Механизм жесткого крепления системы подводных колонных головок Российский патент 2020 года по МПК E21B33/43 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к области подводной добычи углеводородов, в частности, к подводным скважинам и средствам соединения колонны кондуктора с колонной направления.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Из уровня техники известно противоротационное устройство, предназначенное для предотвращения вращения корпуса колонны кондуктора внутри корпуса колонны направления, раскрытое в источнике US 6695059 В2 (опубликован 24.02.2004). Указанное устройство снабжено множеством противоротационных механизмов между корпусами колонны кондуктора и колонны направления. Данные механизмы обращены по направлению к корпусу колонны кондуктора и размещены на расстоянии друг от друга по окружности на внутренней части корпуса колонны направления между двумя упорными заплечниками. Противоротационное устройство дополнительно включает в себя множество соответствующих пазов, расположенных на внешней стороне корпуса колонны кондуктора. Множество противоротационных механизмов снабжены пружинами, при этом указанные механизмы выступают радиально от поверхности корпуса колонны направления в выступающей позиции. При размещении корпуса колонны кондуктора в корпус колонны направления корпус колонны кондуктора поджимает противоротационные механизмы колонны направления в сложенную позицию. Затем, при вращении корпуса колонны кондуктора внутри корпуса колонны направления до момента размещения противоротационных механизмов напротив соответствующих пазов, указанные противоротационные механизмы снова переходят в выступающую позицию в пазах корпуса колонны направления.

Кроме того, из уровня техники известен источник US 5029647, опубл. 09.07.1991, раскрывающий узел соединения колонны кондуктора и колонны направления, в котором внешнюю часть колонны кондуктора заклинивают относительно внутренней части колонны направления для создания предварительного натяжения между указанными корпусами. Заклинивание осуществляется с помощью верхней и нижней конических секций, разнесенных в осевом направлении друг относительно друга и образованных на внешней части колонны кондуктора и внутренней части колонны направления, соответственно. Эти конические секции уменьшаются в диаметре под небольшим углом относительно продольной оси. Секции имеют такие размеры, что при опускании внутреннего корпуса в наружный корпус обеспечивается его вклинивание. Известный узел соединения также снабжен средствами фиксации внутренней части колонны направления относительно внешней части колонны кондуктора после того, как верхние и нижние конические поверхности полностью зацепятся друг с другом. Средства фиксации включают в себя запорное кольцо с зубчатым профилем и храповик в виде разъемного зубчатого кольца, имеющие сопрягаемые зубцы, обеспечивающие вход в зацепление с запорным кольцом. Для установки колонны кондуктора используют инструмент, к которому требуется приложение усилия, необходимого и достаточного для проталкивания колонны кондуктора внутрь колонны направления с обеспечением вклинивания колонны кондуктора в колонну направления. Раскрытые в US 6695059 В2 и US 5029647 устройства противодействуют значительным изгибающим нагрузкам, действующим на корпус колонны кондуктора, вызванным, в частности, вращающей силой, передаваемой от плавучего бурового судна. Преимущественно, указанным силам противодействует сцепление, обусловленное силами трениями посадочных буртов внутреннего корпуса и внешнего корпуса. В случае, если вращающие силы достаточно сильны для того, чтобы вызвать вращение внутреннего корпуса внутри внешнего корпуса, одно из соединений обсадных труб ниже внутреннего корпуса может начать отвинчиваться, что, в свою очередь, приведет к серьезным проблемам в эксплуатации.

Тем не менее, нагрузки, возникающие в процессе прокладки идущей от скважины выкидной линии могут вызывать кроме значительных изгибающих также и значительные сдвиговые нагрузки на устье скважины. Следует также принимать во внимание эффект термического удлинения или сокращения обсадных труб в скважине и присоединенных выкидных линий, а также дополнительные нагрузки вследствие возможного отклонения оси устья от вертикального положения.

