СИСТЕМА ХРАНЕНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ТРУБ Российский патент 2010 года по МПК E21B19/14 

Настоящее изобретение относится к системам и устройствам для хранения и транспортирования труб (трубчатых элементов) между хранилищем и буровой вышкой, в частности на борту плавучего основания.

Разработка и эксплуатация морских месторождений нефти и газа связана с выполнением бурения с плавучих полупогруженных платформ или буровых судов. Многие буровые установки были построены в 70-е годы для бурения на глубине до 1500 футов (500 м) (установки 2-го и 3-го поколений), но по мере увеличения глубин, на которых ведутся разработки, строятся и вводятся в эксплуатацию буровые установки для глубин более 5000 футов (1500 м), причем рекорд глубины сегодня составляет примерно 10000 футов (3000 м) (установки для сверхглубоких скважин 4-го и 5-го поколения).

На глубинах до, примерно, 5000 футов, буровая установка может быть заякорена комбинацией цепи и стального троса или синтетического каната, в то время как на большей глубине буровые установки удерживаются на месте азимутальными подруливающими винтами и динамическим позиционированием. Благодаря высокой палубной грузовместимости и пригодности к динамическому позиционированию, большинство буровых установок для сверхглубокого бурения представляют собой буровые суда.

На буровых установках используется стальная водоотделяющая колонна (стояк) диаметром 21" (533,5 мм), для возврата бурового раствора и выбуренной породы обратно на поверхность для управления скважиной, очистки и повторного использования. Водоотделяющая колонна свинчена или скреплена из секций водоотделяющей колонны длиной от 50 до 80 футов (15-24 м), которые обычно обладают плавучестью, обеспеченной пеноматериалом, для получения в соленой воде нейтрального веса.

Как правило, секции водоотделяющей колонны добавляются к водоотеляющей колонне или снимаются с нее на палубе буровой установки, в то время как подвешенная нижняя часть водоотделяющей колонны, включая противовыбросовый превентор, свисает с клинового захвата, расположенного над роторным столом (отверстие в палубе буровой установки, сквозь которое проходит водоотделяющая колонна и другие трубы). Секции водоотделяющей колонны обычно перемещаются краном или другим оборудованием для операций с трубами в горизонтальные хранилища на палубе, либо в вертикальные или наклонные стойки на уровне палубы или над ней. В любом случае буровая установка должна обладать достаточным пространством, плавучестью и устойчивостью для размещения большого количества секций водоотделяющей колонны.

Более высокая суточная производительность, обеспечиваемая буровыми глубоководными установками 4-го и 5-го поколений, делает привлекательным усовершенствование буровых установок, предназначенных для работы на мелководье.

Все усовершенствования для работы на большой глубине предусматривают увеличение веса оборудования на установке и повышение требований к полезной нагрузке. Также очевидно, наиболее узким местом при использовании плавучего основания является объем хранилища для секций водоотделяющей колонны и его вес.

Существующие установки глубоководного бурения 4-го поколения имеют водоизмещение, почти вдвое превышающее водоизмещение большинства мелководных буровых (глубина 1500 футов) (глубина 500 м), что отражается на стоимости их постройки.

Известно насколько вариантов систем хранения и транспортировки труб. В некоторых из них ставится цель перемещения объема хранения и перераспределение веса вниз для улучшения устойчивости.

В US 3339747 представлена стойка для труб, предназначенная для установки бурения скважин, в которой колодец для труб подвешен к буровой платформе. Колодец для труб включает клиновое устройство в нижней части для вертикального перемещения водоотделяющих колонн.

В US 3978910 представлено устройство для складирования буровых труб на плавучих платформах. Это устройство представляет собой двухкоординатный позиционер, объединенный с контейнером, расположенным в подпалубной зоне плавучей платформы, в котором хранятся трубы. В одном из вариантов осуществления используется контейнер закрытого типа для бурового судна. Он выступает ниже уровня моря и ниже корпуса судна для обеспечения большей устойчивости. В другом варианте осуществления контейнер представляет собой часть конструкции, и предназначен для использования на полупогруженных платформах, устанавливаясь на высоте, где не будет подвергаться воздействию волнения средней жесткости. Приведенная выше система похожа на систему хранения и транспортирования секций водоотводной колонны, использованных на буровых установках Borgland Dolphin, Bideford Dolphin и ряде других платформ.

