Вращающийся превентор, оснащенный захватным устройством с принудительным приводом

Группа изобретений относится к вращающимся превенторам для бурения скважины, способам и системам для бурения скважины. Технический результат заключается в уменьшении износа и повреждения уплотнения. Вращающийся превентор для бурения скважины содержит уплотнение, установленное с возможностью вращения и герметично сцепляющееся с бурильной колонной, и захватное устройство, содержащее зажимную губку, выполненную с возможностью вхождения поворотом в захватное сцепление с бурильной колонной, и тем самым принуждающее уплотнение вращаться вместе с указанной бурильной колонной. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение в целом относится к используемому оборудованию и выполняемым действиям, связанным с бурением скважины, и, согласно раскрытому ниже варианту осуществления изобретения, в частности, обеспечивает вращающийся превентор с захватным устройством для принудительного приведения в движение уплотнения, имеющегося в данном вращающемся превенторе.

Предпосылки создания изобретения

Вращающийся превентор содержит уплотнение, обеспечивающее в нем герметичность вокруг бурильной колонны. Замена этого уплотнения представляет собой трудоемкий и длительный процесс, который в некоторых ситуациях может быть небезопасным. Таким образом, понятно, что предотвращение износа или повреждения этого уплотнения является актуальной задачей.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлены вертикальная проекция скважинной системы и соответствующий способ, которые могут реализовывать принципы настоящего изобретения.

На фиг.2 представлен в разрезе вращающийся превентор, известный из уровня техники.

На фиг.3 представлен в частичном разрезе вращающий превентор, который может использоваться в скважинной системе и способе, показанных на фиг.1, и который может реализовывать принципы настоящего изобретения.

На фиг.4 представлено в разрезе захватное устройство, которое может использоваться во вращающемся превенторе, показанном на фиг.3, и которое может реализовывать принципы настоящего изобретения.

На фиг.5 представлено в разрезе захватное устройство, захватные губки которого находятся в верхнем захватном положении.

На фиг.6 представлено в разрезе захватное устройство, имеющее другую конфигурацию.

На фиг.7 представлен разрез захватного устройства, выполненный по линии 7-7, приведенной на фиг.6.

Подробное описание изобретения

На фиг.1 показан пример скважинной системы 10 и соответствующего способа, которые могут реализовывать принципы настоящего изобретения. В скважинной системе 10 имеется бурильная колонна 12, проходящая вниз через блок 14 противовыбросовых превенторов (ВОР - от англ. blowout preventer), установленный на устье 16 скважины. Для вращения бурильной колонны 12, передающей это вращение на буровое долото (не показано), находящееся на дальнем конце бурильной колонны, и за счет этого углубляющейся в землю, используется верхний привод 18 (содержащий, например, гидравлический или электрический двигатель).

Вращающийся превентор (RCD - от англ. rotating control device) 20 обеспечивает уплотнение кольцевого пространства, образуемого радиально вокруг бурильной колонны 12, при этом скважина ниже устья 16 изолируется от атмосферы. Циркуляцию текучей среды (например, бурового раствора и т.п.) через скважину под вращающимся превентором (RCD) 20 обеспечивает выход 22.

Следует отметить, что описанная здесь скважинная система 10 является лишь одним примером из множества скважинных систем, в которых могут быть реализованы принципы настоящего изобретения. Например, бурильная колонна 12 необязательно должна вращаться с верхним приводом 18, в других примерах бурильная колонна может вращаться с ведущей трубой и поворотным столом или с забойным двигателем и т.п. Таким образом, понятно, что принципы настоящего изобретения никоим образом не ограничиваются конкретным примером конструкции скважинной системы 10 и конкретным примером способа, проиллюстрированными на чертежах и описанными в данной заявке.

На фиг.2 показан пример вращающегося превентора (RCD) 23, известного из уровня техники. Во вращающихся превенторах (RCD) 23 такого типа имеется уплотнение 24 для герметичного обхвата бурильной колонны 12, что обеспечивает герметизацию кольцевого пространства 26, образующегося радиально между бурильной колонной и наружным корпусом 28 вращающегося превентора (RCD).

Вращающиеся превенторы также известны в уровне техники как противовыбросовые вращающиеся превенторы, вращающиеся головки, вращающиеся отклоняющие превенторы, вращающиеся отклонители и т.д. Вращающиеся превенторы обеспечивают уплотнение вокруг вращающихся в них бурильных колонн.

Уплотнение 24 установлено на, в целом, трубчатой оправке 30. Вращение оправки 30 и уплотнения 24 относительно корпуса 28 обеспечивается при помощи подшипников 32.

