что такое райзер в бурении
Как добывают нефть под водой
Как известно, техногенные катастрофы не случаются сами по себе. Их устраивают люди. В нефтегазовой отрасли последствия некомпетентности ужасны. Трагедия платформы Deepwater Horizon на месторождении Макондо и выброс нефти на шельфовой скважине Монтара в Тиморском море в 2009 году наглядно продемонстрировали дьявольский потенциал «человеческого фактора». Уже почти не осталось мест, где сочащуюся из песка нефть можно черпать ведрами. Зато технологически сложных углеводородов в толще геосферы еще предостаточно. Каких-то 30 лет назад бурение на дне океана, в вечной тьме и холоде, под давлением, сминающим титановые корпуса подлодок, как пивные жестянки, было фантастикой. Впрочем, это и сегодня чрезвычайно опасно. И потому запредельно дорого.
На дне
Перед бурением глубоководной скважины буровое судно (на профессиональном жаргоне «дриллшип») «зависает» над заданной геофизиками точкой дна, непрерывно корректируя свое положение тягой винтовых движителей системы динамического позиционирования на основе GPS. После этого через сквозную буровую шахту в корпусе судна на буровой колонне спускается первое звено будущей скважины — кондуктор. Это стальной толстостенный трубный фундамент массой 200 и более тонн и высотой до 27,5 м с фланцем для соединения с устьевой арматурой.
Под внимательным взором телекамер подводных аппаратов гидромониторное долото, находящееся внутри кондуктора, мощнейшими струями размывает на дне колодец, и гигантская конструкция соскальзывает в него под давлением воды. Кондуктор намертво бетонируется в колодце цементным тестом, которое подается по буровой колонне и через специальную головку выдавливается в затрубное пространство.
Тестом называется масса, образующаяся при соприкосновении вяжущих минеральных веществ с морской водой. Она превращается в искусственный камень не более чем через 18 часов. Сразу после этого в скважину спускается долото, вращающееся под напором морской воды, как турбина, и буровики проходят еще около сотни метров для установки первой секции обсадной трубы.
Затем на устье с борта платформы опускается блок противовыбросовых превенторов (ПВП) массой около 100 т. Именно эти мощнейшие автоматические затворы призваны спасти акваторию от загрязнения нефтью в случае аварии. Сверху к ПВП присоединяется вертикальный трубопровод, или райзер.
Райзер, состоящий из десятков и иногда сотен отдельных секций, соединяет буровую установку со стволом скважины. По райзеру, как по дороге жизни, в скважину доставляется все необходимое — буровая колонна с гидравлическим долотом, буровой раствор, обсадные трубы, цементное тесто, измерительная аппаратура и специнструмент. По нему же отработанный буровой раствор выносит наверх обломки породы.
После установки райзера начинается рутинный процесс бурения, длящийся несколько месяцев: проходка отрезка, спуск очередной секции обсадной трубы, тампонаж, опрессовка, тесты на герметичность, смена долота, снова проходкаи т. д. Но по мере приближения к нефтеносному пласту обстановка в прямом смысле слова накаляется: на глубине свыше 5 км температура подскакивает до 130 °C, а давление — до 900−1000 атм.
Линия обороны
По мнению директора Бюро по вопросам безопасности и природоохраны США (BSEE) Джеймса Уотсона, только ужесточение требований к надежности скважинного оборудования может компенсировать катастрофические проявления человеческого фактора. А вот инженеры-буровики, работающие «в поле», уверены, что стихию можно держать под надежным контролем и без особых инноваций.
Первая линия обороны скважины — грамотное цементирование, адекватное геофизическим свойствам пласта. Вторая линия — глушение избыточного давления прорвавшейся внутрь ствола скважинной жидкости подачей глинистого бурового раствора с удельным весом 2,5−3,5 т/м3. Как правило, подобная пробка эффективно закупоривает рвущиеся к устью нефть и газы.
Но если буровой раствор не в состоянии сдержать натиск фонтана, а также в случае внезапного сноса платформы с точки бурения и отрыва буровой колонны от насоса оператор обязан заглушить скважину через блок противовыбросовых превенторов. Стандартный глубоководный блок ПВП — это многоэтажная конструкция из двух или более кольцевых и не менее чем из трех срезных плашечных превенторов.
Управление блоком ПВП может осуществляться подачей электрического или закодированного гидроакустического сигнала, механически при помощи подводных беспилотников и в автоматическом аварийном режиме с питанием от донного гидроаккумулятора в случае повреждения гидросистемы на райзере. При этом трубные плашки сначала фиксируют буровую колонну в канале (если она там есть), а срезные окончательно глушат скважину.