В US 6250395 представлено устройство и способ для установки трубы в скважину и извлечению трубы. Описанная система для хранения и ввода в действие длинных отрезков колонны соединенных труб в непосредственной близости к буровой установке предназначена для сокращения времени сборки и разборки колонн труб и снижения требований к плавучей платформе в отношении нагрузки. В системе используется изгибание колонны трубы с кривизной, радиус которой превышает радиус пластической деформации трубы, на угол более 90°, когда колонна выходит из вертикальной скважины и занимает горизонтальное или вертикальное положение для хранения в воде. Хранение в воде может осуществляться различными способами, внутри или снаружи рабочих труб, вертикально или горизонтально, в подвешенном под платформой виде, или на плаву на поверхности, либо в толще воды.

В этом патенте длинные секции колонны труб, полученные сборкой встык большого числа секций, перемещаются по направляющей большого радиуса из положения в скважине или над ней, в горизонтальное положение (примерно, с изгибом на 90°), либо в вертикальное положение (примерно, на 180°), для хранения в погруженном состоянии.

В US 2606003 представлена система для бурения с плавучей буровой установки, включающая морскую водоотделяющую колонну с двумя гибкими сочленениями и телескопическим сочленением (теперь это стандартное устройство морской водоотделяющей колонны), включающая в качестве вторичного признака, контейнер для хранения, который расположен внутри плавучей баржи и выступает ниже нее, обеспечивая, по существу, вертикальное хранение колонны труб. Контейнер хранения труб располагается таким образом, что находящиеся в нем трубы, в принципе, находятся ниже палубы баржи, благодаря чему понижается центр тяжести баржи, чем обеспечивается ее стабилизация при воздействии волн.

В US 6766860 представлена система и средства для подвешивания собранной колонны труб (например, полной водоотводной колонны) и отодвигания ее от роторного стола для обеспечения проведения работ снаружи водоотводной колонны (например, на фонтанном устьевом оборудовании).

В US 6524049 представлено полупогруженное перемещаемой буровое судно, имеющее шахту хранения для трубчатого бурильного оборудования, включающую вертикальное хранение буровых труб внутри одной или более шахт. Такая схема построения использована в двух новых конструкциях фирмы Amethyst для Petrobras, обеспечивая хранение 24 65 футовых отрезков водоотводной колонны диаметром 21".

В US 4646672 представлено полупогруженное судно, содержащее расположенный по центру плавучий кессон с внутренней буровой шахтой и средствами для вертикального хранения водоотделяющей колонны внутри кессона.

Эта конструкция была использована на буровой установке Jack Bates фирмы Transocean Inc., в конструкции L-1020 Trendsetter фирмы Fried & Goldman, построенной в Японии для вертикального хранения 87 60-футовых секций диаметром 21 дюйм.

В US 4708563 представлена платформа с несколькими цилиндрическими хранилищами, подвешенными с палубы платформы. Для извлечения труб извлекающее устройство перемещается между хранилищами и буровой вышкой. В каждом хранилище имеется турель, в которой подвешены трубы, и вращением которой трубы могут быть установлены в необходимое для извлечения положение.

В US 4762185 представлено судно с двумя цилиндрическими хранилищами внутри круглого корпуса. Трубы подвешиваются во вращающемся магазине. Над каждым хранилищем имеется тележка с направляющим кольцом, сквозь которое проходят трубы. Трубы поднимаются подъемным устройством в буровую вышку.

В основу настоящего изобретения положена задача эффективной переделки мелководных полупогружаемых буровых установок 2-го и 3-го поколений для работы на больших глубинах. Это достигается прикреплением к буровой установке одной или более шахт для хранения труб, в соответствии с приведенным далее п.1 формулы.

