УСТРОЙСТВА И СПОСОБ ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ ИЛИ ОТСОЕДИНЕНИЯ ТРУБНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ТРУБНОЙ КОЛОННЕ ДЛЯ НЕФТЯНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ Российский патент 2011 года по МПК B25B13/50 E21B19/16 

Область применения изобретения

Настоящее изобретение относится к операциям по добыче нефти и газа, в частности к автоматизации операций по спуску и подъему труб при добыче нефти и газа.

Предпосылки к созданию изобретения

При выполнении работ на нефтяном месторождении колонны труб свинчивают и развинчивают посредством использования устройства с механическими захватами, известного как ключ с регулируемым крутящим моментом. Пара захватов используется для приложения крутящего момента на соединения трубных элементов, например для соединения по резьбе трубных элементов друг с другом при свинчивании колонны трубных элементов и для развинчивания по резьбе трубных элементов при разъединении колонны. Колоннами труб являются, например, буровые колонны и закрепляющие колонны, например обсадная колонна.

Пласты, в которых бурят скважины, изменяются, что требует применения разнообразных типов трубных элементов. Различные типы трубных элементов должны быть использованы в соответствии с глубиной буровой скважины и способами бурения. Трубными элементами являются, например, буровая труба, воротник бура, обсадная труба, воротник обсадной трубы, обсадной хвостовик, переходное вспомогательное устройство и т.д.

Типы трубных элементов имеют различные физические параметры, включая внутренний диаметр, наружный диаметр, длину, твердость материала, длину резьбы, шаг резьбы, твердость резьбы, угол конусности резьбы, но без ограничения ими, и их соединяют в соответствии с параметрами, касающимися манипуляции ими, такими как задаваемый крутящий момент, скорости вращения, скорости приведения в действие ключа с регулируемым крутящим моментом и т.д.

Манипуляция колоннами труб в течение бурения и заканчивания скважины происходит повторяемым образом и по существу является опасным. Ошибки и недостаточно эффективные действия при свинчивании и развинчивании колонн труб всегда могут привести к неэффективному использованию ресурсов, простою и могут повлиять на безопасность работы.

При выполнении работ по добыче нефти и газа имеется необходимость в смягчении вышеупомянутых проблем.

Краткое изложение существа изобретения

Согласно изобретению создано устройство для соединения или отсоединения трубных элементов в трубной колонне для нефтяного месторождения, содержащее ключ с регулируемым крутящим моментом, множество записей, касающихся типа трубных элементов, хранящихся с возможностью их поиска в базе данных и хранящих, каждая, определенные параметры данного типа трубных элементов, и контроллер для осуществления поиска в базе данных, по меньшей мере, одной указанной записи, соответствующей паре трубных элементов, для нахождения в базе данных определенных параметров, касающихся типа трубных элементов, регулировки указанного ключа для его действия в соответствии с найденными определенными параметрами, касающимися типа трубных элементов, и приложения крутящего момента ключом к соединению между парой трубных элементов.

Устройство может дополнительно содержать интерфейс бурильщика, отображающий выбор записей, касающихся типа трубных элементов, и способный выбирать запись, касающуюся типа трубного элемента, добавляемого к свинчиваемой колонне трубных элементов.

Контроллер может осуществлять поиск, по меньшей мере, одной записи, касающейся типа трубных элементов, соответствующей паре трубных элементов, для нахождения определенных параметров данного типа трубных элементов, регулировать ключ для действия в соответствии с найденными определенными параметрами данного типа трубных элементов, прилагать крутящий момент ключом к соединению между парой трубных элементов.

Определенные параметры, касающиеся типа трубных элементов, могут включать в себя, по меньшей мере, один из следующих параметров: максимальный крутящий момент, скорость свинчивания цилиндром для приложения крутящего момента, скорость развинчивания цилиндром для приложения крутящего момента, время свинчивания и время развинчивания или внутренний диаметр, наружный диаметр, длину, твердость материала, длину резьбы, шаг резьбы, твердость резьбы и угол конусности резьбы.

Контроллер может создавать сообщения об исключительной ситуации, инициируемого посредством сравнения, выполняемого компаратором.

Контроллер может адресовать исключительную ситуацию.

Контроллер может осуществлять, по меньшей мере, одну из следующих операций: однократное повторение стадии процесса, повторение стадии процесса заданное количество раз, причем каждый раз с приращением на счетчике, пропуск стадии процесса, повторный запуск, остановку подсистемы и указания для вмешательства человека.

База данных может дополнительно содержать протокол для хранения величины, воспринятой датчиком, или результата сравнения, при этом контроллер способен хранить в протоколе величины, воспринятой датчиком, или результата сравнения.

Согласно изобретению создано устройство для соединения или отсоединения трубных элементов в трубной колонне для нефтяного месторождения, содержащее ключ с регулируемым крутящим моментом, базу данных, включающую в себя множество записей, касающихся параметров трубных элементов, содержащих, по меньшей мере, одно из технических характеристик диапазона и порогового значения, датчик, связанный с указанным ключом, передающий воспринятые величины, компаратор для сравнения величин, контроллер для осуществления поиска, по меньшей мере, одной записи для нахождения, по меньшей мере, одного параметра трубного элемента и обеспечения сравнения компаратором переданных датчиком величин, по меньшей мере, с одним из найденных параметров.

Контроллер может осуществлять поиск, по меньшей мере, одной записи, касающейся типа трубных элементов, соответствующей паре трубных элементов, для нахождения определенных параметров данного типа трубных элементов регулировать ключ для действия в соответствии с найденными определенными параметрами данного типа трубных элементов и прилагать крутящий момент ключом к соединению между парой трубных элементов.

Определенные параметры, касающиеся типа трубных элементов, могут включать в себя, по меньшей мере, один из следующих параметров: максимальный крутящий момент, скорость свинчивания цилиндром для приложения крутящего момента, скорость развинчивания цилиндром для приложения крутящего момента, время свинчивания и время развинчивания или внутренний диаметр, наружный диаметр, длину, твердость материала, длину резьбы, шаг резьбы, твердость резьбы и угол конусности резьбы.