В 2010 году на Deepwater Horizon первые две линии обороны пали из-за некомпетентности персонала, а в блоке ПВП не сработал ни один превентор из пяти. Впрочем, нечто подобное могло случиться гораздо раньше. Еще в 2004 году Службой по недропользованию США были опубликованы шокирующие данные по оценке надежности превенторов на глубоководных скважинах Мексиканского залива. Оказалось, что 50% из проверенных блоков ПВП были не в состоянии заглушить скважину в момент, когда в ней находится буровая колонна или обсадная труба, из-за недостаточной мощности срезных плашек. Тогда скандал был спущен на тормозах, а через шесть лет…
Мокрое дело
Основой GDWC, масса которой вместе с дополнительной оснасткой составляет 500 т, является 12-метровая 100-тонная стальная заглушка. В случае аварии она будет устанавливаться с судна непосредственно на блок превенторов, а процесс глушения обеспечат две клиновые задвижки с гидроприводом. В корпус заглушки интегрирована система распыления диспергаторов (веществ, разбивающих нефть на мельчайшие капли) и система подачи метанола для растворения метанового льда, которая может пригодиться в тех случаях, когда необходимо стравливание нефти из заглушки на танкеры.
GDWC комплектуется 28 переходными фитингами для адаптации к буровым установкам всех 15 типов, работающих на месторождениях BP, и выдерживает давление до 1055 атм. Вскоре ожидается появление аналогичной заглушки с рабочим диапазоном до 1406 атм. Максимальная глубина развертывания GDWC составляет 4000 м.
В комплекте GDWC имеется мобильный гидроаккумулятор и манипуляторы для подводных роботов компании Oceaneering: телекамеры, сонары, прожекторы, гидромониторы, трубные захваты и набор клешней-труборезов, способных перекусывать стальные болванки толщиной 1,5 м. По словам вице-президента BP Ричарда Моррисона, система в разобранном виде упакована в 20-футовые контейнеры и находится на базе компании в Хьюстоне. Но если случится беда, в течение недели она будет доставлена в любую точку Мирового океана. Для этого потребуется 35 трейлеров и семь самолетов типа АН-124 или Boeing 747. После прибытия в пункт назначения контейнеры будут пришвартованы к грузовым вертолетам и переброшены на буровую платформу, где после сборки с помощью крана заглушка будет отправлена на дно.
Цена вопроса
Нефти на суше осталось предельно мало, поэтому нефтяным компаниям приходится рисковать и «нырять» в глубину.
Райзер
В случаях, подобных катастрофе Макондо, когда все штатные методы глушения неконтролируемого фонтана оказываются бессильны, скважину приходится «убивать», как говорят нефтяники. Для этого необходимо пробурить наклонную разгрузочную скважину, добиться пересечения с основным стволом и «забить» в него заглушку из мощного заряда цемента. Эта работа занимает месяцы и требует от инженеров хладнокровия и снайперской точности, ведь буровому долоту нужно попасть в мишень размером с суповую тарелку с дистанции в несколько километров. А вот разлив нефти необходимо взять под контроль немедленно.
На мелководье с локализацией выбросов справляются просто: на устье скважины водружают огромный стальной или бетонный кессон (пустотелое свободное от воды помещение) и присоединяют его к гибкому райзеру, отводящему нефть на танкеры.
Но опыт Макондо показал, что на глубинах более километра из-за множества факторов кессонное глушение не работает. Как не работают и другие методы с красочными названиями — Top Kill (глушение устья буровым раствором), Junk Shot (блокирование ствола зарядом цемента с забутовкой из гравия, кусков автопокрышек и мячей для гольфа) и Top Hat (установка на фонтан тяжелой стальной пробки).
В Макондо укротить стихию удалось только через три месяца с момента катастрофы при помощи 40-тонной клапанной заглушки, установленной на блок ПВП. За это время в Мексиканский залив вылилось более 780 000 кубов нефти.
Безопасность
Кольцевой, или трубный, превентор в разрезе. Для фиксации буровой колонны требуется намного меньше энергии, чем для перекусывания ее и полного глушения скважины, поэтому вероятность срабатывания у кольцевого превентора несколько выше, чем у срезного.
Срезной плашечный превентор был придуман в 1922 году Джеймсом Абекромби и Харри Кэмероном, совладельцами мастерской Cameron Iron Works (ныне — компания Cameron, один из лидеров рынка буровой техники), и стал применяться повсеместно с 1924 года. По сути, срезные плашки — это ножницы из карбида вольфрама, обладающие чудовищной силой, которые способны мгновенно перекусить долото или буровую колонну и перекрыть скважину. Так, например, у самого мощного ПВП в мире — Cameron EVO 20K, рассчитанного на давление в стволе 1450 атм, — гидравлика воздействует на торцы плашек с силой 105 атм.
Кольцевой или трубный превентор, состоящий из двух резинометаллических плашек в форме полуколец, в 1946 году изобрел главный инженер компании Hydril Гранвилл Нокс. Функции трубного превентора — центровка, захват и удержание буровой колонны с одновременной герметизацией канала.
Бурение
Для компенсации напора глубинных течений и горизонтального «рыскания» платформы нижняя секция райзера оснащается гибким резинометаллическим шарниром.
Верхняя телескопическая секция, притянутая системой растяжек к днищу платформы, демпфирует вертикальную качку.
Снаружи райзер несет на себе трубопровод гидравлической системы, оптоволоконный кабель, а также штуцерную линию и линию глушения скважины.