В предпочтительном варианте осуществления шахты проходят от понтона до уровня палубы, причем в каждой шахте имеются средства для вертикального хранения секций водоотделяющей колонны (стояка). Конструкция хранилища секций водоотделяющей колонны понижает центр тяжести хранящихся колонн, позволяя лучше использовать изменяемую грузоподъемность палубы буровой установки. Кроме того, зона складирования на палубе, обычно используемая для размещения колонны, освобождается для других нужд. В качестве дополнительного преимущества шахты повышают устойчивость буровой установки, а также могут быть оборудованы дополнительными средствами, например, средствами хранения бурового раствора.

Эти и другие признаки изобретения будут очевидны из зависимых пунктов формулы.

Помимо шахтных хранилищ, изобретение включает устройства для эффективной транспортировки секций водоотделяющей колонны между центром буровой вышки и зонами хранения колонн.

Изобретение будет подробно описано со ссылками на приложенные чертежи, на которых изображены приведенные в качестве примера варианты осуществления изобретения, где:

фиг.1 представляет вид сбоку плавучего основания с устройствами транспортирования, предложенного в настоящем изобретении,

фиг.2 представляет вид сверху плавучего основания, показанного на фиг.1,

фиг.3а представляет вид сверху фрагмента хранилища, предложенного в настоящем изобретении, в соответствии с первым вариантом осуществления хранилища,

фиг.3б представляет второй вариант осуществления хранилища,

фиг.4а и 4б представляет вид сбоку фрагмента помоста, предложенного в настоящем изобретении, показанного, соответственно, в горизонтальном и вертикальном положениях,

Фиг.4в-д показывает введение и подъем трубы в буровую вышку,

Фиг.4е представляет помост в схематичном поперечном сечении,

Фиг.5 представляет вид сверху помоста, показанного на фиг.4,

Фиг.6 представляет на виде сбоку головку захвата,

Фиг.7 представляет головку захвата на виде сбоку, перпендикулярно к виду на фиг.6.

Описание основных принципов настоящего изобретения приводится со ссылками на фиг.1 и 2. На фиг.1 и 2 представлено плавучее основание (платформа) 1, включающее пару понтонов 2, палубу 3 платформы и восемь опорных колонн 4, проходящих между понтонами 2 и палубой 3 и поддерживающих палубу 3. На палубе 3 расположена буровая вышка 5 с подъемным устройством 6. На палубе 3 также установлены два крана 7 шарнирно-сочлененного типа. Краны 7 являются многоцелевыми, предназначенными для выполнения большинства подъемных работ на палубе 3 платформы. Оба крана вместе перекрывают всю площадь палубы 3. По краям палубы 3 подвешены четыре шахты 8, 9, 10, 11, которые тянутся от палубы 3 до понтонов 2. Шахты 8, 9, 10, 11 выполнены как хранилища для труб, полое внутреннее пространство которых приспособлено для размещения труб, вкладываемых туда в вертикальном положении сверху.

Вблизи буровой вышки 5 находится помост 12. Конфигурация помоста 12, кранов 7 и шахт 8, 9, 10, 11 хранилищ обеспечивают в своем взаимодействии транспортировку труб к буровой вышке 5 и обратно.

На фиг.3а показана одна из шахт 8 на виде сверху. В шахте 8 хранится несколько труб 13. Поверх шахты имеется крышка 14 (на фиг.3 крышка 14 показана прозрачной, с видимыми сквозь нее трубами). Крышка защищает трубы и внутреннее пространство шахты 8 от непогоды. На крышке 14 размещена направляющая воронка 15. Направляющая воронка 15 установлена на небольшой тележке 16, перемещающейся по рельсам 17, расположенным по обеим сторонам продолговатого отверстия 18 в крышке 14. Трубы расположены в два ряда концентрическими кругами 19 и 20. Воронка может перемещаться между кругами 19, 20 с помощью тележки 16, а вдоль кругов за счет поворота крышки 14. Для обеспечения поворота крышки на краю шахты 8 установлен двигатель 21, шестеренка которого сцеплена с зубчатым венцом края крышки. Направляющая воронка располагается над выбранной трубой дискретным позиционированием в полярных координатах, например, заданием номера круга 1 или 2, и углового положения на круге.