Устройство может дополнительно содержать интерфейс бурильщика для отображения переданной датчиком величины или результата сравнения, выполняемого компаратором.

Устройство может дополнительно содержать интерфейс для обеспечения дистанционного доступа к интерфейсу бурильщика для дистанционного контроля передаваемой датчиком величины или результата сравнения в реальном времени.

Компаратор может сравнивать переданную датчиком величину с диапазоном значений, задаваемых для датчика.

Устройство может дополнительно содержать интерфейс бурильщика для отображения индикации, определяющей, находится ли величина, переданная датчиком, в пределах диапазона величин, задаваемого для датчика.

Датчик может содержать один из следующих элементов: переключатель, счетчик, таймер, термочувствительный элемент, датчик деформации, динамометрический датчик, датчик растяжения, датчик сжимающей нагрузки, измерительный преобразователь, датчик отклонения, линейный датчик и датчик давления.

Устройство может дополнительно содержать приемо-передатчик для оповещения об опасности объекта вне места эксплуатации при создании сообщения об исключительной ситуации и виртуальный интерфейс для обеспечения дистанционного доступа к запоминающему устройству для контроля бурильных операций или коммуникационную инфраструктуру, включающую в себя одно из спутниковых средств связи, беспроволочных средств связи и средств подключения к Интернету или их сочетание.

База данных может дополнительно содержать протокол для хранения величины, воспринятой датчиком, или результата сравнения, при этом контроллер способен хранить в протоколе величины, воспринятой датчиком, или результата сравнения.

Согласно изобретению создан способ соединения или отсоединения трубных элементов в трубной колонне для нефтяного месторождения с использование ключа с регулируемым крутящим моментом, имеющего пару захватов, содержащий следующие стадии:

выбор типа трубного элемента для добавления к трубной колонне;

ведение поиска в базе данных, связанной с ключом с регулируемым крутящим моментом, определенных параметров, касающихся типа трубных элементов, указанных, по меньшей мере, в одной записи, касающейся типа трубных элементов;

регулировка ключа с регулируемым крутящим моментом для действия в соответствии с найденными определенными параметрами, касающимися типа трубных элементов;

зацепление пары трубных элементов в соответствующих захватах ключа с регулируемым крутящим моментом;

приложение крутящего момента к соединению согласно найденным определенным параметрам, касающимся типа трубных элементов.

Способ может дополнительно содержать предыдущие стадии представления бурильщику набора типов трубных элементов и указания бурильщику для выбора типа дополнительного трубного элемента.

Способ может дополнительно содержать следующие стадии:

настройка таймера на период времени, соответствующий стадии процесса, который определяют в найденных параметрах, касающихся типа трубных элементов;

запуск таймера фактически одновременно с началом стадии процесса;

определение завершения стадии процесса в пределах периода времени, соответствующего настройке величины времени.

При незавершении стадии процесса в пределах определенного периода времени можно осуществлять учет неудачи, касающейся завершения, повторное инициирование стадии процесса и перенастройку таймера.

Повторное инициирование стадии процесса и таймера может дополнительно содержать автоматическое повторное инициирование стадии процесса, перенастройку и перезапуск таймера.

Способ может дополнительно содержать контроль, по меньшей мере, одного датчика, связанного с указанным ключом, для получения значения, воспринятого датчиком.

Способ может дополнительно содержать регистрацию величины, воспринятой датчиком, отображение величины, воспринятой датчиком на интерфейсе бурильщика, или сравнение величины, воспринятой датчиком с, по меньшей мере, одним из определенных параметров, касающихся трубных элементов, либо их сочетание.

Способ может дополнительно содержать, по меньшей мере, одну из следующих операций:

регистрация указания о нахождении переданной датчиком величины в пределах диапазона величин, задаваемого для датчика;

регистрация указания о нахождении переданной датчиком величины вне диапазона величин, задаваемого для датчика;

отображение на интерфейсе бурильщика индикации о нахождении величины, воспринятой датчиком, вне диапазона величин, задаваемого для датчика;

оповещение объекта, находящегося вне места эксплуатации, об индикации, указывающей о нахождении величины, воспринятой датчиком, вне диапазона величин, задаваемого для датчика;

создание сигнала тревоги;

однократное повторение стадии процесса;

повторение стадии процесса заданное количество раз, причем каждый раз с возрастанием показания счетчика;

повторение стадии процесса посредством указанного ключа, который отрегулирован для действия в соответствии с измененными параметрами;

пропуск стадии процесса;

повторный запуск;

указание для вмешательства человека;

остановка.

Другие аспекты настоящего изобретения являются очевидными для квалифицированных специалистов в данной области из последующего подробного описания, в котором представлены различные варианты осуществления изобретения, описанные путем их иллюстрации. Понятно, что изобретение может быть воплощено в виде других различных вариантов, а некоторые его детали могут быть модифицированы в различных иных отношениях в объеме настоящего изобретения. Соответственно чертежи и подробное описание следует рассматривать как носящие иллюстративный, но не ограничительный характер.

Краткое описание чертежей

Некоторые варианты настоящего изобретения подробно изображены в качестве примера, но без ограничений, на чертежах, на которых показано следующее:

фиг.1 представляет схему устройства для соединения или отсоединения трубных элементов в трубной колонне для нефтяного месторождения согласно одному из вариантов осуществления изобретения;

фиг.2 - блок-схему, показывающую последовательность выполнения стадий способа соединения или отсоединения трубных элементов в трубной колонне для нефтяного месторождения согласно одному из вариантов осуществления изобретения;

фиг.3 - блок-схему, показывающую последовательность выполнения стадий управления способа согласно одному из вариантов осуществления изобретения.