Райзер — невероятно тяжелая штука. В среднем километр трубопровода в полной комплектации весит до 2000 т. Поэтому для разгрузки буровой установки секции одевают в пенопластовые поплавки, а верхнюю часть райзера подвешивают в толще воды на понтонах.
Заглушка
Спасительный взрыв
По мнению главного технолога Shell по скважинному оборудованию Чака Уильямса, модернизация ПВП неизбежна, но не только за счет «наращивания мускулов». В техцентре Shell в голландском Нордвейке в кооперации с инженерами National Oilwell Varco была создана аварийная пиротехническая система, которая будет устанавливаться на нижнюю секцию райзера.
В случаях, когда срезные плашки ПВП оказываются не в силах перерезать буровую колонну, кодированный акустический сигнал с пульта оператора или управляющего компьютера замыкает контакты 52 крошечных «адских машинок» направленного взрыва.
Огромная температура и давление, локализованные по окружности райзера, моментально срезают буровую колонну, и она проваливается в бездну скважины. В случае «осечки» приводится в действие заряд-дублер. После этого глушение выброса можно выполнить, активировав превенторы при помощи подводного манипулятора непосредственно с панели управления ПВП.
В конце июня этого года прототип «огнестрельной» гильотины Shell был удачно испытан в ледяных водах залива Пьюджет-Саунд в присутствии агентов Бюро по вопросам безопасности и природоохраны США.
Мобильная пробка
Британская ассоциация v, в состав которой входят компании нефтегазовой отрасли, государственные регуляторы и научные организации, разработала собственную версию аварийной заглушки с рабочим давлением 1055 атм для использования в Северном море в районе Шетландских островов на глубинах от 40 до 1670 м.
В отличие от системы GDWC, требующей перевозки в разобранном виде, 38-тонная заглушка OSPRAG настолько компактна, что может быть переброшена на буровую платформу обычным вспомогательным судном или вертолетом. Установка ее также не представляет большой сложности. Для этого достаточно возможностей штатного оборудования платформы — лебедки или бурового станка.
Заглушка способна надежно закрывать выбросы объемом 75 000 баррелей в сутки и может быть доставлена в точку установки в течение 20−30 дней.
Содержание
Морской буровой райзер
Морской буровой райзер имеет основную трубу низкого давления большого диаметра с внешними вспомогательными линиями, которые включают штуцер высокого давления и линии глушения для циркуляции жидкости в подводный противовыбросовый превентор (BOP) и обычно линии питания и управления для BOP. Конструкция и эксплуатация морских буровых райзеров сложны, и требование высокой надежности означает, что требуется обширный инженерный анализ.
При использовании на глубине более 20 метров морской буровой райзер должен быть натянут для сохранения устойчивости. Морской стояк натяжитель расположен на буровой платформе обеспечивает почти постоянная силу натяжения адекватной для поддержания стабильности стояка в морских условиях. Требуемый уровень натяжения зависит от веса оборудования райзера, плавучести райзера, сил от волн и течений, веса внутренних жидкостей и адекватного учета отказов оборудования.
Чтобы уменьшить напряжение, необходимое для поддержания устойчивости райзера, к соединениям райзера добавляются модули плавучести, известные в отрасли как «пироги плавучести», чтобы они были близки к нейтральной плавучести при погружении.
Подвесной буровой райзер
Привязной стояк может быть либо одной трубой высокого давления большого диаметра, либо набором концентрических труб, расширяющих обсадные колонны в скважине до наземного превентора.
Системы райзеров
Компания «Камерон» предлагает системы морских райзеров для самых сложных условий, встречающихся при глубоководном бурении, включая высокие растягивающие нагрузки, применение нескольких управляющих линий и потребность реагировать на изменения погодных условий на поверхности. Секции райзеров выпускаются различной длины, со стенками различной толщины и с подготовленными по мере необходимости местами для элементов плавучести. Райзеры компании «Камерон» поставляются со встроенными линиями дросселирования и глушения. Компания выпускает также гидравлические и ручные спускные инструменты для райзеров.
Райзер RF
Райзер LoadKing
Серия соединителей райзеров LoadKing компании «Камерон» способна удовлетворить требования сверхглубоководного бурения на глубине моря 7000 футов (2134 м) и более. Соединители райзера LoadKing выпускаются с номинальной прочностью на натяжение от 2,5 млн. Фунтов до 4,5 млн. фунтов. Соединители райзера LoadKing включают многие конструктивные особенности соединителей райзера RF, при этом вес трубных элементов не более чем на 2% превосходит вес аналогичным образом оснащенных трубных
элементов райзера RF.
Спайдер
Спайдер компании «Камерон» используется для спуска секций райзера через роторный стол диаметром до 75,5». Убирающиеся фиксаторы приводятся в действие гидравликой и удерживают водоотделительную колонну. Спайдер управляется с пульта бурильщика, что устраняет необходимость вручную убирать и выдвигать шесть фиксаторов.
