ПОВОРОТНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2002 года по МПК E21B33/38 E21B43/13 

Изобретение относится к поворотному устройству для установки на скважине для подводной добычи нефти или газа, приспособленному для соединения с добывающим судном на поверхности моря, содержащему главное поворотное устройство или поворотное устройство для прохождения текучей среды, имеющее по меньшей мере два канала для текучей среды, и вспомогательное поворотное устройство для электрических/гидравлических соединений, служащее для передачи сигналов и энергии.

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 определенные 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 фонтанной арматуры.

Известно поворотное устройство для установки на скважине для подводной добычи нефти или газа, приспособленное для соединения с добывающим судном на поверхности моря, содержащее главный поворотный элемент или поворотный элемент для прохождения текучей среды, имеющий по меньшей мере два канала, проходящие вертикально насквозь через центральную сердцевину этого элемента, обеспечивая доступ в скважину с верхней стороны поворотного элемента для прохождения текучей среды, и вспомогательный поворотный элемент для электрических/гидравлических соединений, предназначенный для передачи сигналов и энергии (US 3750749, кл. Е 21 В 33/00, 07.08.93). В этом поворотном устройстве центральная сердцевина поворотного элемента для прохождения текучей среды выполнена с возможностью поворота относительно его корпуса, к которому при соединении этого устройства с добывающим судном могут крепиться швартовы и восходящие трубы для передачи на судно нефти или газа и который остается при этом неподвижным. Недостатком указанного поворотного устройства является то, что при движении вокруг него судна под воздействием ветра или других погодных условий, в частности волн, швартовы и восходящие трубы, прикрепленные к неподвижному корпусу поворотного элемента для прохождения текучей среды, обвиваются вокруг него, что может привести к их запутыванию и даже к обрыву, а возникающие при этом в швартовых и восходящих трубах силы передаются поворотному устройству и оборудованию скважины, на которой оно установлено, вызывая в них дополнительные напряжения.

Задачей изобретения является предотвращение возникновения в оборудовании скважины, на которой установлено поворотное устройство, напряжений, обусловленных силами, вызываемыми восходящими трубами и швартовыми добывающего судна, присоединенного к поворотному устройству, при движении этого судна под воздействием ветра или других погодных условий, в частности волн.

Поставленная задача решается тем, что в поворотном устройстве для установки на скважине для подводной добычи нефти или газа, приспособленном для соединения с добывающим судном на поверхности моря, содержащем главный поворотный элемент или поворотный элемент для прохождения текучей среды, имеющий по меньшей мере два канала, проходящие вертикально насквозь через центральную сердцевину этого элемента, обеспечивая доступ в скважину с верхней стороны поворотного элемента для прохождения текучей среды, и вспомогательный поворотный элемент для электрических/ гидравлических соединений, предназначенный для передачи сигналов и энергии, согласно изобретению поворотный элемент для прохождения текучей среды снабжен корпусом, установленным с возможностью поворота на верхней части неподвижной фонтанной арматуры, предпочтительно содержащей небольшое количество задвижек, таких как эксплуатационная фонтанная задвижка и эксплуатационная кольцевая задвижка, в нижней части фонтанной арматуры имеется корпус для передачи сил, который опирается пятой на основание с фундаментом на морском дне с возможностью поворота вокруг общей вертикальной оси, швартовная вилка имеет две лапки, свободные концы которых с возможностью поворота соединены с крепежными элементами на обеих сторонах этого корпуса, а противоположные концы приспособлены для соединения с концом швартова, а между корпусом и корпусом поворотного элемента для прохождения текучей среды имеется механическая направляющая или стяжка, чтобы корпус поворотного элемента для прохождения текучей среды совершал такое же поворотное движение, что и корпус, под воздействием вилки.

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/NО 96/00201 от 07.08.96. Настоящее изобретение предполагает, что добывающее судно может находиться прямо над фонтанной арматурой, расположенной 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.

Предложенное решение целесообразно при использовании фонтанной арматуры определенного, предпочтительно упрощенного, вида, в большей или меньшей степени объединенной с устройством согласно изобретению, как видно из последующего описания.

