Разделяющийся цилиндровый узел
Группа изобретений относится к разделяющимся цилиндровым узлам. Технический результат заключается в быстром и безопасном отсоединении цилиндра. Разделяющийся цилиндровый узел содержит по меньшей мере один цилиндр с поршнем, находящимся внутри цилиндра, и с головкой, перекрывающей один конец цилиндра с образованием камеры между поршнем и головкой цилиндра. Цилиндр выполнен с возможностью создавать, при нахождении поршня в определенном положении внутри цилиндра, утечку текучей среды от одной стороны поршня на другую его сторону. Цилиндровый узел снабжен отделяющими средствами для последующего управляемого отделения от цилиндра его головки. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 7 ил.
Область техники
Изобретение относится к разделяющемуся цилиндровому узлу и к цилиндровому узлу, снабженному механизмом освобождения (разделения).
Уровень техники
Райзеры обычно используются, чтобы соединять углеводородные скважины, выполненные в морском дне, с плавучими морскими конструкциями. Райзер обычно изготавливается в виде колонны стальных труб, имеющих значительный диаметр и, следовательно, тяжелых. Поэтому плавучая конструкция должна создавать натяжение в райзере, чтобы предотвратить его прогибание и, возможно, обрушение под действием собственного веса, а также предотвращать действие его веса на устье скважины. Такая система создания натяжения является скомпенсированной в отношении движений платформы относительно морского дна, например, чтобы поддерживать в райзере относительно стабильное натяжение. Проблемы могут возникать, когда условия, в которых находится платформа, выходят за пределы нормального рабочего диапазона, например, в случае отведения или смещения платформы в результате дрейфа или в случае, если система компенсации волнения не функционирует должным образом. Все эти условия могут приводить к чрезмерному натяжению в райзере и к его разламыванию в нескольких точках. Чтобы учесть эту проблему, райзеры могут снабжаться слабым звеном, имеющим меньшую прочность на разрыв, чем другие компоненты райзера. Как следствие при достижении в райзере определенного, заранее известного уровня натяжения, происходит разрушение именно в определенном заранее месте райзера.
Слабое звено должно обеспечивать:
- защиту барьеров, как основных, так и вспомогательных;
- защиту персонала;
- защиту окружающей среды.
Обычное слабое звено содержит две детали, которые, с возможностью разделения, крепятся одна к другой, например, заклепками, разрушающимися при приложении заданного растягивающего усилия. Подобные системы со слабыми звеньями должны быть способны выдерживать не только растягивающие усилия, прикладываемые к слабому звену со стороны плавучей конструкции, но также давление со стороны скважины. Поэтому заклепки должны быть проградуированы так, чтобы разрушаться при растяжении, которое обусловлено комбинацией разделяющего усилия, обусловленного давлением в скважине, и растяжения, вызываемого нагрузкой с поверхности. Давление в скважине флуктуирует. При высоких давлениях обычное слабое звено может иметь очень ограниченное применение, поскольку для его разрушения в этом случае требуется лишь небольшое внешнее натяжение. В то же время при низких давлениях такое звено может не выполнить свою функцию по защите системы, поскольку в этом случае оно может требовать относительно большого внешнего натяжения перед тем, как разрушиться. Это может создать проблему как в отношении допустимого рабочего интервала, так и в отношении надежной защиты устьевого оборудования, такого как барьер в скважине.
Другая проблема, связанная со стандартными слабыми звеньями, состоит в том, что разрушение слабого звена в райзере вследствие чрезмерного растяжения, например, как результат отведения или смещения платформы или внезапного скачка давления в райзере, приведет к высвобождению значительных сил, которые будут действовать на райзер, вызывая его нежелательное поведение. Если райзер разламывается в случае чрезмерного натяжения, он будет действовать, как разделенная пружина и в худшем сценарии может быть выброшен из воды в направлении плавучей конструкции, что может причинить серьезный вред персоналу и/или конструкции платформы. Еще одна проблема может заключаться в том, что в случае разрушения слабого звена и/или соединения частей райзера, находившиеся в райзере углеводороды или газ могут попасть из него в море или на поверхность. В такой ситуации желательно иметь возможность управлять поведением райзера и его содержимым и, возможно, осуществлять управляемое рассоединение. В отношении слабых звеньев и соединительных узлов райзера, скомпенсированных по давлению, использовались различные решения, в том числе описанные в ЕР 2310613, US 8181704, US 5382052, US 4361165 и US 4059288.