Телескопическое соединение
Телескопические соединения компании «Камерон» состоят, главным образом, из двух деталей: внутренней трубы и наружной трубы. Для компенсации изменений расстояния между блоком и буровой установкой телескопическое соединение «Камерон» удлиняется, удерживая внутреннюю трубу у дивертора, а наружную у райзера, при этом внутренняя труба перемещается в наружной. Петля в соединительных линиях жидкости растягивается
в соответствии с изменением расстояния по вертикали. Нижние концы этих линий соединены с наружными горловинами наружной трубы телескопического соединения или кольца RST.
Гибкое соединение FlexKing
Гибкое соединение морского райзера компании «Камерон» служит для обеспечения относительного углового перемещения элементов райзера без чрезмерных изгибающих нагрузок. Когда узел гибкого соединения не используется, осевые линии узла с соединителями на противоположных концах расположены под углом 180 градусов друг к другу. Внутренний эластичный элемент обеспечивает гибкому соединению гибкость во всех направлениях, ограниченную сектором углов от плюс 10 до минус 10 градусов. Таким образом, осевые линии верхнего и нижнего соединителей могут располагаться под углом друг к другу до 170 градусов.
Малогабаритные соединители линий дросселирования и глушения
Малогабаритные соединители дросселирования и глушения служат для быстрого и надежного присоединения линий дросселирования и глушения к подводному блоку ПВО и к соответствующему нижнему узлу морского райзера.
Задвижки MCS
Задвижки MCS с цельным седлом компании «Камерон» оснащены уникальными подпружиненными барьерными уплотнениями, предотвращающими эрозию корпуса задвижки. Они обеспечивают надежное уплотнение для низкого давления и обладают пониженным износом шибера и седла. в задвижке MCS также используются многие конструктивные особенности ассортимента задвижек компании Камерон, включая цельную конструкцию шибера и минимальное количество деталей с полостями, что упрощает техническое обслуживание. Задвижки MCS выпускаются типоразмером 3″, на рабочее давление 10 000 фунт./кв. Дюйм и 15 000 фунт./кв. дюйм, они оснащены проверенным в эксплуатации уплотнением «металл по металлу».
Отсоединяемый привод задвижек требует для установки зазор всего 5» и может быть снят без извлечения задвижки из магистрали. Задвижки выпускаются в нормально закрытой и нормально открытой модификациях, типы корпусов включают сдвоенный блок, прямую и специальную конфигурации.
Райзер
Владельцы патента RU 2468277:
Изобретение относится к устройству райзера для использования в морском бурении на нефть или другие виды ископаемого топлива. Райзер содержит множество секций райзера, соединенных в непрерывную цепь. Каждая секция райзера содержит трубу, имеющую первый конец и второй конец, первый фланец, механически соединенный с первым концом трубы, второй фланец, механически соединенный со вторым концом трубы. Труба выполнена из алюминиевого сплава, и фланцы выполнены из алюминиевого сплава. Труба выполнена из первого металлического материала, и первый и второй фланцы выполнены из второго металлического материала и приспособлены для соединения множества секций райзера в непрерывную цепь. Первое и второе механические соединения не являются сварными и достаточно зафиксированы посредством резьбы, выбранной из группы, состоящей из конической резьбы, трапецеидальной резьбы или резьбы с разрывами, для обеспечения выдерживания множеством соединенных секций райзера динамических нагрузок, прикладаваемых массой воды, в которой подвешены секции райзера. Изобретение повышает надежность соединения устройства. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 16 ил.
Морские буровые установки, такие как неподвижные платформы, самоподъемные платформы, плавучие и/или полупогружные платформы и буровые суда с динамическим позиционированием, используют в добыче углеводородов под морским дном на больших глубинах. Колонна райзера обычно создается между плавучей платформой и оборудованием устья скважины на морском дне. Обычный морской райзер содержит цилиндрическую трубу или колонну, изготовленную из черного металла, например, стали, установленную вертикально между морским дном и буровой платформой на поверхности. Райзер обычно содержит множество трубных секций или звеньев, соединенных непрерывной цепью в колонну между поверхностью и стволом скважины. Растущий спрос на бурение в более глубоких водах требует использования дополнительной трубы райзера для перекрывания расстояния между морским дном и плавучей платформой.
В одном варианте обычный бурильный райзер содержит основную толстостенную трубу внешним диаметром 21 дюйм (533 мм) с приваренными соединительными устройствами на каждом конце, обычно фланцами. Штуцерная линия и линия глушения, линия гидравлической системы управления и линия подачи бурового раствора для ускорения восходящего потока окружают основную трубу с соединениями на фланцах и опираются на хомуты. Существующее оборудование позволяет выполнять экструзию 36-футовых (11-метровых) труб с внешним диаметром до 22,4 дюйма (570 мм) и толщиной стенок от 1,2 дюйма (30 мм) до 1,4 дюйма (35 мм). Обслуживающие линии соединены с основной трубой с использованием сварных ленточных хомутов. Хомуты необходимы для предотвращения скручивания обслуживающих линий, препятствования смещению модуля плавучести и обеспечения несения блоков коррозионной защиты.
Соответственно, настоящим изобретением создан улучшенный райзер для применения в морских буровых работах. Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, райзер для применения в морских буровых работах содержит множество секций, соединенных последовательно в цепь, при этом каждая секция райзера содержит трубу, имеющую первый конец и второй конец, первый фланец, механически соединенный с первым концом трубы, и второй фланец, механически соединенный со вторым концом трубы, при этом труба по длине имеет изменяющуюся толщину стенки.
