оси, совпадающей с осью поворотного устройства, на основании, имеющем фундамент на морском дне 1, для передачи сил, возникающих при швартовке, непосредственно от крепежных элементов на фундамент без заметного нагружения собственно фонтанной арматуры или поворотного устройства.

Настоящее изобретение можно считать дальнейшим развитием системы для добычи углеводородов в открытом море с использованием стоящего на мертвом якоре добывающего плавучего средства или судна, описанной в PCT/NO 96/00201 от 07.08.96. Настоящее изобретение предполагает, что добывающее судно может находиться прямо над фонтанной арматурой, находящейся на морском дне, или в непосредственной близости от нее, и что текучую среду из скважины передают непосредственно от фонтанной арматуры на судно без использования трубопроводов или кабелей, расположенных на морском дне. Поэтому изобретение предусматривает не только установку добывающего судна на мертвый якорь, как в указанной международной заявке, но также использование динамического позиционирования судна, которое само по себе известно.

Изобретение можно использовать при добыче продукта либо с помощью существующей или уже установленной стандартной фонтанной арматуры на морском дне, либо при использовании фонтанной арматуры определенного, предпочтительно упрощенного вида, в большей или меньшей степени объединенной с устройством согласно изобретению, как видно из последующего описания.

Предлагаемое принципиальное решение, которое на практике может быть реализовано в различных формах, позволяет получить ряд преимуществ, к которым, в частности, относятся следующие:
- может быть использовано добывающее судно обычной конструкции, без какой-либо существенной модификации, и поэтому сравнительно недорогое;
- одно и то же добывающее судно можно использовать для установки и, возможно, для снятия поворотного устройства, а также для технического обслуживания скважины, что уменьшает эксплуатационные затраты;
- благодаря использованию нового устройства разработка очень небольших подводных месторождений с ограниченными запасами может оказаться выгодной, таким образом, для месторождений можно повысить степень извлечения продукта;
- используемое оборудование можно применять повторно, перемещая его от одного месторождения к другому.

В приведенном ниже описании изобретение объясняется более подробно со ссылками на чертежи, где:
- на фиг.1 показан пример выполнения предлагаемого устройства, размещенного на скважине стандартного исполнения с обычной фонтанной арматурой, вид сбоку с частичным разрезом;
- на фиг.2 показано предлагаемое устройство, в котором используется специально предназначенная для него фонтанная арматура и которое приспособлено для швартования судна на морском дне;
- на фиг. 3 показана модификация устройства согласно фиг.2, в которой предусмотрен всасывающийся якорь, образующий фундамент устройства;
- на фиг.4 показан упрощенный общий вид системы в целом, где добывающее судно соединено с устройством на морском дне и зашвартовано согласно фиг.2 и 3.

На фиг.1, 2 и 3 заштрихованы те детали и составные части соответствующих устройств, которые совершают качание или поворот при движении добывающего судна вокруг подводной скважины под действием ветра или других погодных условий, например волн. Как показано на фиг.1, 2 и 3, устройство предпочтительно установлено так, что общая центральная вертикальная ось 20Х совпадает с осью устья 8 скважины на фиг.1 и устья 48 скважины на фиг.2 и 3, т.е. верхней части насосно-компрессорной колонны.

Устройство, показанное в качестве примера на фиг.1, предназначено для использования в тех случаях, когда на морском дне нужно установить оборудование для непосредственной подачи добываемого продукта из скважины на судно, находящееся на поверхности моря, с использованием уже установленной фонтанной арматуры на устье скважины. Другими словами, этот вариант осуществления изобретения предусматривает установку поворотного устройства непосредственно на верхней части фонтанной арматуры, которая не нуждается в какой-либо переделке или, возможно, нуждается лишь в незначительной переделке. В этом случае добывающее судно на поверхности может удерживаться на месте известным образом с помощью системы динамического позиционирования, предпочтительно включающей средства для аварийного закрытия скважины и быстрого отсоединения в случае сильного натяжения восходящих труб или рукавов, например, при отказе системы динамического позиционирования или при слишком сильном ветре или слишком больших волнах.