Следовательно, необходима такая конструкция, в которой будет обеспечено наилучшие распределение напряжений при установке колонны кондуктора в колонну направления и передача нагрузок, создаваемых буровой платформой и тепловым расширением обсадных колонн, от колонны кондуктора в колонну направления и далее в морской грунт.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно настоящему изобретению предлагается механизм жесткого крепления системы подводных колонных головок, содержащий:

концевую часть колонны кондуктора и концевую часть колонны направления для соединения друг с другом;

группу храповиков со свободным ходом, установленных на концевой внешней части колонны кондуктора и представляющих собой разрезные кольца с зубчатым профилем;

при этом концевая внутренняя часть колонны направления выполнена в виде зубчатой поверхности для зацепления с храповиками;

внешняя часть колонны кондуктора и внутренняя часть колонны направления имеют каждая первую, вторую, третью и четвертую конусные поверхности;

причем первая конусная поверхность колонны кондуктора выполнена с возможностью контакта с первой конусной поверхностью колонны направления, а вторая конусная поверхность колонны кондуктора выполнена с возможностью контакта со второй конусной поверхностью колонны направления, при этом конусность первых конусных поверхностей и вторых конусных поверхностей находится под углом 1° относительно продольной оси колонны кондуктора;

третья конусная поверхность колонны кондуктора выполнена с возможностью контакта с третьей конусной поверхностью колонны направления, при этом конусность третьих конусных поверхностей находится под углом 19° относительно продольной оси колонны кондуктора;

четвертая конусная поверхность колонны кондуктора выполнена с возможностью контакта с четвертой конусной поверхностью колонны направления, при этом конусность четвертых конусных поверхностей находится под углом 30° относительно продольной оси колонны кондуктора;

при этом при начальном контакте первой конусной поверхности колонны кондуктора с первой конусной поверхностью колонны направления и второй конусной поверхности колонны кондуктора со второй конусной поверхностью колонны направления между третьей конусной поверхностью колонны кондуктора и третьей конусной поверхностью колонны направления, а также между четвертой конусной поверхностью колонны кондуктора и четвертой конусной поверхностью колонны направления сохраняются зазоры при сохранении несущей способности контакта первых и вторых конусных поверхностей.

Техническим результатом заявленного изобретения является сохранение посадки с натягом в жестком соединении при перемещении колонны кондуктора вверх, в том числе, в результате теплового расширения колонны кондуктора.

Кроме того, посредством заявленного изобретения достигаются увеличение эффективности передачи момента через соединение колонны кондуктора и колонны направления при увеличении нагрузки на соединение, повышение ресурса наработки системы подводных колонных головок до усталостного разрушения, а также активация механизма жесткой фиксации системы подводных колонных головок при минимальном осевом усилии.

Технический результат достигается благодаря использованию четырех конусных поверхностей, размещенных на внешней части колонны кондуктора, и четырех конусных поверхностей, размещенных на внутренней части колонны направления.

Первые и вторые конусные поверхности колонны кондуктора и колонны направления имеют угол конусности 1° относительно продольной оси колонны кондуктора. Данные конусные поверхности первыми входят в контакт при установке колонны кондуктора в колонну направления.

За счет небольшого угла наклона обеспечивается низкая контактная жесткость при относительном перемещении колонны кондуктора в колонне направления.

При тепловом расширении обсадных колонн возникает усилие, действующее на колонну кондуктора и стремящееся вытолкнуть ее вверх из колонны направления. Для предотвращения потери контакта между колоннами и, соответственно, снижения латеральной жесткости и усталостной выносливости соединения используются храповые механизмы. Храповики имеют свободный ход, определяющийся шагом резьбы, с максимальной величиной 7 мм.

Таким образом, колонна кондуктора может сместиться относительно колонны направления в вертикальном направлении на величину свободного хода без сопротивления со стороны храповиков. Превышающее свободный ход храповиков относительное перемещение начальной установки колонны кондуктора в колонну направления позволяет иметь на первых и вторых конусных поверхностях (с углом конусности 1°) остаточное контактное давление как и при относительном подъеме колонны кондуктора по отношению к колонне направления на величину свободного хода храповиков.