На фиг.3б показан альтернативный вариант осуществления направляющих средств для выбора труб в шахте. Направляющий механизм 22 может перемещаться вдоль поперечины 23. Поперечина 23 образует часть тележки 24, которая может перемещаться по рельсам 25, расположенным по обе стороны шахты 9 хранилища. Трубы 13 в шахте 9 также могут быть размещены по двум концентрическим кругам 19, 29. Для установки над выбранной трубой, направляющий механизм 22 может перемещаться по направлениям х и у по всей крышке шахты.

На фиг.4а показан помост 12 и нижняя часть буровой вышки 5. Помост 12 используется для транспортировки труб в горизонтальном положении в буровую вышку 5 сквозь V-образную дверь (не показана) в буровой вышке 5. На фиг.4а труба 26 в виде секции водоотделяющей колонны лежит на помосте 12. Когда труба вводится в V-образную дверь, подъемное устройство 6 буровой вышки 5 прикрепляется к концу трубы 26, и труба поднимается с помоста в вертикальное положение.

Конструкция помоста, предложенного в настоящем изобретении, позволяет устанавливать его в вертикальном положении, как это показано на фиг.4б. Назначение этой функции будет описано ниже.

На фиг.4е представлено поперечное сечение помоста, показанного на фиг.4а. Помост включает несущую раму 40, которая может поворачиваться на шарнире 41, обеспечивая угловое перемещение из горизонтального положения в вертикальное и обратно.

В несущей раме имеется скользящая подставка 42, которая может скользить вдоль рамы 40. Скользящая подставка включает ложе 43 для трубы, на которое может быть уложена труба 26. У скользящей подставки имеются боковые упоры 44, на свободных концах которых закреплены ролики 45, которые могут захватывать трубу 26, удерживая ее в скользящей подставке 42. Когда труба 26 должна быть помещена в скользящую подставку 42 или поднята с подставки 42, ролики могут быть отведены в положение, обозначенное 45'.

На фиг.5 помост 12 и зона буровой вышки показаны на виде сверху. Сама вышка не показана, чтобы можно было показать область внутри вышки 5.

Фиг.6 и 7 показывают захват 27, предназначенный для захвата и удержания трубы, такой как стояк 26, показанный на фиг.4а. Захват прикреплен к стреле 28 (см. фиг.1) шарнирно-сочлененных кранов 7 посредством шарнира 29. В предпочтительном варианте осуществления шарнир 29 оснащен гидравлическим приводом для поворота вокруг первой оси 38, перпендикулярной стреле 28, как показано стрелкой 30 на фиг.6. У захвата 27 также имеется второй шарнир 31, имеющий гидравлический привод для поворота вокруг второй оси 32, перпендикулярной первой оси 31, как это показано стрелкой 33 на фиг.7.

Для захватывания трубы головка 34 захвата 27 вводится в трубу 26 с ее конца. Для захвата фланца трубы (не показана) предназначен ряд кулачков 35. Кулачки имеют гидравлический привод известной конструкции, включающей кольцо 36, которое, перемещаясь, вводится или выводится из зацепления с кулачками 36 под действием гидравлических цилиндров 37. На фиг.6 и 7, кулачки 36 в левой части чертежей показаны расцепленными с трубой, а в правой части чертежей показаны в состоянии захвата трубы.

Захват 27 обеспечивает захватывание трубы, когда труба находится по существу в вертикальном положении. Труба будет переноситься приблизительно в вертикальном положении, поскольку шарниры 29 и 31 могут удерживать захват 27 в вертикальном положении. Из-за перемещения буровой установки 1 под действием волн, ветра, а также из-за непредвиденных столкновений с объектами на буровой установке, на трубу, а, значит, и на захват, могут воздействовать чрезмерные усилия. Чтобы избежать повреждения захвата 27, он может быть оснащено гидравлическими предохранительными средствами. Предохранительные средства могут быть выполнены известным образом в виде предохранительного клапана, снимающего давление в шарнирах 29 и 31.

