СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СПУСКА И ПОДЪЕМА БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ В СКВАЖИНЕ Российский патент 2015 года по МПК E21B19/16 

Область техники, к которой относится изобретение

Предложено устройство для спуска и подъема колонны труб, в частности устройство, содержащее по меньшей мере два взаимодействующих спускоподъемных устройства, которые установлены возле отверстия на буровой площадке, предназначенного для приема колонны, и которые выполнены с возможностью независимо друг от друга или согласованно друг с другом фиксировать колонну с возможностью отсоединения и перемещать указанную колонну в направлении ее оси, а также перемещать секцию колонны в направлении оси колонны и вращать указанную секцию колонны вокруг оси колонны.

Уровень техники

В результате замены ручных операций с трубами на буровых установках на механизированные и дистанционно управляемые операции во время разведочного и промышленного бурения, в частности для добычи нефти и газа, эффективность при спуске или подъеме бурильной колонны на так называемых операциях спуска-подъема бурильной колонны (спускоподъемных операциях) или аналогичных операциях с другими колоннами труб, например обсадными, значительно уменьшилась. В то время как ручное свинчивание или развинчивание 60-секционных колонн обычно выполнялось за один час, в настоящее время производительность упала наполовину. При глубоководном бурении и при бурении скважин с увеличивающейся глубиной сейчас используются очень длинные бурильные колонны, при этом постоянно возрастает потребность уменьшения времени спуска и подъема и снижения затрат на выполнение этих операций.

Согласно современной технологии спуска бурильной колонны в скважину бурильная колонна собирается шаг за шагом из секций, содержащих один, два или три трубных соединения. Часть бурильной колонны, которая опускается в скважину (или в райзер, соединяющий скважину с установкой на поверхности, если бурение производится в море), подвешивается на буровой площадке при помощи клинового механизма (клиновых захватов), и бурильная колонна удлиняется на новую секцию колонны, которая опускается с мостков для труб на бурильную колонну, и присоединяется при помощи машинного трубного ключа, при этом предотвращается вращение бурильной колонны за счет фиксации части, выступающей над буровой площадкой, удерживающим ключом. После того как новая секция колонны будет присоединена к бурильной колонне, бурильная колонна опускается на высоту, соответствующую высоте добавленной секции колонны, и процесс повторяется. При подъеме эта последовательность операций выполняется в обратном порядке.

Когда бурильная колонна останавливается для добавления или удаления секции колонны, возникает опасность того, что бурильная колонна может застрять в скважине вследствие перепада давлений в скважине, или фрагменты открытой части скважины могут отделяться и расклинивать бурильную колонну и т.п. Эта опасность приводит к дополнительным затратам времени на освобождение бурильной колонны; бурильную колонну, возможно, приходится вынимать для ремонта повреждений.

Из WO 03/102350 известна буровая установка, выполненная с возможностью сборки и разборки скважинной трубы и включающая машинный трубный ключ, предназначенный для вращения верхней секции колонны, удерживающий ключ, предназначенный для фиксации нижней скважинной трубы, и клиновой агрегат, установленный на буровой площадке и предназначенный для подвески буровой трубы. Машинный трубный ключ и удерживающий ключ можно перемещать в осевом направлении скважинной трубы.

СА 2207832 описывает способ удаления из скважины штанги, которая находится в составной колонне обсадных труб, например штанги глубинного насоса. Описано, каким образом секции колонны и секции штанги поочередно вывинчиваются из бурильной колонны и штанги соответственно при помощи удерживающего ключа и машинного трубного ключа.

Из WO 2005/056975 известен машинный трубный ключ с неразъемной направляющей муфтой, окружающей вертикальную центральную ось бурового центра и бурильной колонны. Машинный трубный ключ, который используется согласованно с располагаемым ниже удерживающим ключом, может перемещаться в вертикальном направлении к месту трубного соединения, которое требуется разобрать или соединить.