На фиг.1 более подробно показаны более или менее общие конструкции в верхней части нефтяной или газовой скважины на морском дне 1. Бетонная плита или основание 5 образует фундамент на морском дне 1 и имеет центральное отверстие для самоустанавливающейся рамы типа шарового шарнира, соединенной, в свою очередь, с общей направляющей трубой 7, которая известным образом может уходить на десятки метров вглубь в морское дно 1. Внутри направляющей трубы 7 подвешена насосно-компрессорная колонна, которая заканчивается в верхней части непосредственно в устье 8 скважины.

На устье 8 скважины установлена известная сама по себе фонтанная арматура, главная часть которой выполнена в виде блока 10 задвижек. В этом блоке имеется несколько задвижек, как показано на фиг.1, а именно эсплуатационная фонтанная задвижка 11, кольцевая фонтанная задвижка 12, эксплуатационная задвижка 13 на отводящей линии, кольцевая задвижка 14 на отводящей линии, перепускная задвижка 16 и задвижка 18 для технического обслуживания. Кроме того, показан модуль 19 управления для выполнения функций управления и контроля в фонтанной арматуре.

В своей нижней части фонтанная арматура имеет соединитель или соединительные средства 10В, известным образом установленные, предпочтительно разъемно, на устье 8 скважины. Кроме того, в верхней части фонтанная арматура 10 имеет соединительный элемент 10А, аналогичный верхнему концу устья 8 скважины, для взаимодействия с соединительными средствами 20В в нижней части поворотного устройства 20, более подробно описанного ниже.

Благодаря наличию такого рода разъемного соединителя или соединительного средства можно отсоединить и поднять на поверхность фонтанную арматуру 10 и поворотное устройство 20 вместе или раздельно для замены или технического обслуживания. Как видно из чертежей, фонтанную арматуру 10 и все устройство, в которое она входит, несет на себе и поддерживает, в основном, направляющая труба 7 и частично также бетонная фундаментная плита 5.

Поворотное устройство 20 имеет неподвижную центральную сердцевину 25 со сквозными осевыми каналами, в число которых входит канал 21 для продукта и кольцевой канал 22. Оба они в нижней части сообщаются с соответствующими каналами для текучей среды в блоке 10 задвижек, чтобы обеспечить, среди прочего, возможность выполнения задвижками соответствующих функций. Кроме того, поворотное устройство 20 имеет расположенные вокруг сердцевины 25 два или более кольцевых канала 27 для текучей среды со своими уплотнениями и подшипниками. Эти элементы поворотного устройства для системы текучей среды сами по себе известны, например, из патента Норвегии 177780, описывающего разъемное по оси поворотное устройство, первоначально предназначенное для других целей.

Поворотное устройство 20 снабжено соединительными элементами, обозначенными в целом 31А и 32А, для восходящих труб или рукавов 31 и 32, проходящих в воде к добывающему судну (см. фиг.4). Соединительные элементы 31А и 32А для передачи текучей среды расположены примерно в центре поворотного устройства 20 и направлены вбок, а верхний соединительный элемент 33А для главного кабеля 33 расположен в верхней части поворотного устройства 20, или, точнее, его корпуса 24, способного поворачиваться вокруг оси 20Х при движении добывающего судна вокруг скважины, как было указано выше. Корпус 24 и, соответственно, все поворотное устройство 20 установлено на подшипнике 30, так что весь узел может поворачиваться относительно соединительных средств 20В, установленных на верхней части фонтанной арматуры 10.