Подробное описание вариантов осуществления конструкции

Подробное описание, приведенное ниже и связанное с прилагаемыми чертежами, предназначено для описания различных вариантов осуществления настоящего изобретения, но не предназначено для отображения только тех вариантов, которые разработаны изобретателем. Подробное описание включает в себя конкретные детали для обеспечения всестороннего понимания настоящего изобретения. Однако квалифицированным специалистам в этой области понятно, что настоящее изобретение может быть осуществлено на практике без использования этих конкретных деталей.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения на фиг.1 показано устройство 100 для соединения или отсоединения трубных элементов в трубной колонне для нефтяного месторождения. Устройство может включать в себя ключ 130 с регулируемым крутящим моментом, базу 110 данных, касающуюся бурения, и модуль 140 управления. В течение манипулирования трубными элементами ключ 130 может быть использован для приложения крутящего момента к соединениям между трубными элементами 160, например, для свинчивания соединений или для их развинчивания. Ключ 130 может быть использован для приложения крутящего момента к соединению, включая свинчивание соединения между трубными элементами (для зацепления трубных элементов друг с другом по резьбе) или для развинчивания соединения между трубчатыми элементами. Ключ 130 может включать в себя верхний захват 132, используемый для зацепления трубного элемента 160, добавляемого к колонне труб 162 при свинчивании или последнего трубного элемента 160 в колонне труб 162 - при развинчивании, нижний захват 134, используемый для зацепления конечной части колонны труб 162, и вращающее устройство.

Для бурения и заканчивания буровых скважин 102 применяют множество различных типов трубных элементов. Для бурения сквозь различные пласты 104 и для обеспечения желаемых характеристик колонны труб требуются разные трубные элементы 160.

База 110 данных, касающаяся бурения, может включать в себя множество записей 112, относящихся к типам трубных элементов.

Каждая запись 112, касающаяся типа трубных элементов, соответствует технической характеристике типа трубных элементов и для конкретного типа трубных элементов может включать в себя удобное для пользователя название, хранящееся в считываемой человеком строке из символов, описывающих соответствующий тип трубного элемента. Например: «буровая труба размером 4 1/2 дюйма», «воротник размером 6 дюймов», «вспомогательный элемент размером от 4 1/2 дюйма до 6 дюймов». Ниже будет описано, что название трубного элемента может быть воспроизведено, например, на различных экранах человеко-машинного интерфейса для бурильщика, обеспечивая возможность выбора или точного задания бурильщиком использования соответствующей записи типа трубного элемента посредством взаимодействия с различными объектами (переключателями, зонами сенсорного экрана, кнопками, списочными элементами и т.д.), связанными с отображенным наименованием, удобным для пользователя. Может быть использован любой человеко-машинный интерфейс, например компьютерный, аналоговый, стационарный, подвижный, дистанционный, расположенный по месту бурения и т.д. интерфейс бурильщика.

Каждая запись 112, касающаяся типа трубных элементов, может дополнительно хранить определенные параметры типа трубных элементов, например, но без ограничения ими, следующие: внутренний диаметр, наружный диаметр, длину трубного элемента от уплотняющего торца до уплотняющего торца, максимальный крутящий момент, процент полной скорости свинчивания цилиндром для приложения крутящего момента, процент полной скорости развинчивания цилиндром для приложения крутящего момента, время свинчивания соединения, время развинчивания соединения и т.д.

Максимальным крутящим моментом является максимальная величина крутящего момента, которая должна быть использована применительно к соответствующему трубному элементу. Величина времени свинчивания соединения указывает время, в течение которого вращательное устройство будет работать, чтобы воздействовать на неподсоединенный трубный элемент 160 до момента, когда для свинчивания должен быть приложен крутящий момент. Величина времени развинчивания соединения указывает время, в течение которого вращательное устройство должно быть приведено в действие для воздействия на трубный элемент 160 от момента приложения крутящего момента для развинчивания до отсоединения трубного элемента 160. Процент величины полной скорости при свинчивании цилиндром для приложения крутящего момента указывает долю полной скорости, которая должна быть использована в течение свинчивания. Процент величины полной скорости при развинчивании цилиндром для приложения крутящего момента указывает долю полной скорости, которая должна быть использована в течение развинчивания. Процент величины скорости цилиндра для приложения крутящего момента может быть использован для настройки гидравлического клапана до процента полного открытия, чтобы управлять скоростью, с которой поршень гидравлического цилиндра перемещается для вращения относительно друг друга захватов ключа 130 с регулируемым крутящим моментом. Повышенные скорости могут быть использованы для трубных элементов 160 меньшего диаметра или когда точность важна в меньшей степени. Пониженные скорости могут быть использованы для трубных элементов 160 большего диаметра или когда желательна повышенная точность.

Согласно одному из исполнений первого варианта конструкции изобретения база 110 данных может включать в себя множество записей 112, касающихся различных типов трубных элементов, при этом каждая запись относится к определенному типу трубного элемента и к его технической характеристике. Применение базы 110 данных, касающихся бурения, позволяет уберечь бурильщика от повторного ввода определенных параметров, касающихся типа трубных элементов, для приведения в действие ключа 130, что позволяет значительно уменьшить эксплуатационные накладные расходы. Определенные параметры данного типа трубных элементов для множества трубных элементов, используемых при бурильной операции, вводят посредством использования экрана для ввода этих параметров или интерфейса, обеспеченного для оператора, например, посредством интерфейса для бурильщика, но без ограничения им. Оператор выбирает запись 112, касающуюся каждого типа трубных элементов, по одной за один раз, и вводит значение параметра для каждого поля значений параметров в записи, используя клавиатуру. Для предотвращения нежелательного вмешательства в базу 110 данных, касающихся бурения, и, возможно, в бурильную операцию база 110 данных может быть защищена паролем.

В дальнейшем бурильщик может выбрать запись 112, касающуюся определенного типа трубных элементов, из группы записей в базе данных, например, показанную на экране интерфейса для бурильщика, когда это необходимо в течение выполнения операции.

В одном из вариантов осуществления конструкции бурильщик может выбрать запись 112, касающуюся определенного типа трубных элементов, и изменить эту запись 112 перед ее использованием для приведения в действие ключа 130 для изменения конкретного параметра определенного типа трубных элементов, например параметр, характеризующий максимальный крутящий момент, но не ограничиваясь им.