Хотя уплотнение 24 и оправка 30 могут вращаться вместе с бурильной колонной 12, трение между уплотнением и бурильной колонной может вызывать вращение уплотнения. К сожалению, в результате вращения уплотнения 24 относительно бурильной колонны 12 оно может повредиться, из-за чего срок его службы сократится.

Известны случаи, когда бурильную колонну 12 сцепляли с оправкой 30 посредством втулки (не показана) на ведущей трубе (не показана) для принудительного вращения вместе с бурильной колонной 12. Однако такая система применима только при использовании ведущей трубы (ведущую трубу не используют, если для вращения бурильной колонны применяется верхний привод 18, показанный на фиг.1). Такая система обычно подразумевает плотное прижатие уплотнения 24 к ведущей трубе с многоугольным сечением (а не к цилиндрической бурильной колонне).

На фиг.3 приведен пример вращающегося превентора (RCD) 20, показанного отдельно от остальной скважинной системы 10. Вращающийся превентор (RCD) 20 во многом аналогичен вращающемуся превентору (RCD) 23. В частности, он тоже содержит уплотнение 24, корпус 28, оправку 30 и подшипники 32.

Отличие вращающегося превентора (RCD) 20 состоит в том, что он дополнительно содержит захватное устройство 34, прикрепленное к верхнему концу оправки 30. На фиг.3 показано схематическое изображение захватного устройства 34. Варианты осуществления этого захватного устройства подробнее описаны ниже.

Захватное устройство 34 захватывает бурильную колонну 12 особым образом, принуждая оправку 30 и уплотнение 24 вращаться вместе с бурильной колонной. При этом предотвращается (или, по меньшей мере, ослабляется) вращение уплотнения 24 относительно бурильной колонны 12. Однако бурильная колонна 12 может смещаться в продольном направлении (например, вдоль продольной оси 35 бурильной колонны) через захватное устройство 34 в процессе бурения и углубления ствола скважины или в процессе спуска бурильной колонны в ствол скважины или подъема бурильной колонны из ствола скважины.

На фиг.4 в увеличенном масштабе показан в разрезе пример одной конфигурации захватного устройства 34. На этом чертеже показано, что захватное устройство 34 имеет захватные губки 36, которые могут поворачиваться вокруг шарниров 38.

На фиг.4 губки 36 показаны полностью выдвинутыми радиально внутрь. В этом положении они легко могут обеспечить захватное зацепление бурильной колонны 12. На губках 36 выполнены зубцы 40, предназначенные для захвата бурильной колонны 12, но, предпочтительно, эти зубцы выполнены таким образом, что они не повреждают наружную поверхность бурильной колонны (проходящей через уплотнение 24), и/или эти губки могут быть выполнены из материала (например, алюминия и т.п.), твердость которого меньше твердости бурильной колонны.

Губки 36 с внутренней стороны поддерживаются опорами 42, когда эти опоры входят в поперечно суженный участок 44 захватного устройства 34. Кроме того, губки 36 смещаются радиально внутрь торсионными пружинами 46 и входят в захватное сцепление с бурильной колонной 12.

Губки 36 также смещаются вверх относительно корпуса 48 захватного устройства 34 пружинами 50 сжатия. В частности, пружины 50 сжатия смещают шарниры 38 вверх и прикладывают силу для сдвига опор 42 в поперечно суженный участок 44.

На фиг.5 показан пример захватного устройства 34, у которого шарниры 38 и губки 36 смещены вниз по сравнению с конфигурацией, изображенной на фиг.4. При таком положении шарниров 38 и губок 36 опоры 42 находятся за пределами поперечно суженного участка 44 в поперечно расширенном участке 52, и при этом губки 36 могут поворачиваться наружу вокруг шарниров 38.

Конфигурация, приведенная на фиг.5, иллюстрирует контакт части бурильной колонны, имеющей увеличенный диаметр, с верхней наклонной поверхностью 54, расположенной между парами соответствующих шарниров 38 и губок 36. Например, стыковочный узел 56 (скажем, изображенный на фиг.1, но расположенный ниже на бурильной колонне 12) может перемещаться вниз по мере бурения ствола скважины или в процессе спуска бурильной колонны в скважину. В результате контакта стыковочного узла 56 с наклонными поверхностями 54 шарниры 38 и губки 36 смещаются вниз, переходя из конфигурации, показанной на фиг.4, в конфигурацию, показанную на фиг.5, и отклоняются наружу, в результате чего указанный стыковочный узел может пройти через захватное устройство 34.

Следует отметить, что губки 36 вращаются вокруг осей 58 шарниров 38, причем данные оси проходят поперек оси 35 бурильной колонны.