Соединительные элементы 31А и 32А могут содержать запорные клапаны, как показано на фиг.1. Каналы 21 и 22 для текучей среды в данном варианте выполнения поворотного устройства проходят до верхней части сердцевины 25, которая выступает над корпусом 24, так что может быть обеспечен доступ из верхней части поворотного устройства 20 через эти каналы и далее через блок 10 задвижек в скважину для выполнения в ней операций. Во время нормальной работы верхние отверстия каналов 21 и 22 закрыты заглушкой 29 или аналогичным элементом.

Часть 28 поворотного устройства, расположенная на уровне соединительного элемента 33А, служит для необходимой электрической и гидравлической связи между главным кабелем 33 и, в частности, модулем 19 управления в фонтанной арматуре в целях управления и т.п. Эта связь, проходящая через поворотное устройство 20 и, частично, снаружи фонтанной арматуры, схематично показана линией, образованной точками.

В отличие от варианта осуществления изобретения, показанного на фиг.1, предназначенного, главным образом, для взаимодействия с добывающим судном, удерживаемым в определенном месте с помощью динамического позиционирования, варианты согласно фиг.2 и 3 основаны на том, что судно с помощью одного или более тросов пришвартовано к устройству устья скважины на морском дне. В этих двух вариантах подводное оборудование или установка имеет специальную конструкцию, предусматривающую наличие поворотного устройства. В этом случае действующие со стороны швартовых тросов силы, намного превышающие силы, которым подвергаются восходящие трубы или рукава и, возможно, главный кабель, воспринимаются конструкцией, которая непосредственно не связана с самим узлом фонтанной арматуры. Соответственно, сама фонтанная арматура, поворотное устройство или собственно устье не испытывают заметных нагрузок, вызванных швартовкой судна.

Вариант осуществления изобретения, показанный на фиг.2, также имеет фундаментную плиту 45, раму 46 типа шарового шарнира и направляющую трубу 47, полностью соответствующие показанным на фиг.1. Кроме того, на фиг.2 показано основание 49, служащее опорой для всего находящегося над ним устройства. С помощью прочных конструктивных элементов основание 49 непосредственно соединено с направляющей трубой 47 для передачи на нее сил, возникающих при швартовке. На основании 49 установлен пятой прочный каруселеобразный корпус 60 с возможностью поворота вокруг центральной оси 20Х. Корпус 60 снабжен крепежными элементами 61 в виде выступающих стержней, предпочтительно расположенными противоположно друг другу, для крепления вилки 63, верхний конец 64 которой служит для соединения с одним или более швартовыми 69. Вилка 63 имеет две лапки, соединенные поперечиной 64. Вилка 63 может принимать различные угловые положения, поворачиваясь вокруг горизонтальной оси, проходящей между крепежными элементами 61, при этом верхним угловым положением вилки является ее практически вертикальное положение, а нижнее угловое положение вилки практически ограничено главным кабелем и/или восходящими трубами 31 и 32.

Зашвартованное добывающее судно, воздействуя на устройство через швартов или швартовы 69 и, следовательно, через вилку 63, вызывает поворот заштрихованных частей устройства вокруг оси 20Х. Соответствующее поворотное движение выполняет само поворотное устройство, при этом сердцевина 25 вместе с блоком задвижек остается неподвижной, а остальные части поворотного устройства, включая его корпус 24, участвуют в поворотном движении.

Для обеспечения одновременного совместного поворота корпуса 60 и поворотного устройства 20 служит механическая соединительная стойка или стяжка 66 в виде вертикального стержня, концы которого взаимодействуют с радиальными плечами, прикрепленными, соответственно, к корпусу 60 и поворотному корпусу 24, как схематично показано на фиг.2. Эту стяжку 66 можно использовать и при установке деталей устройства на корпус 60 или блок 50 задвижек. Для этого соединительная втулка на плече поворотного корпуса может быть снабжена конусом 66А, расширяющимся вниз, в который при установке входит верхний конец стержня 66.