После того, как бурильщиком будет выбрана запись 112, касающаяся конкретного типа трубных элементов, определенные параметры конкретного типа трубных элементов будут применены для обеспечения компоновки и действия ключа с регулируемым крутящим моментом, например, посредством настройки и/или операции управления управляющими клапанами, двигателями и системами приведения в действие, таймерами, счетчиками, регистрационными средствами и т.д. ключа 130 с регулируемым крутящим моментом. Контроллер 140 может отыскивать или получать определенные значения параметров, касающихся данного типа трубных элементов, для выбранной в данное время или действующей записи 112 для данного типа трубных элементов, и записывает значения в соответствующих регистраторах, находящихся в соответствующих местах рабочей памяти, где логика ключа с регулируемым крутящим моментом ожидает параметры, которые должны быть определены. Логика этого ключа использует значения, для настройки клапанов давления, таймеров, счетчиков и т.д.

Запись 112, касающаяся данного типа трубных элементов, которая должна быть использована для приложения крутящего момента к какому-либо соединению, может быть точно выбрана бурильщиком или должна быть выбрана по умолчанию.

При бурении скважины происходит износ бура и требуется замена бура либо возникает необходимость взятия образца керна из той формации, которую подвергают бурению, вследствие чего колонну 162 трубных элементов несколько раз подвергают свинчиванию и развинчиванию, перед тем как буровая скважина будет пробурена на желаемую глубину.

Согласно варианту осуществления изобретения в целях автоматизации свинчивания и развинчивания колонны труб применяют управляющий модуль 140. Без наложения ограничений на изобретение управляющий модуль 140 может включать в себя одно или более из следующего: аппаратного обеспечения, логики аппаратного обеспечения, микропрограмм, микропроцессора (микропроцессоров), запоминающего устройства, программного обеспечения, вспомогательных электронных устройств, приборов и т.д.

Без наложения ограничений на изобретение управляющий модуль 140 может быть скомпонован таким образом, чтобы в течение свинчивания он обеспечивал поиск на стадии 202 (фиг.2) технической характеристики 114 колонны трубных элементов в базе 110 данных, касающихся бурения, выдачу оператору по умолчанию типа последующего трубного элемента, который должен быть добавлен к колонне трубных элементов, возможность для оператора при необходимости изменять тип трубного элемента, поиск на стадии 206 записи 112 типа трубных элементов в базе 110 данных, касающихся бурения, для нахождения в ней определенных параметров для данного типа трубных элементов, указание на стадии 208 для нахождения дополнительного трубного элемента 160, предварительную компоновку 110 ключа 130 с регулируемым крутящим моментом для действия в соответствии с найденными конкретными параметрами, касающимися типа трубных элементов, после нахождения на стадии 208 дополнительного трубного элемента 160 и введения его в концевую часть выдачу инструкций на стадии 210 ключу 130 с регулируемым крутящим моментом в отношении зацепления найденного трубного элемента 160 с концевой частью колонны 162 трубных элементов, соответствующее указание на стадии 210 ключу 130 с регулируемым крутящим моментом в отношении соединения найденного трубного элемента 160 с колонной 162 трубных элементов в соответствии с определенными параметрами найденного типа трубного элемента. Найденный трубный элемент 160 соединяют с имеющейся колонной 162 трубных элементов (с концевой частью) посредством зацепления по резьбе имеющего наружную резьбу конца найденного трубного элемента 160 с муфтовым концом последнего трубного элемента 160 колонны 162 трубных элементов.

Согласно первому варианту осуществления изобретения способ 200 свинчивания, управляемый управляющим модулем 140, показан на фиг.2. Не налагая ограничений на изобретение, способ свинчивания колонны 162 трубных элементов для бурения скважины может включать в себя множество стадий.

Когда трубные элементы 160 должны быть соединены друг с другом, для каждого соединения последний трубный элемент 160, подсоединенный к колонне 162 трубных элементов, может быть использован в качестве выбираемого по умолчанию трубного элемента 160 для дальнейшего соединения. Как только выбран тип трубных элементов, он будет использован, пока бурильщик не выберет новый тип трубных элементов. Может быть обеспечена возможность 202 выбора бурильщиком другого типа трубных элементов.

Если принять на стадии 204, что трубные элементы 160 каждой пары могут быть элементами одного и того же типа или разных типов, то для каждого соединения, по меньшей мере, одна запись 112 типа трубных элементов может быть найдена 206 контроллером 140 в базе 110 данных, касающихся бурения, для получения определенных параметров для данного типа трубных элементов. Если последний трубный элемент 160 в колонне 162 трубных элементов и трубный элемент 160, который должен быть добавлен, представляют собой трубные элементы одного и того же типа, то можно отыскать на стадии 206 только одну запись 112, касающуюся типа трубных элементов. Если трубный элемент 160, который должен быть добавлен, отличается от последнего трубного элемента 160 колонны 162 трубных элементов, то можно отыскать на стадии 206 обе соответствующие записи 112, касающиеся типа трубных элементов.

В течение выполнения способа свинчивания соединения в колонне трубных элементов физический трубный элемент 160, который должен быть добавлен к колонне 162 трубных элементов, находят 208 и заводят в конечную часть. Контроллер 140 может обеспечить указание бурильщику, что трубный элемент 160 заведен в конечную часть. Как вариант, захождение трубного элемента 160 в конечную часть может быть ощутимым. Контроллер 140 инструктирует на стадии 210 ключ 130 с регулируемым крутящим моментом в отношении зацепления с конечной частью колонны 162 трубных элементов, при этом найденный трубный элемент 160 должен быть подсоединен к ней. Найденный трубный элемент 160 соединяют 212 с колонной 162 трубных элементов согласно найденным определенным параметрам трубного элемента данного типа, указанным, по меньшей мере, в одной записи, касающейся типа трубных элементов.