Раскрытие изобретения
В связи с изложенным изобретение направлено на создание разделяющегося цилиндрового узла и цилиндрового узла с механизмом разделения, которые могут применяться в ситуациях, когда представляется желательным быстро и безопасно рассоединить цилиндр, возможно, с целью расширения набора операционных возможностей.
Разделяющийся цилиндровый узел и/или цилиндровый узел с механизмом разделения согласно изобретению могут быть применены в предохранительном соединении, которое ослабляет проблемы, связанные с известными слабыми звеньями. При этом использование разделяющегося цилиндрового узла и/или цилиндрового узла с механизмом разделения обеспечивает более широкие операционные возможности по сравнению с известными предохранительными соединениями. Разделяющийся цилиндровый узел и цилиндровый узел с механизмом разделения могут иметь и другие области применения, в которых требуется безопасно и быстро снять внутреннее давление в цилиндре. Таким цилиндром может быть любой из цилиндров, используемых в различных применениях, связанных с райзерами.
Соответственно, изобретение относится к разделяющемуся цилиндровому узлу и к цилиндровому узлу с механизмом разделения, которые могут быть использованы в предохранительном соединении, преимущественно в предохранительном соединении, обеспечивающем возможность сохранять райзер неповрежденным в течение более длительного периода и, возможно, поддерживать в райзере определенное натяжение (если система компенсации качки заблокирована), чтобы оператор имел достаточно времени для осуществления более безопасного стандартного отделения райзера от устья скважины.
По сравнению с традиционной конструкцией слабого звена конструкция указанного предохранительного соединения обладает следующими преимуществами:
- увеличивает время, доступное для аварийной остановки;
- создает натяжение в райзере после активации предохранительного соединения;
- ограничивает отдачу в случае выпуска углеводородов;
- не зависит от содержимого райзера;
- не предусматривает прорезание/перекрывание какого-либо отверстия;
- не зависит от внутреннего давления;
- безопасна для окружающей среды.
Данное предохранительное соединение содержит первую и вторую детали райзера, образующие соответственно его внутреннюю и наружную части, присоединяемые, при их использовании в райзере, соответственно к верхней и нижней частям райзера.
Эти первая и вторая детали райзера первоначально жестко соединены одна с другой посредством освобождающего (разделяющего) узла, который обеспечивает функцию разделения двух деталей, как это будет описано далее. В заблокированном состоянии разделяющий узел обеспечивает движение двух деталей райзера, как единого блока.
Изобретение сформулировано и охарактеризовано в независимых пунктах формулы, тогда как в зависимых пунктах раскрыты частные признаки изобретения.
Как отмечено выше, разделяющийся цилиндровый узел и/или цилиндровый узел с механизмом разделения согласно изобретению могут входить в состав предохранительного соединения, но это не является обязательным условием осуществления изобретения.
Изобретение предлагает разделяющийся цилиндровый узел, в котором по меньшей мере один цилиндр снабжен поршнем, находящимся внутри цилиндра, и головкой цилиндра, перекрывающей один конец цилиндра с образованием камеры между ней и поршнем. Цилиндр может быть выполнен с возможностью создавать, при нахождении поршня в определенном положении внутри цилиндра, утечку текучей среды от одной стороны поршня на другую его сторону. Имеются также отделяющие средства для последующего управляемого отделения от цилиндра его головки.