В еще одном варианте осуществления, настоящее изобретение относится к множеству секций райзера, соединенных последовательно в цепь, при этом каждая секция райзера содержит трубу, имеющую первый конец и второй конец, первый фланец, механически соединенный с первым концом трубы, и второй фланец, механически соединенный со вторым концом трубы, при этом труба выполнена из алюминиевого сплава и фланцы выполнены из алюминиевого сплава.
В другом варианте осуществления устройство райзера может, при необходимости, включать в себя одну или несколько вспомогательных линий, создающих гидравлическую связь с противовыбросовым превентором. Вспомогательные линии могут, без ограничений этим, включать в себя штуцерную линию и линию глушения, линию гидравлической системы управления и линию подачи бурового раствора для ускорения восходящего потока. В связи с оборудованием вспомогательных линий также можно создавать телескопические соединения для обеспечения растяжения райзера при перемещении плавучей буровой установки вследствие таких факторов, как морские течения, волны и ветер.
Для более полного понимания настоящего изобретения и его признаков и преимуществ приводится следующее подробное описание, вместе с прилагаемыми чертежами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Другие цели, преимущества, признаки и отличия настоящего изобретения, а также способы, работа и функции взаимосвязанных элементов конструкции и объединение частей и экономические факторы производства должны стать ясными при рассмотрении следующего описания и пунктов формулы изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, являющиеся частью данного подробного описания изобретения, в котором одинаковые номера позиций указывают соответствующие части на различных фигурах.
На фигуре 1 показана соединительная муфта с конической /трапецеидальной/ с разрывами резьбой одного варианта осуществления настоящего изобретения.
На фигуре 2 показана соединительная муфта с термоусадочной втулкой одного варианта осуществления настоящего изобретения.
На фигуре 3 показана соединительная муфта с разъемной втулкой одного варианта осуществления настоящего изобретения.
На фигуре 4 показана соединительная муфта с установкой замка ковкой одного варианта осуществления настоящего изобретения.
На фигуре 5 показана соединительная муфта с обжимом замка при вращении одного варианта осуществления настоящего изобретения.
На фигуре 6 показана соединительная муфта с образованием замка магнитными импульсами одного варианта осуществления настоящего изобретения.
На фигуре 7 показана соединительная муфта c с образованием замка на раструбе одного варианта осуществления настоящего изобретения.
На фигуре 8 показана соединительная муфта с образованием замка разъемной запирающей деталью одного варианта осуществления настоящего изобретения.
На фигуре 9 показана соединительная муфта с образованием замка приложением гидравлического давления одного варианта осуществления настоящего изобретения.
На фигурах 10 и 10A-10C показана соединительная муфта c использованием в замке резьбовых шпилек одного варианта осуществления настоящего изобретения.
На фигуре 11 показана соединительная муфта с быстроразъемным соединением одного варианта осуществления настоящего изобретения.
На фигурах 12 и 12A показана соединительная муфта с разъемным фланцем одного варианта осуществления настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЙ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Морская буровая установка содержит буровую вышку, опирающуюся на платформу. Платформа плавает в акватории над морским дном, опираясь на один или несколько понтонов. Вышка выполняет функции бурения ствола скважины при развертывании и откачки нефти или других видов ископаемого топлива из скважины.
Райзер содержит множество удлиненных трубных звеньев или секций райзера, соединенных вместе. В одном варианте осуществления, каждая секция райзера имеет высокое отношение предела прочности к массе, такое, что каждая секция райзера может противостоять давлению материала, заключенного в ней, а также выдерживать палубную нагрузку и нагрузку, обусловленную навешиванием дополнительных секций райзера. В другом варианте осуществления, секции райзера способны выдерживать тепловые воздействия и воздействия коррозии от бурового раствора и соленой воды.
Райзеры также используют для заканчивания скважины и капитального ремонта скважины. Данные райзеры могут представлять собой отдельные райзеры с требуемыми функциональными возможностями или райзеры заканчивания/капитального ремонта с объединенными функциональными возможностями. Райзер заканчивания обычно используют для спуска подвески насосно-компрессорной трубы и насосно-компрессорной трубы через бурильный райзер и противовыбросовый превентор. Райзер капитального ремонта скважины используют вместо бурильного райзера для повторного входа в скважину через донную фонтанную арматуру в открытом море. Данный райзер также можно использовать для установки донной фонтанной арматуры. Райзер заканчивания/капитального ремонта скважины должен объединять необходимые функциональные признаки обоих райзеров. Такие райзеры имеют, в общем, меньший диаметр (внутренний диаметр 5,25 дюймов (133 мм) и их собирают с использованием трубных звеньев по 45 футов (13,7 м).