Третьи конусные поверхности с углом конусности 19° передают весовые нагрузки, превышающие усилие минимальной установки 200 т, а также изгибающий момент от буровой платформы. Четвертые конусные поверхности с углом конусности 30°являются страховочными для передачи весовых нагрузок, величина которых превышает проектные значения, а также, частично, изгибающего момента.

Также подобраны зазоры между третьими конусными поверхностями с углом конусности 19° и четвертыми конусными поверхностями с углом конусности 30°, имеющиеся при начальном контакте конусных поверхностей с углом конусности 1°. Данные зазоры определяют величину нагрузки, после которой контактная вертикальная жесткость значительно возрастает. При этом основную часть вертикальной нагрузки начинают воспринимать конусные поверхности с большим углом наклона. Зазоры подобраны так, чтобы нагрузки не превышали несущую способность конусных поверхностей с меньшим углом наклона до момента полного выбора зазоров и, соответственно, перераспределения нагрузок на конусные поверхности с большим углом наклона.

Колонна кондуктора и колонна направления выполнены из жаропрочной релаксационностойкой стали.

Колонна кондуктора и колонна направления могут иметь на своих конусных поверхностях по меньшей мере один слой антифрикционного покрытия. Храповики могут быть выполнены из конструкционной легированной стали. Материал, из которого выполнены храповики, предпочтительно имеет минимальный предел прочности 700 МПа и минимальную твердость 35 HRC.

В контексте настоящего описания слова «первый», «второй» и т.д. используются в виде прилагательных исключительно для различения существительных, к которым они относятся, но не для описания какой-либо конкретной связи между этими существительными.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Вышеуказанные преимущества изобретения станут более очевидными из нижеследующего описания предпочтительного варианта его осуществления, данного со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

- на фиг. 1 изображено продольное сечение колонны направления с установленной в ней колонной кондуктора в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения,

- на фиг. 2 изображен механизм жесткого крепления системы подводных колонных головок в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения;

- на фиг. 3 изображен увеличенный вид А механизма жесткого крепления системы подводных колонных головок в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения;

- на фиг. 4 изображен детальный вид конусных поверхностей механизма жесткого крепления системы подводных колонных головок в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения;

- на фиг. 5 изображен увеличенный вид В третьих и четвертых конусных поверхностей механизма жесткого крепления системы подводных колонных головок в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения;

- на фиг. 6 изображен увеличенный вид Г храповика в углублении.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Далее со ссылкой на прилагаемые чертежи описан механизм жесткого крепления системы подводных колонных головок в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения.

На фиг. 1 изображено продольное сечение колонны 1 направления, в которой размещена колонна 2 кондуктора. Механизм жесткого крепления системы подводных колонных головок согласно заявленному изобретению предназначен для соединения колонны 1 направления с колонной 2 кондуктора. Колонна 2 кондуктора имеет концевую внешнюю часть, на которой установлена группа храповиков.

На фиг. 2 проиллюстрировано, что в концевой внутренней части колонны 1 направления выполнены углубления 3 и 4 для зацепления с храповиками. На фиг. 3 более детально, чем на фиг. 2, показано, что внешняя часть колонны 2 кондуктора имеет первую конусную поверхность 5 и вторую конусную поверхность 6, а внутренняя часть колонны 1 направления имеет первую конусную поверхность 7 и вторую конусную поверхность 8, при этом первая конусная поверхность 5 колонны 2 кондуктора выполнена с возможностью контакта с первой конусной поверхностью 7 колонны 1 направления, а вторая конусная поверхность 6 колонны 2 кондуктора выполнена с возможностью контакта со второй конусной поверхностью 8 колонны 1 направления.