Как видно на фиг.2 по цифровым позициям 20-30, собственно поворотное устройство 20 в принципе такое же, как показанное на фиг.1. Однако на фиг.2 восходящие трубы 31 и 32 и главный кабель 33 направлены вбок от поворотного устройства, предпочтительно посередине между лапками вилки 63. В связи с этим восходящие трубы 31 и 32 и, возможно, главный кабель 33 отходят от поворотного устройства 20 предпочтительно в более горизонтальном угловом положении, чем угловое положение лапок вилки 63, при любых условиях эксплуатации и при любом изменении положения судна и сил, возникающих при швартовке.

В более интегрированном варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 2, с выгодой используется упрощенная фонтанная арматура с блоком 50 задвижек, содержащим лишь две задвижки - эксплуатационную фонтанную задвижку 51 и кольцевую фонтанную задвижку 52. При необходимости может иметься более двух задвижек. Фонтанная арматура содержит также модуль 19 управления.

Вариант выполнения устройства, показанный на фиг.3, имеет очень много общего с показанным на фиг.2, за исключением наличия всасывающегося якоря 80. Собственно поворотное устройство 20 показано здесь менее подробно, но восходящие трубы/рукава/кабели 31/32/33 показаны так же, как и в предыдущих вариантах. Фонтанная арматура 50 может быть такой же конструкции, как и на фиг. 2. То же самое относится и к вилке 73, присоединенной своим концом 74 к швартову или тросу 79, а нижними концами лапок - к крепежным элементам 71 на поворотном корпусе 70. В данном случае последний имеет больший диаметр, чем корпус 60 на фиг.2, в частности, для передачи возникающих при швартовке сил на всасывающийся якорь 80. Всасывающийся якорь 80 имеет верхнюю плиту или раму 88, на которую с возможностью поворота опирается корпус 70. В нижней части рама 88 соединена с основанием 89, входящим в конструкцию, окружающую устье скважины таким же образом, как конструкция на фиг.2. Благодаря всасывающему якорю 80 опорная рама 88 имеет собственный фундамент на морском дне 1, причем всасывающийся якорь может быть заменен другим типом якорного устройства. Силы, возникающие при швартовке, от швартова 79 передаются через вилку 73 и крепежные элементы 71 непосредственно на якорь 80, без заметного нагружения фонтанной арматуры 50, поворотного устройства 20 и узлов 45-48 устья скважины.

На фиг.4 показан общий вид системы в целом, в которой добывающее плавучее средство или судно 3 взаимодействует с показанным в общем виде устьем 4 скважины на морском дне 1. Восходящие трубы или рукава 31 и 32 изображены в полную длину до судна 3, где они соединены с технологическим модулем 3А, показанным условно. Кроме того, показан весь швартов 79, проходящий через поверхность 2 моря к швартовному устройству в носовой части судна 3. В средней части швартов 9 снабжен плавучим элементом. Восходящие трубы 31 и 32 также имеют в своей нижней части плавучие тела для подъема над морским дном 1. Такая система описана более подробно в международной заявке на патент, упомянутой выше.