Эксплуатационные райзеры или райзеры плавучих нефтедобывающих систем представляют собой трубопроводы между подводным оборудованием и платформой на поверхности. Райзер является стыкующим устройством между статичной структурой на морском дне и динамичной плавучей нефтедобывающей системой. В результате, он должен воспринимать соответствующие динамические нагрузки в дополнение к своему основному предназначению по удерживанию в себе текучей среды и давления. Диаметр эксплуатационного райзера может значительно изменяться в зависимости от используемого типа, но обычно, может иметь внешний диаметр 12 дюймов (305 мм). Эксплуатационные райзеры изготавливают посредством сварки или резьбовых и муфтовых соединений в зависимости от типа.
После доставки добываемой текучей среды по «эксплуатационному райзеру» на плавучую нефтедобывающую систему или на верхнюю конструкцию платформы, происходит отделение нефти от потока нефти, газа и воды из скважины, затем нефть транспортируют с верхнего строения платформы на подводный трубопровод через «отгрузочный райзер». Отгрузочный райзер является, в общем, сварной стальной трубчатой конструкцией и прокладывается в форме простой цепной линии.
В одном варианте осуществления труба и первое и второе фланцевые соединительные муфты изготавливаются из материала, обладающего одним или несколькими из следующих свойств: минимальный предел текучести составляет от около 50 до около 90 тысяч фунт/дюйм 2 (3500-6300 кг/см 2 ), точнее, от около 68 и до около 80 тысяч фунт/дюйм 2 (4760-5600 кг/см 2 ), и предел прочности на разрыв (UTS), по меньшей мере, приблизительно от 58 до 750 тысяч фунт/дюйм 2 (4060-52500 кг/см 2 ). В одном варианте осуществления настоящего изобретения, но необязательно, материал имеет плотность, равную приблизительно одной трети плотности стали.
В другом варианте осуществления, вспомогательные линии могут включать в себя, без ограничения этим, трубы штуцерной линии и линии глушения скважины, трубы гидравлической системы управления и трубы подачи бурового раствора для ускорения восходящего потока. Вспомогательные линии установлены снаружи трубы и функционируют для создания гидравлической связи с противовыбросовым превентором и оборудованием устья скважины.
В другом варианте осуществления, механическая соединительная деталь находится между одним концом трубы и фланцевым соединением. Механическую соединительную деталь можно также использовать для соединения вместе двух, в общем, цилиндрических трубных частей. Механическая соединительная деталь исключает обычный процесс сварки фланцевой соединительной муфты с трубой. Механическая соединительная деталь заменяет процесс сварки, который является проблематичным, поскольку прочность сварного шва всегда ниже прочности основного металла. Дополнительно, устойчивость к коррозии сварного шва и/или зон, подвергшихся нагреву при сварке, зачастую ниже, чем у основного металла.
В еще одном варианте осуществления механические соединения используют вместо сварных соединений. Подходящие механические соединения включают в себя, без ограничения этим, резьбовое соединение, болтовое или другие виды обычных механических соединений. Преимущества механического соединения могут включать в себя способность поддерживать свойства основного металла в соединении, такие как прочность и устойчивость к коррозии. В другом примере, где требуются многочисленные трубные секции для составления секции райзера, данные трубные секции можно соединять соединительными муфтами. В еще одном варианте осуществления область соединения снабжена уплотнителем.
В еще одном варианте осуществления секция райзера также включает в себя резьбовую вставку, болт и ниппель для надежного муфтового соединения колонны или ряда секций райзера вместе. Секция райзера дополнительно включает в себя гнездо вспомогательной линии, стопорную гайку вспомогательной линии, замковую муфту вспомогательной линии, трубу вспомогательной линии и телескопический ниппель вспомогательной линии для крепления каждой вспомогательной линии способом, который должен быть понятен специалистам в данной области техники. Телескопический замковый ниппель эффективно функционирует для обеспечения зазора между соединительными муфтами секций райзера для обеспечения перемещения при растяжении.
В дополнительном варианте осуществления, система алюминиевого бурильного райзера настоящего изобретения содержит секции райзера, в которых труба выполнена с изменяемой толщиной стенки вдоль отрезка длины трубы. Например, стенки трубы могут быть толще на концах, где размещены механические соединения.
В одном варианте секции трубы имеют длину приблизительно 33 фута (10,1 м), при этом две трубы и два фланца составляют секцию райзера (всего, приблизительно 75 футов (22,9 м). Способ и устройство настоящего изобретения относятся к увеличению толщины стенки в области механического соединения, что уменьшает общую потерю несущей способности райзера. В одном варианте осуществления толщина увеличена до нормы основного металла для прочности зоны механического соединения. Например, толщину можно увеличить, по меньшей мере, на 30% в зоне механического соединения.
В другом варианте осуществления толщину стенки трубы либо непрерывно изменяют или изменяют на одну ступень или несколько ступеней на длине отрезка трубы. В другом примере изменяют длину отрезка трубы с большей толщиной стенки (например, при более коротком таком отрезке получают образец минимального веса, но длина должна превышать длину зоны сварки, включающую в себя зоны термического воздействия, для максимальной эффективности). При варианте с одной ступенью, степень уменьшения толщины является другим переменным параметром, например, более быстродействующим, быстрорастущим. В одном конкретном варианте использования одной ступени, при длине 1-3 фута (0,3-0,9 м) толстостенной секции имеется длина 1-2 фута (0,3-0,6 м), где толщина снижается. В еще одном варианте осуществления изменяют внешний диаметр и/или внутренний диаметр.