US 5060542 описывает машинный трубный ключ, включающий три зажимные губки, из которых только комбинация из двух губок является функциональной в течение всего времени, необходимого для того, чтобы собрать или разобрать бурильную колонну. Это обеспечивается тем, что машинный трубный ключ может вертикально перемещаться, чтобы регулировать положение соответствующей пары зажимных губок на трубном соединении.

В приведенном далее описании термины "колонна" и "секция колонны" не ограничиваются только бурильной колонной или обсадной колонной, но включают все типы колонн труб, образованных стояками из секций колонн, которые соединяются на буровой установке и постепенно перемещаются вниз по мере увеличения длины колонны.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является устранение или уменьшение по меньшей мере одного из недостатков известного уровня техники.

Эта задача решена в соответствии с приведенным ниже описанием и прилагаемой формулой изобретения.

Изобретение относится к устройству для выполнения спускоподъемных операций, обычно - для спуска бурильной колонны в скважину и для подъема бурильной колонны из скважины, или для посадки и, возможно, подъема обсадной колонны. Устройство содержит по меньшей мере два взаимодействующих спускоподъемных устройства, которые установлены возле отверстия скважины на буровой площадке и каждое из которых обеспечивает фиксацию колонны, перемещение колонны в осевом направлении и вращение секции колонны с перемещением в осевом направлении по отношению к колонне, чтобы таким образом присоединять секцию колонны к колонне и отсоединять секцию колонны от колонны соответственно все время, пока колонна опускается в скважину или поднимается из скважины, а одно или несколько других спускоподъемных устройств перемещаются в исходную позицию для захвата следующей секции колонны, которую нужно присоединить к колонне или отсоединить от колонны соответственно, когда предыдущая секция колонны полностью присоединена к колонне или отсоединена от колонны соответственно. Благодаря такому поочередному действию по меньшей мере двух спускоподъемных устройств, выполненных согласно изобретению, обеспечивается возможность непрерывного спуска или подъема колонны во время монтажа или демонтажа и, таким образом, увеличивается производительность по сравнению с механизированными спускоподъемными операциями известного уровня техники.

Первый аспект изобретения, в частности, относится к устройству для спускоподъемных операций, которое содержит два или более действующих согласованно друг с другом спускоподъемных устройств, установленных у отверстия скважины на буровой площадке, которое предназначено для приема колонны, при этом каждое спускоподъемное устройство независимо от одного или нескольких других или согласованно с одним или несколькими другими спускоподъемными устройствами обеспечивает фиксацию колонны или секции колонны, перемещение колонны или секции колонны в ее осевом направлении и вращение секции колонны вокруг оси колонны во время перемещения в осевом направлении колонны.

Спускоподъемные устройства могут быть снабжены трубным захватом, который может быть расположен над отверстием скважины на буровой площадке и способен перемещаться в направлении оси колонны, при этом трубный захват содержит средство, которое обеспечивает жесткое соединение с колонной с возможностью ее вращения и отсоединения и которое выдерживает вес колонны, а также средство, установленное на конце или возле конца колонны и способное вращать секцию колонны вокруг оси колонны и перемещать секцию колонны в направлении оси колонны.

Средство трубного захвата, предназначенное для фиксации колонны и секции колонны и для вращения секции колонны, может быть выполнено таким образом, чтобы оно удалялось от траектории движения одного или нескольких других взаимодействующих спускоподъемных устройств.

Каждый трубный захват может быть соединен с подъемником, который предназначен для того, чтобы перемещать трубный захват и зафиксированную колонну или секцию колонны соответственно в направлении оси колонны.

По меньшей мере одно из спускоподъемных устройств может быть снабжено трубным манипулятором.