Это принципиальное решение, которое на практике может быть реализовано в различных формах, позволяет получить ряд преимуществ, из которых можно отметить 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 стать выгодной, так что 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 упрощенно показана система в целом, где добывающее судно соединено с устройством на морском дне и пришвартовано к этому устройству, и
на фиг.2 показан предпочтительный вариант выполнения устройства согласно изобретению, вид сбоку с частичным разрезом.

На фиг. 1 показана система в общем виде, в которой добывающее плавучее средство или судно 3 взаимодействует с изображенной схематично скважиной или аналогичным устройством, обозначенным в целом позицией 20, на морском дне 1. Восходящие трубы или рукава 31 и 32 изображены в полную длину до судна 3, где они соединены с технологическим блоком 3А, показанным схематично. Через поверхность 2 моря к швартовному устройству в носовой части судна 3 проходит швартов 69. В средней части швартов 69 снабжен плавучим элементом. Восходящие трубы 31 и 32 в своей нижней части также имеют плавучие тела для их подъема над морским дном 1. Такая система описана более подробно в международной заявке на патент PCT/NО 96/00201 от 07.08.96.

На фиг. 2 заштрихованы те детали и составные части устройства, которые совершают качание или поворот при движении судна вокруг подводной установки под воздействием ветра или других погодных условий, в частности волн. Устройство предпочтительно установлено так, что общая центральная вертикальная ось 20Х совпадает с осью устья 48 скважины, т.е. верхней части насосно-компрессорной колонны, если речь идет о подводной нефтяной или газовой скважине.

На фиг.2 сравнительно подробно показаны прежде всего более или менее общие конструкции в верхней части нефтяной или газовой скважины на морском дне 1. Бетонная плита или основание 45 образует фундамент на морском дне 1 и имеет центральное отверстие для самоустанавливающейся рамы 46 типа шарового шарнира, соединенной, в свою очередь, с общей направляющей трубой 47, которая известным образом может уходить на десятки метров вглубь в морское дно 1. Внутри направляющей трубы 47 подвешена насосно-компрессорная колонна, которая заканчивается в верхней части в устье 48 скважины.

Основание 49 служит опорой для всего устройства, находящегося над ним. С помощью прочных опорных конструктивных элементов основание 49 непосредственно соединено с направляющей трубой 47 для передачи на нее сил, возникающих при швартовке. На основании 49 установлен, опираясь на него пятой, прочный каруселеобразный корпус 60 с возможностью поворота вокруг центральной оси 20Х. Корпус 60 снабжен крепежными элементами 61 в виде выступающих стержней, расположенными предпочтительно противоположно друг другу, для вилки 63, верхний конец 64 которой предназначен для соединения с одним или более швартовами 69. Вилка 63 имеет две лапки, соединенные ее верхним концом или поперечиной 64, и может принимать различные угловые положения, поворачиваясь вокруг горизонтальной оси, проходящей между крепежными элементами 61. Диапазон угловых положений вилки при ее повороте лежит между ее вертикальным положением и нижним положением, практически ограниченным главным кабелем и/или восходящими трубами 31 и 32.

При работе 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 происходит в поворотном элементе для прохождения текучей среды, при этом центральная сердцевина 25 вместе с блоком задвижек остается неподвижной, а остальные части этого поворотного элемента, включая его корпус 24, участвуют в поворотном движении. Таким образом, корпус 24 поворотного элемента для прохождения текучей среды установлен своей пятой, как показано позицией 30, с возможностью поворота на верхней части блока 50 задвижек.