Согласно одному варианту разделяющегося цилиндрового узла поршень может быть снабжен штоком поршня. В этом варианте перемещение поршня включает перемещение штока поршня. В одном варианте утечка через поршень создается, когда поршень отводится от своего герметизирующего положения внутри цилиндра. Такое отведение может иметь место, когда поршень перемещается в положение, при котором открывается обходной проход в цилиндре и/или в поршне. В другом варианте разделяющегося цилиндрового узла поршень может быть смещен с отведением от своего герметизирующего положения, в котором он прижат к герметизирующей поверхности в цилиндре.
Альтернативное решение задачи получения желательной утечки в цилиндре заключается в формировании цилиндра с различными значениями внутреннего диаметра по длине цилиндра, так что поршень может быть перемещен в положение, в котором внутренний диаметр цилиндра превышает диаметр поршня, что приведет к появлению зазора между поршнем и внутренней поверхностью цилиндра, т.е. к возможности утечки текучей среды от одной стороны поршня к другой.
В одном варианте разделяющегося цилиндрового узла отделяющие средства могут содержать разделяющую часть поршня и пальцы, соединенные с головкой цилиндра и взаимодействующие со стенкой цилиндра, чтобы блокировать головку цилиндра внутри цилиндра. В этом варианте при дальнейшем отведении поршня от герметизирующей поверхности разделяющая часть может, при своем взаимодействии с указанными пальцами, заставить их выйти из блокирующего контакта со стенкой цилиндра и обеспечить, тем самым, отделение от цилиндра его головки.
В другом варианте разделяющегося цилиндрового узла взаимодействие между пальцами и разделяющей частью может обеспечить возможность отведения поршня, штока поршня и головки цилиндра от герметизирующей поверхности и, тем самым, возможность отделения от цилиндра его головки.
Еще в одном варианте разделяющегося цилиндрового узла поршень с разделяющей частью может быть перемещен для взаимодействия с пальцами, причем при движении разделяющей части к пальцам утолщенная часть штока поршня выводится из блокирующего контакта с пальцами.
В другом варианте пальцы могут быть выполнены с возможностью гибко отгибаться внутрь при их взаимодействии с разделяющей частью.
В одном варианте разделяющегося цилиндрового узла блокирующее воздействие утолщенной части штока поршня может блокировать пальцы в контакте с взаимно дополнительными по отношению к ним фиксирующими выступами, имеющимися в цилиндре. При этом пальцы могут быть сформированы с фиксирующими выступами, образующими часть их наружной поверхности.
В другом варианте разделяющегося цилиндрового узла инициирование перемещения штока и, следовательно, поршня может обеспечиваться деформированием растяжимых стержней, подсоединенных между двумя деталями райзера. Дальнейшее растягивание стержней может обеспечить перемещение поршня, приводящее к активированию и освобождению отделяющих средств.
Изобретение относится также к цилиндровому узлу с механизмом разделения. Данный цилиндровый узел содержит цилиндр с поршнем, находящимся внутри цилиндра и подсоединяемым к штоку поршня, и головку цилиндра, перекрывающую один конец цилиндра с образованием камеры между поршнем и головкой цилиндра. Головка цилиндра снабжена пальцами, которые ориентированы в осевом направлении, способны гибко отгибаться в радиальном направлении внутрь и приведены, посредством утолщенной части штока поршня, в блокирующее сопряжение со стенкой цилиндра. Шток поршня дополнительно снабжен разделяющей частью, расположенной на расстоянии от утолщенной части и сконфигурированной для взаимодействия с пальцами таким образом, что при перемещении поршня к положению освобождения пальцев и перемещении штока поршня в осевом направлении относительно цилиндра утолщенная часть штока выйдет из блокирующего взаимодействия с пальцами. При дальнейшем перемещении штока поршня разделяющая часть вступит во взаимодействие с пальцами, что приведет пальцы к отгибанию радиально внутрь с выведением их из сопряжения с цилиндром для обеспечения отделения от цилиндра его головки.