Без наложения ограничений на изобретение соединение 212 найденного трубного элемента 160 с колонной 162 трубных элементов может быть разделено на три стадии: стадия 220 свинчивания, стадия 222 схождения при свинчивании и стадия 224 затягивания. Стадию 220 свинчивания выполняют вращательным устройством путем быстрого ввинчивания по резьбе конца, имеющего наружную резьбу, найденного трубного элемента 160 в муфтовую часть конечной части колонны 162 трубных элементов, которая представляет собой муфтовый конец последнего трубного элемента 160 в колонне 162 трубных элементов. Вращательное устройство может быть предварительно настроено для ввинчивания трубного элемента на протяжении заданного времени ввинчивания, полученного из записи 112, касающейся данного типа трубных элементов. Схождения при свинчивании достигают тогда, когда вся длина конца с наружной резьбой найденного трубного элемента 160 будет ввинчена по резьбе. Если после окончания времени ввинчивания схождение не достигнуто, то вращательное устройство может быть вновь приведено во вращение, возможно, на более короткое время свинчивания. При работе ключ с регулируемым крутящим моментом осуществляет захватывание для свинчивания соединения, при этом затягивание на стадии 224 требует приложения крутящего момента, определенного, по меньшей мере, в одной записи 112, касающейся типа трубных элементов, с процентом скорости свинчивания цилиндром для приложения крутящего момента, также определяемым в записи 112, касающейся типа трубных элементов. Например, когда соединяют разнородные трубные элементы 160, используемый крутящий момент может быть меньшим из двух.

Для полного решения задач ключ 130 с регулируемым крутящим моментом может действовать без вмешательства человека. При таком выполнении контроллер 140 может обеспечить поиск определенных параметров, касающихся типа трубных элементов, настройку ключа 130 для размещения в нем следующего трубного элемента 160 на основе параметров, и работу ключа для свинчивания соединения согласно этим параметрам.

Управляющий модуль 140 может включать в себя логическое устройство 144 обратной связи, логическое устройство 146 управления и может сопрягаться с управляющими компонентами.

Учитывая, что операции, связанные с бурением нефтяных скважин, являются дорогостоящими, повреждение колонны 162 трубных элементов может привести к значительным затратам и вынужденному простою. Управление рабочими параметрами ключа 130 с регулируемым крутящим моментом представляет собой меру безопасности, препятствующую возникновению аварий.

Не налагая ограничений на изобретение, управляющие компоненты могут включать в себя датчики 170, прикрепленные к различным компонентам буровой установки, например, но не ограничиваясь этим следующие: переключатель, таймер, счетчик, термочувствительный элемент, датчик деформации, динамометрический датчик, датчик натяжения, датчик сжимающей нагрузки, тензометрический датчик, датчик отклонения, линейный тензометрический датчик, датчик давления и т.д. Датчики 170, например, передают воспринятые величины, функцию компонента или геометрию, а также положения переключателя через логическое устройство 144 обратной связи к управляющему логическому устройству 146 управляющего модуля 140. Например, переданные датчиком величины могут включать в себя температуру нефти, гидравлическое давление текучей среды, степень выдвижения поршня и т.д.

Например, датчик 170 крутящего момента может быть прикреплен к ключу 130 с регулируемым крутящим моментом для передачи 242 воспринятых величин крутящего момента, когда трубные элементы 160 соединены с буровой колонной 162. Оператор, выполняющий бурение, может быть обеспечен протоколом величин крутящего момента. Буровой подрядчик может осуществлять проверку работы ключа 130 на основе протокола.

Например, но без ограничения этим изобретением, датчик 170 крутящего момента может включать в себя, по меньшей мере, один датчик давления, измеряющий гидравлическое давление, используемое гидравлическим поршнем, служащим для смещения верхнего захвата 132 к нижнему захвату 134.

В течение последующего развинчивания колонны трубных элементов управляющий модуль 140 может выполнять поиск, по меньшей мере, одной записи 112, касающейся типа трубных элементов, чтобы получить рабочие параметры, с которыми можно было бы скомпоновать ключ 130 таким образом, но не налагая этим ограничений, чтобы прилагать крутящий момент ключом 130 при развинчивании соединения. По меньшей мере, первоначально ключ 130 может использовать процент типичного значения скорости развинчивания цилиндром для приложения крутящего момента, которая хранится в записи 112, относящейся к типу трубных элементов, для трубного элемента 160, который должен быть отсоединен при приложении максимальной скорости, если в течение обычного использования колонны трубных элементов для бурения скважины соединения ослабевают вследствие вибрации. Если начальная прилагаемая скорость развинчивания цилиндром для приложения крутящего момента недостаточна, чтобы развинтить соединение, то можно предположить, что соединение не было подвергнуто воздействию крутящего момента надлежащим образом, поскольку создающие напряжение силы, переданные колонне 162 трубных элементов в течение буровой операции, приложили к соединению дополнительный крутящий момент. Если развинчивание не достигнуто, то ключ 130 подвергают перекомпоновке для попытки вновь выполнить развинчивание при более высоком крутящем моменте/проценте скорости развинчивания цилиндром для приложения крутящего момента.

Согласно еще одному варианту осуществления изобретения управляющий модуль 140 предназначен для выпуска инструкций, касающихся пуска/остановки применительно к различным управляемым компонентам, включая, но без ограничения ими: вращательное устройство, систему приведения в действие между нижним захватом 134 и верхним захватом 132, систему приведения в действие для сухарей, захватывающих трубный элемент, и т.д.

Управляющий модуль 140 может выпускать инструкции, относящиеся к задержке по времени, и/или реагирующие на нее, после предыдущей инструкции, касающейся пуска, и/или относящиеся к обратной связи.

Бортовая диагностика и реагирование на неисправности

Контролирующее логическое устройство 142 не ограничено контролем измерений крутящего момента, при этом бессчетное количество компонентов обратной связи может быть применено для определения количества разнообразных возможных измерений и для обнаружения разнообразных событий. Управление и регистрация информации, касающейся обратной связи, обеспечивают возможность выполнения диагностики.