Для того чтобы обеспечить одновременный совместный поворот корпуса 60 и корпуса 24 поворотного элемента для прохождения текучей среды, предусмотрена механическая направляющая стойка или стяжка в виде вертикального стержня 72, нижний конец которого установлен в кронштейне 71, прикрепленном к корпусу 60, и который проходит вверх через втулку 73А на опорном плече 73, выступающем вбок от корпуса 24 поворотного элемента. Эта механическая стяжка выполнена достаточно жесткой, чтобы корпус 24 поворотного элемента для прохождения текучей среды совершал такой же поворот, что и каруселеобразный корпус 60, под воздействием вилки 63, когда она соединена через швартов 69 с судном на поверхности моря. Кроме обеспечения совместного поворота корпуса 60 и корпуса 24 поворотного элемента для прохождения текучей среды, стержень 72 вместе с втулкой 73А выполняет полезную функцию при установке поворотного устройства на устье скважины. С этой целью втулка 73А имеет расширяющийся вниз конус 73В для взаимодействия с верхним концом стержня 72 при установке поворотного элемента для прохождения текучей среды и, возможно, фонтанной арматуры 50 на устье 48 скважины. Фонтанная арматура или блок 50 в своей нижней части имеет монтажное или соединительное устройство 50В для создания разъемного соединения на устье 48 скважины, которое само по себе известно.

Поворотный элемент для прохождения текучей среды имеет неподвижную центральную сердцевину 25 со сквозными осевыми каналами, в число которых входят канал 21 для добываемого продукта и кольцевой канал 22. Оба они в нижней части сообщаются с соответствующими каналами для текучей среды или трубопроводами в блоке 50 задвижек для обеспечения, среди прочего, возможности выполнения задвижками их функций. В связи с этим следует особо отметить, что эти каналы для текучей среды идут вертикально от верхней части сердцевины 25 поворотного элемента для прохождения текучей среды и, предпочтительно, их непосредственным продолжением являются соответствующие каналы 56, 57 в фонтанной арматуре, как показано на фиг.2. Благодаря этому становится возможным доступ в скважину с верхней стороны поворотного элемента для прохождения текучей среды. Однако это может быть выполнено при условии, что верхний элемент 77 всего поворотного устройства удален, как будет описано ниже.

Поворотное устройство 20 имеет расположенные вокруг сердцевины 25 два или более показанных в общем виде кольцевых канала 27 для текучей среды со своими уплотнениями и подшипниками. Такие каналы поворотного элемента для прохождения текучей среды сами по себе известны, например, из патента Норвегии N 177780, описывающем разъемное по оси поворотное устройство, первоначально предназначенное для других целей.

Корпус 24 поворотного элемента для прохождения текучей среды снабжен соединительными элементами, обозначенными в целом 31А и 32А, для восходящих труб или рукавов 31 и 32, проходящих в воде вверх к добывающему судну (см. фиг. 1). Соединительные элементы 31А и 32А для транспортировки текучей среды расположены примерно в центре поворотного устройства 20, а верхний соединительный элемент 33А для главного кабеля 33 расположен в верхней части корпуса 24 поворотного элемента для прохождения текучей среды, который может поворачиваться вокруг оси 20Х при движении судна. Корпус 24 установлен на подшипнике 30 и может поворачиваться относительно фонтанной арматуры или блока 50.

С помощью соединителя 20В верхний элемент 77, представленный своим кожухом, введен в поворотное устройство 20 на фиг.2. Соединитель 20В позволяет отделить верхний элемент от остальной части поворотного устройства и подсоединить его к остальной части поворотного устройства, как будет видно из последующего описания. В верхнем элементе 77 расположен вспомогательный поворотный элемент 28 для передачи сигналов и энергии, а также модуль 29 управления для фонтанной арматуры. Механизм 79 с контактными кольцами служит для того, чтобы при повороте была обеспечена связь между различными проводными соединениями в верхнем элементе 77 и фонтанной арматуре 50, а также, возможно, и в других блоках, входящих в устье скважины.

С другой стороны, предусмотрены электрические и гидравлические соединения от верхнего элемента 77 через соединительную перемычку 77В, которая отходит наружу от боковой стенки кожуха верхнего элемента 77 и идет вниз вдоль боковой стороны соединителя 20В. Эта перемычка 77В снабжена соединительной пластиной 78 или аналогичным элементом для взаимодействия с ответной частью соединительного элемента 33А для главного кабеля. Через соединительную пластину 78, соединительную перемычку 77В и внутреннюю часть верхнего элемента 77, включающего механизм 79 с контактными кольцами, главный кабель может быть связан с фонтанной арматурой 50 и так далее.