В еще одном варианте осуществления можно использовать многочисленные способы для получения конической формы. Например, коническую форму можно получить посредством станочной обработки и/или обработки металлов, перемещающей материал, вместо его удаления.
Настоящее изобретение можно использовать для любого материала, любой геометрической формы и любого способа изготовления, применяемого для райзера. В еще одном варианте осуществления материалом является алюминиевый сплав. В еще одном варианте осуществления труба является экструдированной трубой с экструзионной технологией, используемой для создания геометрической формы.
Подходящие материалы включают в себя, помимо прочего, такие марки стали, как AA6063-T6, AA6061-T6, AA2219-T6 или AA2219-T8, AA2519-T8, AA7039-T6 и AA7005-T6 или марки стали с возможностью ротационной сварки трением, такие как AA7075-T6, AA7050-T76, AA7050-Т74, AA7055-T77, AA7055-T76, AA7085-T6, AA7085-T76 или сплавы с возможностью смешанной сварки, такие как AA2099-T8, AA2199-T8 или AA2195-T8.
Подходящие материалы также включают в себя, помимо прочего, алюминиевые сплавы 2XXX, 5XXX, 6XXX, 7XXX согласно Ассоциации Алюминия и Российским эквивалентам этой группы сплавов. В еще одном варианте осуществления подходящие материалы также включают в себя, без ограничения этим, сплавы Al-Li для устойчивости к коррозии.
На фигуре 1 показана соединительная муфта с конической /трапецеидальной/ с разрывами резьбой одного варианта осуществления настоящего изобретения. Разрыв резьбы допускает приложение линейной нагрузки с частичным вращением для запирания. Трапецеидальная резьба выполнена с возможностью несения высоких осевых нагрузок. Следовательно, труба райзера и фланец имеют такую резьбу, чтобы трубу райзера вставлять во фланец и поворачивать, для ввода резьб в зацепление.
На фигуре 2 показана соединительная муфта с термоусадочной втулкой одного варианта осуществления настоящего изобретения. Фланец или резьбу нагревают для расширения вокруг трубы райзера и затем охлаждают, создавая соединение труб обжатием. Другие признаки могут быть предусмотрены в поверхности раздела компонентов для улучшения механической блокировки.
На фигуре 3 показана соединительная муфта с разъемной втулкой одного варианта осуществления настоящего изобретения. Разъемная втулка включает в себя признаки для улучшения механической блокировки, предусмотренные в конструкции фланца или втулки или трубы. Фланец и втулка являются разъемными. Присоединение к трубе райзера совершается посредством болтового крепления вместе половин фланца и втулки, с захватом, таким образом, трубы райзера.
На фигуре 4 показана соединительная муфта с установкой замка ковкой одного варианта осуществления настоящего изобретения. Инструмент устанавливает ковкой фланец или втулку на трубу райзера.
На фигуре 5 показана соединительная муфта с обжимом замка при вращении одного варианта осуществления настоящего изобретения. Инструмент поступательно образует фланец или втулку на трубе райзера. Инструмент или агрегат вращается вместе с подачей инструментом трубы райзера.
На фигуре 6 показана соединительная муфта с образованием замка магнитными импульсами одного варианта осуществления настоящего изобретения. Фланец или втулку на трубу райзера устанавливают ковкой с помощью импульсной магнитной нагрузки.
На фигуре 7 показана соединительная муфта c образованием замка на раструбе одного варианта осуществления настоящего изобретения. Высадку или раструб на трубе райзера захватывают в разъемный фланец и на месте закрепляют болтами.
На Фигуре 8 показана соединительная муфта с образованием замка разъемной запирающей деталью одного варианта осуществления настоящего изобретения. Кольцо разъемной запирающей детали заклинивается и блокируется натяжением в райзере. Стопорное кольцо или штифт удерживает переходную муфту на месте, когда райзер не натянут. В одном варианте осуществления, фланцевую муфту устанавливают на трубу райзера после сцепления последней с запирающей деталью. Разъемное кольцо запирающей детали крепится к трубе райзера. Фланцевая муфта перемещается назад к концу трубы райзера и заклинивает кольцо запирающей детали. Стопорное кольцо или штифт устанавливают для удержания фланцевой муфты на месте.
На фигуре 9 показана соединительная муфта с образованием замка с приложением гидравлического давления одного варианта осуществления настоящего изобретения. Участок трубы райзера является расширенным и запирается во фланце. Внутреннее давление прикладывают к контролируемой секции трубы райзера. Можно использовать разнообразные геометрические формы и контактные поверхности соединения.
На фигуре 10 показана соединительная муфта c использованием в замке резьбовых шпилек одного варианта осуществления настоящего изобретения. Фигуры 10A-C дополнительно показывают вариант осуществления. На фигуре 10C показаны резьбы шпилек замкового ниппеля на трубе. Затягивание болтов «поджимает» фланец на конические секции трубы.