Согласно взятому в качестве примера исполнению варианта изобретения контролирующее логическое устройство 146 контролирует множество возможностей выполнения измерений и/или событий, а также сочетаний параметров, например, но без ограничения ими следующие: продолжительности по времени, положения переключателя, значения, переданного датчиком, и т.д. Контроллер 140 может использовать компаратор 154 для сравнения переданных датчиком величин с желаемой воспринимаемой величиной, с пороговой воспринимаемой величиной, с приемлемым диапазоном воспринимаемой величины, со счетчиком, со значением времени и т.д. Если сообщенное датчиком значение находится вне заданного диапазона, возникает исключительная ситуация. Индикатор сравнения, связанный с интерфейсом бурильщика, может сообщать об исключительной ситуации бурильщику.

Согласно взятому в качестве примера исполнению варианта изобретения в контроллере 140 используют метапроцесс 300, показанный на фиг.3, при котором различные стадии, которые должны быть выполнены в способе 200, могут иметь связанные временные интервалы, в течение которых ожидается завершение стадии процесса. Не налагая этим ограничений на изобретение, следует указать, что значения, касающиеся таймера, могут быть определены в записях 112, касающихся типа трубных элементов, и получены на стадии 302 из них. Соответствующий таймер 156 может быть настроен и запущен на стадии 304 фактически в то же самое время, когда посредством контроллера 140 будет инициирована на стадии 306 стадия процесса.

Каждая стадия процесса может иметь событие, подтверждающее завершение стадии, которое может быть обнаружено датчиком; желаемый результат заключается в том, что каждая стадия процесса должна быть завершена на стадии 308 перед тем, как соответствующий таймер 156 достигнет ожидаемого конечного времени на стадии 310.

Событие, подтверждающее завершение стадии, в простом случае представляет собой величину, сообщенную датчиком, достигающую порогового значения, определенного в записи 112, касающейся типа трубных элементов. Например, может быть применен линейный датчик для подтверждения того, что захват, перемещаемый для зацепления с трубным элементом 160, достиг исходного положения.

Событие, подтверждающее завершение стадии, может быть комплексным, например, в случае которого сочетание большого количества переданных датчиком величин сравнивают с соответствующими диапазонами величин, указанных, по меньшей мере, в одной записи 112, касающейся трубного элемента, фактическую статистическую взаимосвязь которых учитывают для подтверждения завершения стадии процесса. Следовательно, предыдущие события, подтверждающие завершение контролируемой человеком стадии, например, но не налагая этим ограничений, схождение трубного элемента 160 при свинчивании, развинчивание соединения и т.д., соответствуют событиям, подтверждающим завершение комплексной стадии, при этом результаты сравнений выходных величин большого количества датчиков, например измерения крутящего момента, гидравлического давления, истекшего времени работы и т.д., объединяют.

Если завершение стадии не произошло, то эта стадия может быть автоматически выполнена повторно или могут быть предприняты другие действия без вмешательства человека, что здесь далее описано подробно. Если завершения стадии не произошло повторно, то число попыток завершения, оказавшихся неудачными, может быть проконтролировано посредством соответствующих счетчиков 142.

Согласно варианту осуществления изобретения истечение времени 310 на таймере 156, перед тем как происходит на стадии 308 событие, подтверждающее завершение стадии, может инициировать исключительную ситуацию на стадии 312. Типичные исключительные ситуации могут быть просто сообщены для статистических целей, сообщены для анализа тенденции изменения, создавать предостережения, создавать сигналы тревоги, быть переданы по проводам/сконфигурированы для остановки ключа 130 и/или буровой установки.

Исключительные ситуации могут быть сообщены на интерфейс бурильщика или могут быть сообщены без привязки к определенному месту посредством приемопередатчика.

Может быть достигнуто повышение надежности, поскольку автоматизированный контроль обеспечивает возможность обнаружения ошибки, перед тем как произойдет повреждение, возможность статического анализа имеющихся тенденций и уменьшает вероятность ошибочной интерпретации данных человеком.

Согласно варианту осуществления изобретения, как только возникла исключительная ситуация, контроллер 140 может без вмешательства человека и в зависимости от стадии процесса, которая привела к возникновению исключительной ситуации, вмешаться для выполнения следующего:

однократного повторения стадии;

повторения стадии заданное число раз, причем каждый раз с приращением на счетчике;

повторения стадии с иными регулировками параметров, касающихся ключа с регулируемым крутящим моментом, например с повышенным крутящим моментом;

пропуска стадии;

повторного пуска;

остановки подсистемы кольца бурения;

указания в отношении вмешательства человека.

Использование датчиков, таймеров 156, переключателей и компаратора 154 обеспечивает возможность использования измеренных и переданных событий и величин, воспринятых датчиком, причем без оценки, вмешательства или надзора человека, чтобы проверить работу ключа 130 с регулируемым крутящим моментом, а также адресовать и направить решение, касающееся отклонения от ожидаемой работы ключа с регулируемым крутящим моментом.

Безусловно, управление, выполняемое описанным здесь контроллером 140, также применимо к обычным операциям, выполняемым ключом 130, отличающимся от приложения крутящего момента к соединениям, при этом рабочие параметры, касающиеся ключа, хранят в записях рабочего запоминающего устройства отдельно от записей, касающихся типа трубных элементов. Рабочее запоминающее устройство ключа с регулируемым крутящим моментом может включать в себя базу 110 данных, касающихся бурения.

Уменьшение количества персонала, работающего на буровой установке, приводит к уменьшению количества квалифицированных специалистов, которые могут оценивать состояние бурильной операции от незначительного предостережения об опасности до нежелательного разрушения буровой установки.

Согласно варианту изобретения квалифицированный рабочий, выполняющий бурение, может быть обеспечен беспроволочным интерфейсом, обычно выполненным в виде портативного беспроволочного устройства, включающего в себя средства управления, в ином случае встроенные в интерфейс рабочего в кабине. Портативное беспроволочное устройство можно носить вокруг шеи рабочего, поверх плеча, вокруг талии и т.д.