На фиг.6 приведен пример другой конфигурации захватного устройства 34. В этой конфигурации губки 36 поворачиваются вокруг шарниров 38, оси 58 которых параллельны оси 35 бурильной колонны, а наклонные плоскости 54 находятся на верхних и нижних концах указанных губок.

Губки 36 установлены с возможностью поворота на держателях 60, которые могут смещаться в поперечном направлении относительно корпуса 48. Для смещения держателей 60 и губок 36 радиально внутрь относительно корпуса 48 могут использоваться сдвигающие приспособления, например пружины (не показаны).

Наклонные плоскости 54 на верхних и нижних концах губок 36 способствуют сдвигу этих губок радиально наружу при контакте губок 36 с частью бурильной колонны 12, имеющей увеличенный диаметр и перемещающейся вверх или вниз через захватное устройство 34. Следует отметить, что наклонные поверхности 54, при необходимости, могут находиться на верхних и нижних концах губок 36 в конфигурациях захватного устройства 34, показанных на фиг.4 и 5.

На фиг.7 приведен пример разреза захватного устройства 34, выполненного по линии 7-7, показанной на фиг.6. На фиг.7 показано, что губки 36 имеют такую форму, при которой сила захвата, прикладываемая губками 36 к бурильной колонне 12, при вращении бурильной колонны относительно этих губок увеличивается.

В частности, если бурильная колонна 12 вращается по часовой стрелке (правое вращение), как показано на фиг.7 стрелками 62, а губки 36 захватывают эту бурильную колонну (торсионные пружины 46 непрерывно смещают губки, в результате чего происходит их захватное сцепление с бурильной колонной), вращение данной бурильной колонны относительно губок приводит к повороту губок вокруг шарниров против часовой стрелки, в результате чего сила захвата, прикладываемая губками к бурильной колонне, увеличивается. Данный эффект обусловлен наличием изогнутых захватных поверхностей 64, центр кривизны которых смещен относительно осей 58 шарниров.

Понятно, что раскрытое изобретение характеризуется несколькими улучшениями конструкций и принципов работы вращающихся превенторов известного уровня техники. Вращающийся превентор 20 уменьшает износ и повреждение уплотнения 24 из-за вращения этого уплотнения относительно бурильной колонны 12.

В вышеприведенном описании раскрыт вращающийся превентор 20, который может содержать уплотнение 24, установленное с возможностью вращения и герметично обхватывающее бурильную колонну 12. Бурильная колонна 12 захватывается захватным устройством 34, обеспечивающим принудительное вращение уплотнения 24 вместе с бурильной колонной 12.

Захватное устройство 34 может содержать захватную губку 36, предназначенную для захвата бурильной колонны 12. Захватная губка может смещаться для приведения в контакт с бурильной колонной 12. Губка 36 может радиально смещаться относительно бурильной колонны 12.

Губка 36 может поворачиваться вокруг оси 58, перпендикулярной бурильной колонне 12. Губка 36 может поворачиваться вокруг оси 58, параллельной продольной оси 35 бурильной колонны 12.

Вращение бурильной колонны 12 относительно захватного устройства 34 может приводить к увеличению силы захвата, прикладываемой захватным устройством 34.

В настоящей заявке также раскрыт способ бурения. Данный способ может содержать позиционирование бурильной колонны 12 во вращающемся превенторе 20, захват бурильной колонны 12 захватным устройством 34 вращающегося превентора 20 и вращение бурильной колонны 12, причем захватное сцепление между захватным устройством 34 и бурильной колонной 12 обеспечивает вращение уплотнения 24 вращающегося превентора 20 вместе с бурильной колонной 12.

Вращение бурильной колонны 12 может сопровождаться увеличением силы захвата, прикладываемой захватным устройством 34, при повороте бурильной колонны 12 относительно захватного устройства 34.

Захват бурильной колонны 12 может содержать сцепление с бурильной колонной 12 захватной губки 36 захватного устройства 34. Сцепление захватной губки 36 захватного устройства 34 может сопровождаться поворотом захватной губки 36.

Данный способ также может включать в себя смещение захватной губки 36 радиально наружу относительно бурильной колонны 12 при прохождении участка бурильной колонны 12 с увеличенным диаметром через вращающийся превентор 20.

Данный способ также может включать в себя прикрепление захватного устройства 34 к оправке 30 вращающегося превентора 20, причем оправка 30 неподвижна относительно уплотнения 24.

В настоящей заявке также раскрыта скважинная система 10, которая может содержать бурильную колонну 12 и вращающийся превентор 20, содержащий уплотнение 24, герметично сцепляющееся с бурильной колонной 12, и захватное устройство 34, путем захвата сцепляющееся с бурильной колонной 12.