Подводная скважина для добычи нефти или газа в открытом море содержит устье скважины, фонтанную арматуру, установленную на устье скважины, и по меньшей мере одну восходящую трубу для соединения с добывающим судном на поверхности моря. На верхней части фонтанной арматуры установлено поворотное устройство, сообщающееся с фонтанной арматурой и снабженное соединительными элементами для восходящих труб или рукавов и главного кабеля или кабеля управления, направленными предпочтительно вбок. На уровне, ниже уровня, на котором находится поворотное устройство, расположены крепежные элементы для вилки. Вилка установлена с возможностью поворота в пределах некоторого угла вокруг горизонтальной оси для соединения своим наружным концом по меньшей мере с одним швартовом добывающего судна. Крепежные элементы закреплены на корпусе, установленном с возможностью поворота вокруг центральной вертикальной оси, совпадающей с осью поворотного устройства. Основание имеет фундамент на морском дне для передачи сил, возникающих при швартовке непосредственно от крепежных элементов на фундамент без заметного нагружения фонтанной арматуры или поворотного устройства. Предотвращаются нагружения фонтанной арматуры и устья скважины. 10 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Подводная скважина для добычи нефти или газа в открытом море, содержащая устье (5-8, 45-48) скважины, фонтанную арматуру (10-19, 50-59), установленную на устье скважины, и по меньшей мере одну восходящую трубу (31-32) для соединения с добывающим судном (3) на поверхности (2) моря, причем на верхней части фонтанной арматуры (10-19, 50-59) установлено поворотное устройство (20), сообщающееся (21, 22) с фонтанной арматурой и снабженное направленными предпочтительно вбок соединительными элементами (31А, 32А, 33А) для восходящих труб или рукавов (31, 32) и для главного кабеля (33) или кабеля управления, отличающаяся тем, что на уровне, ниже уровня, на котором находится поворотное устройство (20), расположены крепежные элементы (61, 71) для вилки (63, 64, 73, 74), установленной с возможностью поворота в пределах некоторого угла вокруг горизонтальной оси, для соединения своим наружным концом (64, 74) по меньшей мере с одним швартовом (69, 79) добывающего судна, при этом указанные крепежные элементы (61, 71) закреплены на корпусе (60, 70), установленном с возможностью поворота вокруг центральной вертикальной оси (20Х), совпадающей с осью поворотного устройства, на основании (49, 89), имеющем фундамент на морском дне (1), для передачи сил, возникающих при швартовке, непосредственно от крепежных элементов (61, 71) на фундамент (47, 80) без заметного нагружения собственно фонтанной арматуры (50) или поворотного устройства (20). 2. Подводная скважина по п.1, отличающаяся тем, что устье скважины содержит направляющую трубу (47), а основание (49) жестко соединено с направляющей трубой (47), которая образует таким образом указанный фундамент. 3. Подводная скважина по п.1, отличающаяся тем, что основание (89) имеет независимый фундамент на морском дне 1 в виде якорного элемента (80), например, всасывающегося якоря. 4. Подводная скважина по одному из пп.1-3, отличающаяся тем, что для совместного поворота поворотного устройства (20) и корпуса (60) между ними предусмотрена механическая стяжка (66). 5. Подводная скважина по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что центральные каналы (21, 22) для текучей среды проходят в осевом направлении в сердцевине (25) поворотного устройства по всей его длине до верхней части, где для них предусмотрен съемный закрывающий элемент (29). 6. Подводная скважина по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что нижний конец восходящих труб (31, 32) соединен с поворотным устройством (20) в его центральной части и отходит от поворотного устройства предпочтительно посередине между лапками (63, 73) вилки. 7. Подводная скважина по п.6, отличающаяся тем, что восходящие трубы (31, 32) почти при всех условиях швартовки отходят от поворотного устройства (20) в более горизонтальном угловом положении, чем угловое положение лапок (63, 73) вилки. 8. Подводная скважина по п.6 или 7, отличающаяся тем, что соединительный элемент (33А) для главного кабеля (33) расположен на верхней части поворотного устройства (20), которое имеет расположенную на том же уровне часть (28) для кабельных соединений, таких, как устройство с контактными кольцами для электрической или гидравлической связи. 9. Подводная скважина по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что фонтанная арматура (10, 50) в нижней и, предпочтительно, в верхней части имеет разъемные соединительные элементы (10А, 10В, 50В) для взаимодействия с устьем (8, 48) скважины и, возможно, с соединительными средствами (20В) для снятия фонтанной арматуры (10, 50) и поворотного устройства (20) вместе или раздельно. 10. Подводная скважина по любому из пп.1-9, отличающаяся тем, что фонтанная арматура (50) содержит лишь одну эксплуатационную фонтанную задвижку (51) и одну кольцевую задвижку (52). 11. Подводная скважина по п.10, отличающаяся тем, что соединительные элементы (31, 32) содержат клапаны, которые могут играть роль задвижек на отводящей линии.