Далее приводится описание работы упомянутых выше устройств.

Трубы, например секции водоотделяющей колонны, хранятся в шахтах 8, 9, 10, 11 в разных местах по периметру палубы 3. Если необходимо использовать секцию колонны, один из кранов 7, к зоне покрытия которого относится шахта, где находится секция колонны, например, шахта 8, подводится к шахте 8. Одновременно направляющая воронка 15 устанавливается в положение непосредственно над секцией водоотделяющей колонны. Захват 27 опускается в воронку 15 и захватывает секцию колонны. Если секция колонны хранится в шахте 9, конструкция которой приведена на фиг.36, то направляющая воронка 15 устанавливается в нужное положение над секцией колонны посредством поперечины 23 и тележки 24.

Шарниры 29 и 31 захвата 27 управляются таким образом, что захват все время удерживается примерно в вертикальном положении. Конструкция стрел шарнирно-сочлененного крана 7 обеспечивает, как известно, перемещение захвата 27 вдоль вертикали. Таким образом, может быть обеспечено вертикальное извлечение секции водоотделяющей колонны из шахты 8.

Затем секция колонны переносится в вертикальном положении к помосту 12. Помост 12 поднимается в вертикальное положение, показанное на Фиг.4б. В этом положении на помост укладывается секция колонны. Затем помост поворачивается в примерно горизонтальное положение. При этом помост сначала поднимается вертикально (средства подъема не показаны) так, что нижняя часть помоста отрывается от пола 46 буровой вышки 5. В горизонтальном положении скользящая подставка 42 на помосте 12 переносит секцию 26 в направлении центра буровой установки, где секция 26 колонны принимается подъемником в буровой вышке 5 средствами спускного устройства вышки. Когда верхний конец секции 26 колонны поднят подъемником, задний конец скользит по скользящей подставке 42 к центру буровой вышки, где он направляется рычагом с гидравлическим приводом (не показан) для окончательной центровки над роторным столом.

Если необходимо возвратить трубу из буровой вышки в шахту 8, 9, 10, 11, описанные операции выполняются в обратной последовательности.

Предложенная группа изобретений относится к устройствам для перемещения свечей бурильных труб между местом хранения и буровой вышкой на плавучих буровых установках. Техническим результатом является повышение эффективности транспортировки секций колонны между буровой вышкой и местом хранения. Система для хранения и транспортирования труб содержит хранилище в виде шахты для хранения труб в вертикально» положении, устройство для транспортировки труб выполненное в виде крана шарнирно-сочлененного типа с захватом, и направляющий механизм для направления захватывающего устройства крана с целью захвата трубы для ее перемещения. При этом захватывающее устройство крана приспособлено для введения внутрь и захватывания верхнего конца трубы с целью подъема трубы вертикально на расстояние соответствующее длине трубы и перенос трубы в вертикальном положении от хранилища к буровой вышке. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Устройство для транспортировки труб между хранилищем (8, 9, 10, 11) и буровой вышкой (5), содержащее кран (7), способный захватывать трубу, отличающееся тем, что кран (7) является краном шарнирно-сочлененного типа, имеющим захват (27), приспособленный для введения внутрь верхнего конца расположенной, по существу, вертикально трубы и захватывания этого верхнего конца, и при этом кран обеспечивает подъем трубы, по существу, вертикально на расстояние, по меньшей мере, соответствующее длине трубы, и перенос трубы, по существу, в вертикальном положении от хранилища к буровой вышке.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что захват (27) содержит шарниры (29, 30), обеспечивающие сохранение захватом (27) вертикального положения при транспортировке трубы и оснащенные гидравлическими предохранительными средствами, обеспечивающими снятие с шарниров (29, 31) давления гидравлики в случае воздействия на шарниры чрезмерных усилий.