Также, на фиг. 3 проиллюстрировано, что внешняя часть колонны 2 кондуктора имеет третью конусную поверхность 9 и четвертую конусную поверхность 10, а внутренняя часть колонны 1 направления имеет третью конусную поверхность 11 и четвертую конусную поверхность 12, при этом третья конусная поверхность 9 колонны 2 кондуктора выполнена с возможностью контакта с третьей конусной поверхностью 11 колонны 1 направления, а четвертая конусная поверхность 10 колонны 2 кондуктора выполнена с возможностью контакта с четвертой конусной поверхностью 12 колонны 1 направления.

Согласно неограничивающему варианту осуществления эти конусные поверхности представляют собой цельно-конические поверхности, проходящие по всей окружности колонн. В месте первых конусных поверхностей 5, 7 диаметр наружной части колонны 2 кондуктора уменьшается в направлении ее концевой части таким образом, что при размещении колонны 1 кондуктора в колонне 2 направления образуется предварительное натяжение, т.е. преднатяг. Конусность первых конусных поверхностей 5, 7 находится под углом 1° относительно продольной оси колонны 2 кондуктора. Аналогично, вторые конусные поверхности 6, 8 имеют ту же конусность, что и первые.

Первые и вторые конусные поверхности являются опорными и при установке создают преднатяг между корпусом колонны 1 направления и корпусом колонны 2 кондуктора.

Конусность третьих конусных поверхностей 9, 11 находится под углом 19° относительно продольной оси колонны 2 кондуктора.

Конусность четвертых конусных поверхностей 10, 12 находится под углом 30° относительно продольной оси колонны 2 кондуктора. Согласно предлагаемому изобретению колонну 2 кондуктора опускают в колонну 1 направления под собственным весом, иными словами, под действием силы тяжести. При установке колонны 2 кондуктора в колонну 1 направления первая конусная поверхность 5 колонны 2 кондуктора сопрягается с первой конусной поверхностью 7 колонны 1 направления, а вторая конусная поверхность 6 колонны 2 кондуктора сопрягается со второй конусной поверхностью 8 колонны 1 направления. Таким образом, колонна 2 кондуктора опирается своими конусными поверхностями на конусные поверхности колонны 1 направления, то есть обеспечивается вклинивание колонны 2 кондуктора в колонну 1 направления. При этом создается преднатяг между колонной 2 кондуктора и колонной 1 направления, а между третьими конусными поверхностями 9, 11 и четвертыми конусными поверхностями 10, 12 сохраняется зазор, как показано на фиг. 4 и фиг. 5.

При воздействии изгибающих сил, действующих на колонну 2 кондуктора из-за волн и течений, необходимо обеспечить максимальную передачу изгибающих сил на колонну 1 направления. В этом случае указанные нагрузки, а также все весовые нагрузки, превышающие усилие минимальной установки в 200 т, перераспределяются от первых и вторых конусных поверхностей 5, 7, 6, 8 третьим конусным поверхностям 9, 11 с большим углом конусности, величина которого составляет 19°.

Четвертые конусные поверхности 10, 12 с углом конусности, величина которого составляет 30°, являются страховочными и способны воспринимать экстремальные нагрузки, величина которых превышает проектные значения. Колонна 2 кондуктора и колонна 1 направления выполнены из жаропрочной релаксационностойкой стали, например, из стали AISI 8630, имеющей аналог сталь 30ХМА, категории прочности 586 МПа.

Колонна 2 кондуктора и колонна 1 направления могут иметь на своих конусных поверхностях по меньшей мере один слой антифрикционного покрытия.

Необходимо понимать, что описанный выше для примера предпочтительный вариант осуществления изобретения не ограничивает объем настоящего изобретения. После ознакомления с настоящим описанием специалисты в данной области техники могут предложить множество изменений и дополнений к описанным вариантам осуществления, все из которых будут попадать в объем патентной защиты изобретения, определяемый нижеследующей формулой изобретения.