Вложения в бурение велики, при этом мероприятие, содействующее сокращению персонала, включает в себя использование интерфейса для контроля и поиска неисправностей, и персонал, находящийся вне места эксплуатации, обеспечивается дистанционным интерфейсом для контроля и поиска неисправностей. Персонал, находящийся вне места эксплуатации (участок обслуживания), может выполнять регистрацию дистанционно, либо, но без наложения ограничений на изобретение, также может осуществлять следующее:

наблюдать за отслеживаемыми рабочими параметрами всей бурильной операции в реальном времени, когда происходит передача значений, воспринятых датчиком;

видеть значения рабочих параметров в то время, когда буровая установка/ключ 130 с регулируемым крутящим моментом были остановлены;

проверять тенденции значений рабочих параметров за истекший период;

проверять тенденции значений рабочих параметров, приводящие к определенному событию;

выполнять статистический анализ значений параметров и тенденций значений параметров;

проводить диагностику бурильных операций.

Согласно варианту изобретения, поскольку буровые установки обычно приводят в действие в географически удаленных местах, применяют телекоммуникационные инфраструктуры. Без наложения ограничений на изобретение телекоммуникационная инфраструктура может включать в себя спутниковые средства связи, беспроволочные средства связи и, возможно, Интернет.

Хотя здесь описаны различные аспекты настоящего изобретения, включая, например, базу данных, касающихся бурения, запись, касающуюся типа трубных элементов, определенные параметры, касающиеся типов трубных элементов, интерфейс бурильщика, контроллер, датчик, компаратор, индикатор сравнения, интерфейс, беспроволочный интерфейс, виртуальный интерфейс и приемопередатчик, должно быть понятно, что каждый из этих отличительных признаков может быть использован в ключе с регулируемым крутящим моментом независимым образом или по желанию в различных сочетаниях.

Предыдущее описание раскрытых вариантов осуществления конструкции составлено для того, чтобы любой квалифицированный специалист в этой области мог изготовить или использовать настоящее изобретение. Различные модификации этих вариантов конструкции будут вполне очевидны квалифицированным специалистам в этой области, а определенный здесь общий принцип может быть применен к другим вариантам, но без отклонения от существа и объема изобретения. Таким образом, настоящее изобретение не предназначено для ограничения показанными здесь вариантами его осуществления и должно соответствовать полному объему, согласующемуся с пунктами формулы изобретения, при этом ссылка на элемент в единственном числе предназначена не для того, чтобы означать «один единственный», если это специально не указано, а для того, чтобы означать «один или более». Все конструктивные и функциональные эквиваленты элементов различных вариантов, раскрытых в описании и известных или становящихся известными специалистам в данной области, входят в объем пунктов формулы изобретения.

Изобретение относится к автоматизации операции по спуску и подъему труб при добыче нефти. Устройство включает в себя базу данных, касающихся бурения, хранящую записи, касающиеся типа трубных элементов, ключ с регулируемым крутящим моментом, имеющий вращательное устройство и контроллер. При свинчивании контроллер ведет поиск записей, касающихся типа трубных элементов, хранящихся в базе данных, касающихся бурения, чтобы обеспечить регулировку ключа с регулируемым крутящим моментом и/или вращательного устройства для подсоединения дополнительной трубной секции к колонне трубных элементов либо для развинчивания соединения между трубными элементами в соответствии с параметрами данного типа трубных элементов. На различных компонентах буровой установки применяют датчики, при этом значения, передаваемые датчиками, контролируют. Одновременно с началом выполнения различных стадий свинчивания и развинчивания запускают таймеры. Когда значения, воспринимаемые датчиком, находятся вне заданного диапазона или когда стадии проходят весьма долго до завершения, возникают исключительные ситуации. Обеспечивается ускорение операций на буровой скважине. 3 н. и 23 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для соединения и отсоединения трубных элементов в трубной колонне для нефтяного месторождения, содержащее ключ с регулируемым крутящим моментом, множество записей, касающихся типа трубных элементов, хранящихся с возможностью их поиска в базе данных и хранящих каждая определенные параметры данного типа трубных элементов, и контроллер для осуществления поиска в базе данных по меньшей мере одной указанной записи, соответствующей паре трубных элементов, для нахождения в базе данных определенных параметров, касающихся типа трубных элементов, регулировки указанного ключа для его действия в соответствии с найденными определенными параметрами, касающимися типа трубных элементов, и приложения крутящего момента ключом к соединению между парой трубных элементов.

2. Устройство по п.1, дополнительно содержащее интерфейс бурильщика, отображающий выбор записей, касающихся типа трубных элементов, и способный выбирать запись, касающуюся типа трубного элемента, добавляемого к свинчиваемой колонне трубных элементов.

3. Устройство по п.1, в котором контроллер способен осуществлять поиск по меньшей мере одной записи, касающейся типа трубных элементов, соответствующей паре трубных элементов, для нахождения определенных параметров данного типа трубных элементов, регулировать ключ для действия в соответствии с найденными определенными параметрами данного типа трубных элементов, прилагать крутящий момент ключом к соединению между парой трубных элементов.

4. Устройство по п.1, в котором определенные параметры, касающиеся типа трубных элементов, включают в себя по меньшей мере один из следующих параметров: максимальный крутящий момент, скорость свинчивания цилиндром для приложения крутящего момента, скорость развинчивания цилиндром для приложения крутящего момента, время свинчивания и время развинчивания, или внутренний диаметр, наружный диаметр, длина, твердость материала, длина резьбы, шаг резьбы, твердость резьбы и угол конусности резьбы.

5. Устройство по п.1, в котором контроллер способен создавать сообщения об исключительной ситуации, инициируемые посредством сравнения, выполняемого компаратором.

6. Устройство по п.5, в котором контроллер способен адресовать исключительную ситуацию.

7. Устройство по п.5, в котором контроллер способен осуществлять по меньшей мере одну из следующих операций: однократное повторение стадии процесса, повторение стадии процесса заданное количество раз, причем каждый раз с приращением на счетчике, пропуск стадии процесса, повторный запуск, остановка подсистемы и указание для вмешательства человека.

8. Устройство по п.1, в котором база данных дополнительно содержит протокол для хранения величины, воспринятой датчиком, или результата сравнения, при этом контроллер способен хранить в протоколе величину, воспринятую датчиком, или результат сравнения.