Как показано позицией 26, верхний элемент 77 опирается пятой с возможностью поворота на соединитель 20В. Синхронный и одновременный поворот верхнего элемента под воздействием вилки 63 обеспечивается с помощью стержня 72, входящего во втулку 75А, соединенную с кожухом верхнего элемента 77 посредством радиального плеча 75. Втулка 75А имеет расширяющийся вниз конус 75В, который, как и нижний конусный элемент 73В, служит для надежной установки верхнего элемента 77 на верхний конец сердцевины 25, в то же время устанавливая соединение с помощью пластины 78. Для такой установки или для снятия верхнего элемента 77 он снабжен верхней манипуляционной головкой 77А, которая имеет соответствующие форму и размеры для взаимодействия с используемым инструментом. Очевидно, что такие операции с помощью манипуляционной головки могут также в зависимости от обстоятельств касаться установки поворотного устройства в целом, включая поворотный элемент 24, 27 для прохождения текучей среды и фонтанную арматуру или блок 50 с соединителем 50В, на устье 48 скважины.

Направленные вбок соединительные элементы 31А и 32А для восходящих труб предпочтительно расположены в одной плоскости с соединительным элементом 33А для главного кабеля 33, при этом все соединительные элементы направлены по существу наружу от корпуса 24 поворотного элемента для прохождения текучей среды посередине между лапками 63 вилки. Может оказаться полезным предусмотреть запорные клапаны 31В и 32В между соединительными элементами и корпусом 24, как видно из фиг.2. Эти запорные клапаны могут также играть роль задвижек на отводящих линиях, которые представляют интерес ввиду того, что предпочтительно используется фонтанная арматура 50 упрощенного типа.

Некоторые признаки описанного поворотного устройства соответствуют конструктивным признакам, описанным в патентной заявке N 963585 "Устройство подводной скважины", поданной одновременно с настоящей заявкой.