Второй аспект изобретения, в частности, относится к способу выполнения спускоподъемных операций, при этом указанный способ включает следующие операции:

а) колонна подвешивается с возможностью отсоединения в первом спускоподъемном устройстве и опускается в направлении оси колонны в скважину;

б) первая секция колонны подвешивается с возможностью отсоединения во втором спускоподъемном устройстве;

в) указанная секция колонны перемещается, при этом ее конец, который должен быть присоединен к колонне, направлен к соответствующему концу колонны, а секция колонны вращается относительно колонны и перемещается в осевом направлении до тех пор, пока не будет установлено жесткое соединение с колонной во время непрерывного перемещения колонны в направлении ее оси;

г) первое спускоподъемное устройство отсоединяется от колонны во время непрерывного перемещения колонны в направлении ее оси к месту удлинения колонны;

д) вторая секция колонны подвешивается с возможностью отсоединения в первом спускоподъемном устройстве, и выполняется операция в), описанная для первой секции колонны;

е) второе спускоподъемное устройство отсоединяется от колонны и выполняется операция г), описанная для первого спускоподъемного устройства; и

ж) операции б)-е) повторяются во время непрерывного перемещения колонны для следующих секций колонны до тех пор, пока колонна не будет иметь требуемую длину.

Указанный способ может также включать операцию:

з) колонна поднимается из скважины путем выполнения операций а)-ж) в обратном порядке.

Краткое описание чертежей

Ниже приведено описание предпочтительного примера осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых представлены:

фигура 1 - вид сбоку схематического изображения устройства согласно изобретению; и

фигура 2 - вид сверху устройства с фигуры 1 и трубного манипулятора, предназначенного для перемещения секций колонны между стеллажом для труб и центром буровой площадки.

Осуществление изобретения

На буровой установке 2, включающей так называемую буровую площадку 21 с отверстием 211 скважины на буровой площадке, предназначенным для пропускания устройств, используемых во время бурения скважины 5, которая проходит вниз в подземный пласт 6, установлены первое и второе спускоподъемные устройства 3, 3'. Из буровой установки 2 в направлении скважины 5 проходит известная колонна 1, предназначенная для перемещения инструмента (не показан) для разработки скважины 5, например так называемая бурильная колонна с буровым долотом. Альтернативно этому колонна 1 может представлять собой обсадную колонну, которую требуется установить в скважине 5.

Колонна 1 собирается из нескольких секций 11, 11' колонны. Ссылочный номер 11 указывает первую секцию колонны, которая присоединяется к концу 12 колонны 1, а ссылочный номер 11'' указывает вторую секцию колонны, следующую за первой секцией 11 колонны в колонне 1. Секции 11, 11' колонны включают известное средство для разъемного соединения, например концы с соответственно внутренним и наружным резьбовыми участками.

Спускоподъемные устройства 3, 3' являются функционально идентичными, и каждое из них включает трубный захват 31, который соединен с подъемником 32, предназначенным для вертикального перемещения трубного захвата 31 вдоль направляющей 33 машинного трубного ключа.

Трубный захват 31 снабжен машинным трубным ключом 311, который предназначен для того, чтобы вращать секцию 11, 11' колонны относительно колонны 1 с предварительно заданным вращающим моментом. Удерживающий ключ 312 предназначен для согласованного применения с машинным трубным ключом 311 таким образом, чтобы, когда машинный трубный ключ 311 расположен у нижнего конца секции 11, 11' колонны, которую требуется присоединить к колонне 1 или отсоединить от колонны 1, удерживающий ключ 312 можно было расположить в области верхнего конца 12 колонны 1 для подвешивания колонны, обычно - непосредственно под уступом резьбовой муфты. Удерживающий ключ 312 предназначен для фиксации колонны 1 с возможностью отсоединения, когда секция 11, 11' колонны привинчивается для присоединения к колонне 1 или отвинчивается для отсоединения от колонны 1, а также для подвешивания колонны 1 в спускоподъемном устройстве 3, 3', чтобы опустить или поднять колонну 1 при помощи подъемника 32 спускоподъемного устройства 3, 3'. Трубный захват 31 выполнен таким образом, чтобы по меньшей мере в рабочем положении центры машинного трубного ключа 311 и удерживающего ключа 312 совпадали с центральной осью колонны 1.