Изобретение относится к средствам соединения колонны кондуктора с колонной направления для подводных скважин. Техническим результатом является сохранение посадки с натягом в жестком соединении при перемещении колонны кондуктора вверх, в том числе в результате теплового расширения колонны кондуктора. Предложен механизм жесткого крепления системы подводных колонных головок, содержащий концевую часть колонны кондуктора и концевую часть колонны направления для соединения друг с другом; группу храповиков со свободным ходом, установленных на концевой внешней части колонны кондуктора и представляющих собой разрезные кольца с зубчатым профилем. При этом концевая внутренняя часть колонны направления выполнена в виде зубчатой поверхности для зацепления с храповиками; внешняя часть колонны кондуктора и внутренняя часть колонны направления имеют каждая первую, вторую, третью и четвертую конусные поверхности. Конусность первых конусных поверхностей и вторых конусных поверхностей находится под углом 1° относительно продольной оси колонны кондуктора; конусность третьих конусных поверхностей находится под углом 19° относительно продольной оси колонны кондуктора; конусность четвертых конусных поверхностей находится под углом 30° относительно продольной оси колонны кондуктора. Причем при начальном контакте первой конусной поверхности колонны кондуктора с первой конусной поверхностью колонны направления и второй конусной поверхности колонны кондуктора со второй конусной поверхностью колонны направления между третьей конусной поверхностью колонны кондуктора и третьей конусной поверхностью колонны направления, а также между четвертой конусной поверхностью колонны кондуктора и четвертой конусной поверхностью колонны направления сохраняются зазоры, величина которых рассчитана на несущую способность контакта первых и вторых конусных поверхностей. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Механизм жесткого крепления системы подводных колонных головок, содержащий:

концевую часть колонны кондуктора и концевую часть колонны направления для соединения друг с другом;

группу храповиков со свободным ходом, установленных на концевой внешней части колонны кондуктора и представляющих собой разрезные кольца с зубчатым профилем;

при этом концевая внутренняя часть колонны направления выполнена в виде зубчатой поверхности для зацепления с храповиками;

внешняя часть колонны кондуктора и внутренняя часть колонны направления имеют каждая первую, вторую, третью и четвертую конусные поверхности;

причем первая конусная поверхность колонны кондуктора выполнена с возможностью контакта с первой конусной поверхностью колонны направления, а вторая конусная поверхность колонны кондуктора выполнена с возможностью контакта со второй конусной поверхностью колонны направления, при этом конусность первых конусных поверхностей и вторых конусных поверхностей находится под углом 1° относительно продольной оси колонны кондуктора;

третья конусная поверхность колонны кондуктора выполнена с возможностью контакта с третьей конусной поверхностью колонны направления, при этом конусность третьих конусных поверхностей находится под углом 19° относительно продольной оси колонны кондуктора;

четвертая конусная поверхность колонны кондуктора выполнена с возможностью контакта с четвертой конусной поверхностью колонны направления, при этом конусность четвертых конусных поверхностей находится под углом 30° относительно продольной оси колонны кондуктора; при этом при начальном контакте первой конусной поверхности колонны кондуктора с первой конусной поверхностью колонны направления и второй конусной поверхности колонны кондуктора со второй конусной поверхностью колонны направления между третьей конусной поверхностью колонны кондуктора и третьей конусной поверхностью колонны направления, а также между четвертой конусной поверхностью колонны кондуктора и четвертой конусной поверхностью колонны направления сохраняются зазоры, величина которых рассчитана на несущую способность контакта первых и вторых конусных поверхностей.

2. Механизм по п. 1, отличающийся тем, что колонна кондуктора и колонна направления выполнены из жаропрочной релаксационностойкой стали.

3. Механизм по п. 1, отличающийся тем, что колонна кондуктора и колонна направления имеют на своих конусных поверхностях по меньшей мере один слой антифрикционного покрытия.

4. Механизм по п. 1, отличающийся тем, что храповики выполнены из конструкционной легированной стали.

5. Механизм по п. 1, отличающийся тем, что материал храповиков имеет минимальный предел прочности 700 МПа и минимальную твердость 35 HRC.