9. Устройство для соединения или отсоединения трубных элементов в трубной колонне для нефтяного месторождения, содержащее ключ с регулируемым крутящим моментом, базу данных, включающую в себя множество записей, касающихся параметров трубных элементов, содержащих по меньшей мере одну из технических характеристик, диапазона и порогового значения, датчик, связанный с указанным ключом, передающий воспринятые величины, компаратор для сравнения величин, контроллер для осуществления поиска по меньшей мере одной записи для нахождения по меньшей мере одного параметра и обеспечения сравнения компаратором переданных датчиком величин по меньшей мере с одним из найденных параметров.

10. Устройство по п.9, в котором контроллер способен осуществлять поиск, по меньшей мере одной записи, касающейся типа трубных элементов, соответствующей паре трубных элементов, для нахождения определенных параметров данного типа трубных элементов, регулировать ключ для действия в соответствии с найденными определенными параметрами данного типа трубных элементов и прилагать крутящий момент ключом к соединению между парой трубных элементов.

11. Устройство по п.9, в котором определенные параметры, касающиеся типа трубных элементов, включают в себя по меньшей мере один из следующих параметров: максимальный крутящий момент, скорость свинчивания цилиндром для приложения крутящего момента, скорость развинчивания цилиндром для приложения крутящего момента, время свинчивания и время развинчивания, внутренний диаметр, наружный диаметр, длина, твердость материала, длина резьбы, шаг резьбы, твердость резьбы и угол конусности резьбы.

12. Устройство по п.9, дополнительно содержащее интерфейс бурильщика для отображения переданной датчиком величины или результата сравнения, выполняемого компаратором.

13. Устройство по п.12, дополнительно содержащее интерфейс для обеспечения дистанционного доступа к интерфейсу бурильщика для дистанционного контроля передаваемой датчиком величины или результата сравнения в реальном времени.

14. Устройство по п.9, в котором компаратор способен сравнивать переданную датчиком величину с диапазоном значений, задаваемых для датчика.

15. Устройство по п.14, дополнительно содержащее интерфейс бурильщика для отображения индикации, определяющей, находится ли величина, переданная датчиком, в пределах диапазона величин, задаваемого для датчика.

16. Устройство по п.9, в котором датчик содержит один из следующих элементов: переключатель, счетчик, таймер, термочувствительный элемент, датчик деформации, динамометрический датчик, датчик растяжения, датчик сжимающей нагрузки, измерительный преобразователь, датчик отклонения, линейный датчик и датчик давления.

17. Устройство по п.9, дополнительно содержащее приемопередатчик для оповещения об опасности объекта вне места эксплуатации при создании сообщения об исключительной ситуации и виртуальный интерфейс для обеспечения дистанционного доступа к запоминающему устройству для контроля бурильных операций или коммуникационную инфраструктуру, включающую в себя одно из спутниковых средств связи, беспроволочных средств связи и средств подключения к Интернету или их сочетание.

18. Устройство по п.9, в котором база данных дополнительно содержит протокол для хранения величины, воспринятой датчиком, или результата сравнения, при этом контроллер способен хранить в протоколе величину, воспринятую датчиком, или результат сравнения.

19. Способ соединения или отсоединения пары трубных элементов в трубной колонне для нефтяного месторождения с использованием ключа с регулируемым крутящим моментом, имеющего пару захватов, включающий следующие стадии: выбор типа трубного элемента для добавления к трубной колонне, выполнение поиска в базе данных, связанной с ключом с регулируемым крутящим моментом, определенных параметров, касающихся типа трубных элементов, указанных по меньшей мере в одной записи, касающейся типа трубных элементов, регулировка ключа с регулируемым крутящим моментом для действия в соответствии с найденными определенными параметрами, касающимися типа трубных элементов, зацепление пары трубных элементов в соответствующих захватах ключа с регулируемым крутящим моментом, приложение крутящего момента к соединению согласно найденным определенным параметрам, касающимся типа трубных элементов.

20. Способ по п.19, дополнительно содержащий предыдущие стадии представления бурильщику набора типов трубных элементов и указания бурильщику для выбора типа дополнительного трубного элемента.

21. Способ по п.19, дополнительно содержащий следующие стадии: настройка таймера на период времени, соответствующий стадии процесса, который определяют в найденных параметрах, касающихся типа трубных элементов, запуск таймера фактически одновременно с началом стадии процесса, определение завершения стадии процесса в пределах периода времени, соответствующего настройке величины времени.

22. Способ по п.19, в котором при незавершении стадии процесса в пределах определенного периода времени осуществляют учет неудачи, касающейся завершения, и повторное инициирование стадии процесса и перенастройку таймера.

23. Способ по п.19, в котором повторное инициирование стадии процесса и таймера дополнительно содержит автоматическое повторное инициирование стадии процесса, перенастройку и перезапуск таймера.

24. Способ по п.23, дополнительно включающий контроль по меньшей мере одного датчика, связанного с ключом, для получения значения, воспринятого датчиком.

25. Способ по п.24, дополнительно включающий регистрацию величины, воспринятой датчиком, отображение величины, воспринятой датчиком, на интерфейсе бурильщика или сравнение величины, воспринятой датчиком, по меньшей мере с одним из определенных параметров, касающихся трубных элементов, либо их сочетание.

26. Способ по п.24, дополнительно включающий, по меньшей мере одну из следующих операций: регистрация указания о нахождении переданной датчиком величины в пределах диапазона величин, задаваемого для датчика, регистрацию указания о нахождении переданной датчиком величины вне диапазона величин, задаваемого для датчика, отображение на интерфейсе бурильщика индикации о нахождении величины, воспринятой датчиком, вне диапазона величин, задаваемого для датчика, оповещение объекта, находящегося вне места эксплуатации, об индикации, указывающей о нахождении величины, воспринятой датчиком, вне диапазона величин, задаваемого для датчика, возбуждение сигнала тревоги, однократное повторение стадии процесса, повторение стадии процесса заданное количество раз, причем каждый раз с возрастанием показания счетчика, повторение стадии процесса посредством ключа, который отрегулирован для действия в соответствии с измененными параметрами, пропуск стадии процесса, повторный запуск, указание для вмешательства человека, остановка.