Скважинная система 10 также может содержать верхний привод 18, вращающий бурильную колонну 12.

Следует понимать, что различные вышеописанные варианты осуществления настоящего изобретения могут характеризоваться разного рода пространственной ориентацией, в том числе наклонной, перевернутой, горизонтальной, вертикальной и т.п., а также применяться в разных конфигурациях без отклонения от сути настоящего изобретения. Варианты осуществления изобретения описаны только в качестве примеров практического применения принципов настоящего изобретения, которые не ограничиваются какими-либо конкретными особенностями данных вариантов осуществления изобретения.

В вышеприведенном описании вариантов осуществления изобретения слова, соответствующие указателям направления, такие как «над», «под», «верхний», «нижний» и т.п., использованы для удобства иллюстрации информации, приведенной на соответствующих чертежах. Вообще, слова «над», «верхний», «вверх» и т.п. относятся к вертикальному направлению вверх от поверхности земли, а слова «под», «нижний», «вниз» и т.п. относятся к вертикальному направлению вниз.

Безусловно, на основе тщательного ознакомления с вышеприведенным описанием примеров вариантов осуществления изобретения специалисту будет понятно, что отдельные компоненты приведенных конкретных вариантов осуществления изобретения могут быть модифицированы, дополнены, заменены, исключены, а также в приведенные конкретные варианты осуществления изобретения могут быть внесены другие изменения в соответствии с принципами настоящего изобретения. Соответственно, следует четко понимать, что вышеприведенное подробное описание используется только в качестве примера и иллюстрации, причем суть и объем настоящего изобретения ограниваются исключительно признаками, указанными в формуле изобретения, и эквивалентными признаками.

1. Вращающийся превентор для бурения скважины, содержащий:
уплотнение, установленное с возможностью вращения и герметично сцепляющееся с бурильной колонной; и
захватное устройство, содержащее зажимную губку, выполненную с возможностью вхождения поворотом в захватное сцепление с бурильной колонной, и тем самым принуждающее уплотнение вращаться вместе с указанной бурильной колонной.

2. Вращающийся превентор по п. 1, в котором захватная губка выполнена смещаемой для приведения в контакт с бурильной колонной.

3. Вращающийся превентор по п. 1, в котором захватная губка выполнена с возможностью радиального смещения относительно указанной бурильной колонны.

4. Вращающийся превентор по п. 1, в котором захватная губка выполнена с возможностью поворота вокруг оси, которая перпендикулярна бурильной колонне.

5. Вращающийся превентор по п. 1, в котором захватная губка выполнена с возможностью поворота вокруг оси, которая параллельна продольной оси бурильной колонны.

6. Вращающийся превентор по п. 1, в котором вращение бурильной колонны относительно захватного устройства приводит к увеличению силы захвата, прилагаемой указанным захватным устройством.

7. Способ бурения скважины, содержащий шаги:
позиционирование бурильной колонны во вращающемся превенторе;
захват бурильной колонны захватным устройством вращающегося превентора посредством вхождения поворотом захватной губки захватного устройства в захватное сцепление с бурильной колонной; и
вращение бурильной колонны, причем захватное сцепление между захватным устройством и бурильной колонной вызывает вращение уплотнения вращающегося превентора вместе с бурильной колонной.

8. Способ по п. 7, в котором вращение бурильной колонны дополнительно включает в себя увеличение силы захвата, прилагаемой захватным устройством, при повороте бурильной колонны относительно захватного устройства.

9. Способ по п. 7, дополнительно содержащий смещение захватной губки радиально наружу относительно бурильной колонны при прохождении участка бурильной колонны с увеличенным диаметром через вращающийся превентор.

10. Способ по п. 7, дополнительно содержащий прикрепление указанного устройства к оправке вращающегося превентора, причем эта оправка зафиксирована относительно уплотнения.

11. Система для бурения скважины, содержащая:
бурильную колонну; и
вращающийся превентор, содержащий уплотнение, герметично сцепляющееся с бурильной колонной, и захватное устройство, содержащее захватную губку, выполненную с возможностью вхождения поворотом в захватное сцепление с бурильной колонной.

12. Система по п. 11, дополнительно содержащая верхний привод, вращающий бурильную колонну.

13. Система по п. 11, в которой захватное устройство обеспечивает принудительное вращение уплотнения вместе с бурильной колонной.

14. Система по п. 11, в которой захватная губка является смещаемой для приведения в контакт с бурильной колонной.

15. Система по п. 11, в которой захватная губка выполнена с возможностью радиального смещения относительно бурильной колонны.

16. Система по п. 11, в которой вращение бурильной колонны относительно захватного устройства приводит к увеличению силы захвата, прикладываемой указанным захватным устройством.