Машинный трубный ключ 311 и удерживающий ключ 312 можно выводить из их рабочей зоны в радиальном направлении от центральной оси колонны 1 для того, чтобы пропускать перемещающийся вертикально трубный захват 31, который в рабочем положении соединен с колонной 1 или секцией 11, 11' колонны. Это схематично показано на фигуре 2, где части машинного трубного ключа 311 и удерживающего ключа 312, охватывающие колонну, повернуты от колонны 1.

Трубный манипулятор 34 выполнен таким образом, чтобы секции 11, 11' колонны можно было перемещать между стеллажом для труб 4 и рабочей зоной спускоподъемных устройств 3, 3' для того, чтобы снабжать спускоподъемные устройства 3, 3' секциями 11, 11' колонны при монтаже колонны 1 или чтобы удалять секции 11 колонны при демонтаже колонны 1.

Каждое спускоподъемное устройство 3, 3'' предназначено для присоединения секции 11, 11' колонны к колонне 1, в то время как колонна 1 непрерывно опускается через отверстие 211 скважины на буровой площадке, или для отсоединения секции 11, 11' колонны от колонны 1, в то время как колонна 1 непрерывно поднимается из отверстия 211 скважины на буровой площадке.

Указанное соединение во время непрерывного перемещения колонны 1 обеспечивается трубным манипулятором 34, который помещает первую секцию колонны 11 вместе с соответствующим присоединенным инструментом, например с буровым долотом на секции бурильной колонны, в центр буровой площадки 21, где расположен трубный захват 31 первого спускоподъемного устройства 3 и при помощи удерживающего ключа 312 захватывает верхний конец секции 11 колонны. Трубный захват 31 опускается по направляющей 33 машинного трубного ключа. В то же время трубный захват 31 второго спускоподъемного устройства 3'' поднимается вверх, чтобы принять вторую секцию 11'' колонны, а его удерживающий ключ 312 захватывает верхний конец второй секции 11' колонны. Вторая секция 11' колонны перемещается до упора в верхний конец первой секции 11 колонны, которая постоянно опускается, и машинный трубный ключ 311 трубного захвата 31 первого спускоподъемного устройства 3 захватывает нижний конец второй секции 11' колонны. Когда трубный захват 31 второго спускоподъемного устройства 3' ослабляет жесткий охват вокруг второй секции 11' колонны, но сохраняет позицию, которая стабилизирует положение секции 11' колонны, вторая секция 11' колонны начинает вращаться под действием машинного трубного ключа 311 первого спускоподъемного устройства 3. После выполнения соединения с предварительно установленным вращающим моментом трубный захват 31 второго спускоподъемного устройства 3' снова жестко охватывает вторую секцию 11'' колонны, при этом первое спускоподъемное устройство 3 отсоединяется от колонны 1 и перемещается в вертикальном направлении для того, чтобы принять новую секцию 11 колонны.

При подъеме и демонтаже колонны 1 описанные выше операции выполняются в обратном порядке.

Благодаря согласованным перемещениям и постоянному спуску или, альтернативно, подъему колонны 1, достигается требуемый эффект, а именно монтаж или демонтаж соответственно колонны без постоянных остановок движения колонны во время выполнения так называемых спускоподъемных операций.