3. Применение крана шарнирно-сочлененного типа для транспортировки труб между хранилищем (8, 9, 10, 11) и буровой вышкой (5) и для подъема трубы, по существу, вертикально на расстояние, по меньшей мере, соответствующее длине трубы, в котором шарнирно-сочлененный кран имеет захват (27), приспособленный для введения внутрь верхнего конца расположенной, по существу, вертикально трубы для захватывания этого верхнего конца и переноса трубы, по существу, в вертикальном положении.

4. Система хранения труб и транспортирования труб между хранилищем (8, 9, 10, 11) и буровой вышкой (5), содержащая хранилище для хранения труб, по существу, в вертикальном положении, кран (7), приспособленный для захвата трубы и транспортировки ее к буровой вышке, отличающаяся тем, что хранилище (8, 9, 10, 11) имеет шахту для хранения труб, по существу, в вертикальном положении, кран (7) является краном шарнирно-сочлененного типа, имеющим захват (27), приспособленный для введения внутрь верхнего конца расположенной, по существу, вертикально трубы для захватывания этого верхнего конца, и обеспечивающим подъем трубы, по существу, вертикально на расстояние, по меньшей мере, соответствующее длине трубы, и перенос трубы, по существу, в вертикальном положении от хранилища к буровой вышке.

5. Система по п.4, отличающаяся тем, что дополнительно содержит средства (12) транспортировки, которые могут поворачиваться между горизонтальным положением, в котором они приспособлены для перемещения трубы вдоль оси сквозь V-образную дверь в буровой вышке (5), и примерно вертикальным положением, в котором они приспособлены для приема трубы от крана.

6. Система по п.5, отличающаяся тем, что средства (12) транспортировки шарнирно соединены с полом (46) буровой вышки (5).

7. Система по любому из пп.4-6, отличающаяся тем, что хранилище (8, 9, 10, 11) содержит направляющий механизм (15, 22), который может перемещаться над хранилищем (8, 9, 10, 11).

8. Система по п.7, отличающаяся тем, что направляющий механизм (15, 22) может перемещаться в, по существу, горизонтальной плоскости, расположенной над верхним концом труб в шахте, причем направляющий механизм позволяет направлять одну из труб, выбранную из всех труб, в хранилище во время ее подъема краном.

9. Система по п.8, отличающаяся тем, что хранилище (8, 9, 10, 11) расположено на краю палубы (3) платформы, причем отверстие для введения и извлечения труб находится примерно на уровне палубы (3).

10. Система по п.7, отличающаяся тем, что средства перемещения направляющего механизма (22) включают тележку (24), способную двигаться по первым рельсам (25), расположенным по обеим сторонам отверстия для введения и извлечения труб хранилища (8, 9, 10, 11), и содержащую поперечину (23), проходящую примерно под прямым углом к первым рельсам (25), и второй рельс, по которому может перемещаться направляющий механизм (22) в направлении, по существу, под прямым углом к первым рельсам (25), так что доступ к трубам в хранилище может осуществляться согласно их положению в прямоугольной системе координат x-y.

11. Система по п.8, отличающаяся тем, что средства перемещения направляющего механизма (22) включают тележку (24), способную двигаться по первым рельсам (25), расположенным по обеим сторонам отверстия для введения и извлечения труб хранилища (8, 9, 10, 11), и содержащую поперечину (23), проходящую примерно под прямым углом к первым рельсам (25), и второй рельс, по которому может перемещаться направляющий механизм (22) в направлении, по существу, под прямым углом к первым рельсам (25), так что доступ к трубам в хранилище может осуществляться согласно их положению в прямоугольной системе координат x-y.

12. Система по п.9, отличающаяся тем, что средства перемещения направляющего механизма (22) включают тележку (24), способную двигаться по первым рельсам (25), расположенным по обеим сторонам отверстия для введения и извлечения труб хранилища (8, 9, 10, 11), и содержащую поперечину (23), проходящую примерно под прямым углом к первым рельсам (25), и второй рельс, по которому может перемещаться направляющий механизм (22) в направлении, по существу, под прямым углом к первым рельсам (25), так что доступ к трубам в хранилище может осуществляться согласно их положению в прямоугольной системе координат x-y.