Поворотное устройство для установки на скважину для подводной добычи нефти или газа приспособлено для соединения с добывающим судном на поверхности моря, содержит главный поворотный элемент или поворотный элемент для прохождения текучей среды, имеющей по меньшей мере два канала. Вспомогательный поворотный элемент служит для электрических/гидравлических соединений и предназначен для передачи сигналов и энергии. Поворотный элемент для прохождения текучей среды снабжен корпусом, установленным на верхней части неподвижной фонтанной арматуры, предпочтительно содержащей небольшое количество задвижек, таких как эксплуатационная фонтанная задвижка и кольцевая фонтанная задвижка. Упомянутые каналы проходят вертикально сквозь сердцевину поворотного элемента для прохождения текучей среды, обеспечивая доступ в скважину с верхней стороны поворотного элемента для прохождения текучей среды. Изобретение позволяет использовать добывающее судно обычной конструкции, которое применяется также и для технического обслуживания скважины. Повышается степень извлечения продукта на месторождениях с ограниченными запаcами. 10 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Поворотное устройство для установки на скважине для подводной добычи нефти или газа, приспособленное для соединения с добывающим судном (3) на поверхности (2) моря, содержащее главный поворотный элемент или поворотный элемент для прохождения текучей среды, имеющий по меньшей мере два канала (21, 22), проходящие вертикально насквозь через центральную сердцевину (25) этого элемента, обеспечивая доступ в скважину с верхней стороны поворотного элемента для прохождения текучей среды, и вспомогательный поворотный элемент (28) для электрических или гидравлических соединений, предназначенный для передачи сигналов и энергии, отличающееся тем, что поворотный элемент для прохождения текучей среды снабжен корпусом (24), установленным с возможностью поворота на верхней части неподвижной фонтанной арматуры (50), в нижней части фонтанной арматуры (50) имеется корпус (60) для передачи сил, который опирается пятой на основание (49) с фундаментом на морском дне (1) с возможностью поворота вокруг общей вертикальной оси (20Х), швартовная вилка (63) имеет две лапки, свободные концы которых с возможностью поворота соединены с крепежными элементами (61) на обеих сторонах этого корпуса (60), а противоположные концы приспособлены для соединения с концом швартова (69), а между корпусом (60) и корпусом (24) поворотного элемента для прохождения текучей среды имеется механическая направляющая или стяжка (71-75), чтобы корпус поворотного элемента для прохождения текучей среды совершал такое поворотное движение, что и корпус (60), под воздействием вилки (63). 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каналы (21, 22) в сердцевине (25) расположены по одной линии с соответствующими каналами (56, 57) внутри фонтанной арматуры (50) так, что являются непосредственным продолжением этих каналов. 3. Поворотное устройство по п.1, отличающееся тем, что механическая стяжка между корпусом (60) и корпусом (24) поворотного элемента для прохождения текучей среды содержит стержень (72), проходящий параллельно общей вертикальной оси 20Х сбоку от фонтанной арматуры и корпуса (24) поворотного элемента для прохождения текучей среды. 4. Поворотное устройство по п.3, отличающееся тем, что указанный стержень (72) прикреплен (71) нижним концом к корпусу (60) и взаимодействует со втулкой (73А) на наружном конце плеча (73), внутренний конец которого прикреплен к корпусу (24) поворотного элемента для прохождения текучей среды, при этом втулка (73А) имеет расширяющийся вниз конус (73В) для взаимодействия с верхним концом стержня (72) при установке поворотного элемента для прохождения текучей среды и, возможно, фонтанной арматуры (50) на устье (48) скважины. 5. Поворотное устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что оно содержит съемный верхний элемент (77), включающий в себя указанный вспомогательный поворотный элемент (28) и снабженный в своей нижней части соединителем (20В), который взаимодействует с сердцевиной (25) поворотного элемента для прохождения текучей среды, предпочтительно несколько выступающей вверх от верхней стороны корпуса поворотного элемента для прохождения текучей среды. 6. Поворотное устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что верхний элемент (77) установлен пятой с возможностью поворота на указанном соединителе (20В) и снабжен плечом (75) со втулкой (75А), имеющей конус (75В) для взаимодействия с указанным стержнем (72). 7. Поворотное устройство по п.6, отличающееся тем, что верхний элемент (77) содержит управляющий модуль (29) для фонтанной арматуры (50), причем от верхнего элемента (77) отходит наружу и вниз соединительная перемычка (77В), снабженная на нижнем конце соединительной пластиной (78) для взаимодействия с ответной частью выступающего вбок соединительного элемента (33А) для главного или управляющего кабеля (33) на корпусе (24) поворотного элемента для прохождения текучей среды. 8. Поворотное устройство по одному из пп.5-7, отличающееся тем, что верхний элемент (77) снабжен манипуляционной головкой (77А) для его установки или снятия, отдельно или вместе с поворотным элементом (24) для прохождения текучей среды и фонтанной арматурой (50). 9. Поворотное устройство по любому из пп.1-8, отличающееся тем, что корпус (24) поворотного элемента для прохождения текучей среды снабжен направленными вбок соединительными элементами (31А и 32А) для, по меньшей мере, двух восходящих труб (31, 32), предпочтительно расположенными в одной плоскости с соединительным элементом (33А) для главного кабеля (33) и находящимися под этим соединительным элементом, при этом указанные соединительные элементы направлены, по существу, наружу и расположены посередине между лапками (63) вилки. 10. Поворотное устройство по п.9, отличающееся тем, что между соединительными элементами (31А, 32А) для восходящих труб и корпусом (24) поворотного элемента для прохождения текучей среды имеются запорные клапаны (31В, 32В), которые могут играть роль задвижек на отводящих линиях. 11. Поворотное устройство по любому из пп.1-10, отличающееся тем, что устье скважины включает направляющую трубу (47), указанный корпус (60) установлен с возможностью поворота на основании (49), соединенном с направляющей трубой (47), для передачи сил, возникающих при швартовке, непосредственно от крепежных элементов (61) вилки к направляющей трубе без нагружения фонтанной арматуры (50) или поворотного элемента (24, 27) для прохождения текучей среды.