Заявленная группа изобретений относится к способу и устройству для проведения спускоподъемных скважинных операций. Устройство для спуска и подъема колонны труб в скважине содержит, по меньшей мере, два спускоподъемных устройства. Спускоподъемные устройства установлены возле отверстия на буровой площадке, предназначенного для приема колонны. Каждое спускоподъемное устройство независимо от одного или нескольких других спускоподъемных устройств выполнено с возможностью фиксировать колонну или секцию колонны и перемещать колонну или секцию колонны в ее осевом направлении, а также вращать секцию колонны вокруг оси колонны во время осевого перемещения. Каждое спускоподъемное устройство снабжено трубным захватом, который установлен над отверстием на буровой площадке и выполнен с возможностью перемещения в осевом направлении колонны. Трубный захват содержит средство, которое обеспечивает разъемное соединение с колонной, предотвращающее ее вращение, а также средство, установленное на конце или возле конца колонны и выполненное с возможностью вращения секции колонны вокруг ее оси и перемещения секции колонны в осевом направлении. При этом средства трубного захвата выполнены таким образом, чтобы их можно было удалять от траектории движения одного или нескольких других спускоподъемных устройств. Изобретение обеспечивает уменьшение времени спускоподъемных операций и повышение их автоматизации. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для спуска и подъема колонны труб в скважине, содержащее по меньшей мере два спускоподъемных устройства (3, 3′), которые установлены возле отверстия (211) на буровой площадке, предназначенного для приема колонны (1), отличающееся тем, что каждое спускоподъемное устройство (3, 3′), независимо от одного или нескольких других спускоподъемных устройств, выполнено с возможностью фиксировать колонну (1) или секцию (11) колонны и перемещать колонну (1) или секцию (11) колонны в ее осевом направлении, а также вращать секцию (11) колонны вокруг оси колонны (1) во время осевого перемещения колонны (1), обеспечивая, таким образом, в результате совместно выполняемой операции возможность сборки или разборки колонны (1),
при этом каждое спускоподъемное устройство (3, 3′) снабжено трубным захватом (31), который установлен над отверстием (211) на буровой площадке и выполнен с возможностью перемещения в осевом направлении колонны (1),
причем трубный захват (31) содержит средство (311), которое обеспечивает разъемное соединение с колонной (1), предотвращающее ее вращение, и которое выдерживает вес колонны (1), а также средство (312), установленное на конце (12) или возле конца (12) колонны (1) и выполненное с возможностью вращения секции (11) колонны вокруг оси колонны (1) и перемещения секции (11) колонны в осевом направлении колонны (1),
при этом средства (311, 312) трубного захвата (31), предназначенные для фиксации колонны (1) и секции (11) колонны, а также для вращения секции (11) колонны, выполнены таким образом, чтобы их можно было удалять от траектории движения одного или нескольких других спускоподъемных устройств (3, 3′).

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что каждый трубный захват (31) соединен с подъемником (32), который предназначен для перемещения трубного захвата (31) и зафиксированной колонны (1) или секции (11) колонны в осевом направлении колонны (1).

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что по меньшей мере одно из спускоподъемных устройств (3, 3′) снабжено трубным манипулятором (34).

4. Способ спуска и подъема колонны труб в скважине, содержащий операцию а), согласно которой подвешивают, с возможностью отсоединения, колонну (1) в первом спускоподъемном устройстве (3) и опускают ее в осевом направлении колонны (1) в скважину (5),
отличающийся тем, что он также содержит следующие операции:
б) подвешивают, с возможностью отсоединения, первую секцию (11) колонны во втором спускоподъемном устройстве (3′), причем используемые первое и второе спускоподъемные устройства (3, 3′) являются функционально идентичными;
в) перемещают первую секцию (11) колонны, при этом ее конец, который должен быть присоединен к колонне (1), направлен к соответствующему концу (12) колонны (1), и вращают секцию (11) колонны относительно колонны (1) с перемещением в осевом направлении до тех пор, пока не будет установлено жесткое соединение с колонной (1), во время непрерывного перемещения колонны (1) в ее осевом направлении;
г) отсоединяют первое спускоподъемное устройство (3) от колонны (1) во время непрерывного перемещения колонны (1) в ее осевом направлении к месту удлинения колонны (1);
д) подвешивают, с возможностью отсоединения, вторую секцию (11′) колонны в первом спускоподъемном устройстве (3) и выполняют операцию в), как для первой секции (11) колонны;
е) отсоединяют второе спускоподъемное устройство (3′) от колонны (1) и выполняют операцию г), как для первого спускоподъемного устройства (3); и
ж) повторяют операции б)-е) для следующих секций (11′) колонны до тех пор, пока колонна (1) не будет иметь требуемую длину.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что
з) поднимают колонну (1) из скважины (5) путем выполнения операций а)-ж) в обратном порядке.