На фигуре 11 показана соединительная муфта с быстроразъемным соединением c обжимом и расклиниванием одного варианта осуществления настоящего изобретения. Клин создает обжимающее стягивающее усилие под осевой нагрузкой.
На фигуре 12 показана соединительная муфта с разъемным фланцем одного варианта осуществления настоящего изобретения. Фигура 12A является дополнительной иллюстрацией.
Хотя данное изобретение описано со ссылкой на иллюстративные варианты осуществления, данное описание не должно восприниматься, как ограничивающее. Различные модификации и комбинации иллюстративных вариантов осуществления, как и другие варианты осуществления изобретения, должны быть ясны специалистам в данной области техники при обращении к описанию. При этом прилагаемая формула изобретения является охватывающей любые модификации или варианты осуществления.
1. Райзер, содержащий множество металлических секций райзера, соединенных в непрерывную цепь, при этом каждая секция райзера содержит трубу, имеющую первый конец и второй конец, первый фланец, механически соединенный с первым концом трубы с образованием первого механического соединения, второй фланец, механически соединенный со вторым концом трубы с образованием второго механического соединения, при этом труба выполнена из первого металлического материала, и первый, и второй фланцы выполнены из второго металлического материала и приспособлены для соединения множества секций райзера в непрерывную цепь, при этом первое и второе механические соединения не являются сварными и достаточно зафиксированы посредством резьбы, выбранной из группы, состоящей из конической резьбы, трапецеидальной резьбы или резьбы с разрывами, для обеспечения выдерживания множеством соединенных секций райзера динамических нагрузок, прикладаваемых массой воды, в которой подвешены секции райзера.
2. Райзер по п.1, в котором первый конец трубы механически соединен с первым фланцем термоусадочной муфтой.
3. Райзер по п.1, в котором первый конец трубы механически соединен с первым фланцем разъемной втулкой.
4. Райзер по п.1, в котором первый конец трубы механически соединен с первым фланцем установкой замка ковкой.
5. Райзер по п.1, в котором первый конец трубы механически соединен с первым фланцем обжимом замка при вращении.
6. Райзер по п.1, в котором первый конец трубы механически соединен с первым фланцем с образованием замка магнитными импульсами.
7. Райзер по п.1, в котором первый конец трубы механически соединен с первым фланцем с образованием замка на раструбе.
8. Райзер по п.1, в котором первый конец трубы механически соединен с первым фланцем с образованием замка разъемной запирающей деталью.
9. Райзер по п.1, в котором первый конец трубы механически соединен с первым фланцем с образованием замка приложением гидравлического давления.
10. Райзер по п.1, в котором первый конец трубы механически соединен с первым фланцем с использованием в замке резьбовых шпилек.
11. Райзер по п.1, в котором первый конец трубы механически соединен с первым фланцем быстроразъемным соединением.
12. Райзер по п.1, в котором первый конец трубы механически соединен с первым фланцем разъемным фланцем.
13. Райзер по п.1, в котором труба по длине имеет изменяющуюся толщину стенки для обеспечения увеличенной толщины стенки на концах трубы, где расположены механические соединения.
14. Райзер по п.1, в котором первый и второй металлические материалы являются одинаковыми и выбраны из группы, состоящей из алюминия, стали, меди и титана.
15. Райзер по п.1, в котором первый и второй металлические материалы являются разными и выбраны из группы, состоящей из алюминия, стали, меди и титана.
16. Райзер по п.1, который имеет длину, составляющую, по меньшей мере, 1500 м.
17. Райзер по п.1, в котором первый и второй металлические материалы являются одинаковыми и выбраны из группы, состоящей из алюминия, стали, меди, титана, алюминиевого сплава, стального сплава, медного сплава, никелевого сплава и титанового сплава.
18. Райзер по п.1, в котором труба, по меньшей мере, одной секции райзера содержит первую часть и вторую часть, соединенные между собой третьим не сварным механическим соединением.
19. Бурильный металлический райзер, содержащий множество секций райзера, соединенных в непрерывную цепь, при этом каждая секция райзера содержит трубу, имеющую первый конец и второй конец, первый фланец, механически соединенный с первым концом трубы с образованием первого механического соединения, второй фланец, механически соединенный со вторым концом трубы с образованием второго механического соединения, при этом труба выполнена из первого металлического материала, и первый, и второй фланцы выполнены из второго металлического материала и приспособлены для соединения множества секций райзера в непрерывную цепь, при этом первый и второй металлические материалы являются разными и выбраны из группы, состоящей из алюминия, стали, меди и титана, и первое, и второе механические соединения не являются сварными и достаточно зафиксированы для обеспечения выдерживания множеством соединенных секций райзера динамических нагрузок, прикладаваемых массой воды, в которой подвешены секции райзера.
20. Райзер по п.19, в котором первое и второе механические соединения зафиксированы посредством резьбы, выбранной из группы, состоящей из конической резьбы, трапецеидальной резьбы или резьбы с разрывами.
21. Райзер по п.19, в котором труба, по меньшей мере, одной секции райзера содержит первую часть и вторую часть, соединенные между собой третьим не сварным механическим соединением.