В одном варианте цилиндрового узла с механизмом разделения утолщенная и разделяющая части штока поршня выполнены, как часть штока, выполненная отдельно от поршня или той части штока поршня, которая прикреплена к поршню, и способная оставаться в неизменном положении до того, как поршень продвинется в положение, в котором он начнет взаимодействовать с этой отдельной частью штока поршня и переместит ее относительно цилиндра, обеспечив, в результате, отделение головки цилиндра.
Предохранительное соединение содержит:
первую и вторую детали райзера, взаимно перекрывающиеся в осевом направлении и имеющие концевые соединения для подсоединения указанных деталей в качестве части райзера, и
разделяющий узел, в неактивированном режиме жестко соединяющий две детали райзера и выполненный с возможностью находиться в других режимах, включающих частично активированный режим и полностью активированный режим.
При этом разделяющий узел содержит по меньшей мере один растяжимый стержень, способный растягиваться в осевом направлении, подсоединенный между двумя деталями райзера и сконфигурированный с возможностью перед разрушением пластически деформироваться, активируя разделяющий узел, переходящий из неактивированного режима в частично и полностью активированные режимы, а
предохранительное соединение содержит по меньшей мере узел цилиндров, выполненный с возможностью компенсировать действие внутреннего давления в райзере по меньшей мере на один растяжимый стержень в неактивированном и частично активированном режимах и на предохранительное соединение в полностью активированном режиме.
Узел цилиндров может быть также выполнен с возможностью увеличивать усилия, противодействующие разделению первой и второй деталей райзера в полностью активированном режиме.
Разделяющийся цилиндровый узел и цилиндровый узел с механизмом разделения согласно изобретению могут быть использованы с одним или несколькими цилиндрами из узла цилиндров, входящего в состав уже упоминавшегося предохранительного соединения, которое будет подробно описано далее. При этом узел цилиндров может быть выполнен также с возможностью увеличения усилий, противодействующих разделению первой и второй деталей райзера в полностью активированном режиме.
Предохранительное соединение будет обычно находиться в нижней половине райзера, вблизи устья скважины. Занимая такое положение в райзере, предохранительное соединение будет испытывать более значительные усилия со стороны окружающей воды. Может использоваться райзер любого типа.
При нормальном функционировании предохранительное соединение не будет активироваться, т.е. оно будет находиться в неактивированном режиме. Однако в случаях возникновения чрезмерного натяжения в райзере данное соединение будет активировано этим чрезмерным натяжением. Чрезмерное натяжение будет активировать разделяющий узел, проходящий, до потенциально полного рассоединения, два промежуточных режима (этапа): частично активированный режим и полностью активированный режим, во время которого в соединении будет происходить телескопическое перемещение его компонентов и за которым потенциально следует полное рассоединение, т.е. полное разделение двух деталей райзера. И на начальном, и на промежуточных этапах разделяющий узел будет скомпенсирован в отношении давления флюида в райзере. Названные этапы обеспечат время, достаточное для безопасного отсоединения райзера от устья скважины. Как альтернатива, предохранительное соединение может быть также сконфигурировано для отделения, в качестве полного рассоединения, двух деталей райзера одна от другой.
Согласно одному варианту узел цилиндров может содержать один блок цилиндров, выполненный с возможностью компенсировать действие внутреннего давления в райзере, приложенного по меньшей мере на один растяжимый стержень в неактивированном режиме. Второй блок цилиндров обеспечивает компенсацию действия внутреннего давления в райзере по меньшей мере на один растяжимый стержень в частично активированном режиме. Второй блок цилиндров выполнен также с возможностью создания усилий, противодействующих разделению.
Одно из возможных решений состоит в том, что узел цилиндров может содержать первый и второй блоки цилиндров. Первый блок цилиндров обеспечивает компенсацию действия внутреннего давления в райзере по меньшей мере на один растяжимый стержень в неактивированном режиме. Второй блок цилиндров обеспечивает компенсацию действия внутреннего давления в райзере по меньшей мере на один растяжимый стержень в частично активированном режиме. Второй блок цилиндров выполнен также с возможностью увеличения усилий, противодействующих разделению первой и второй деталей райзера в полностью активированном режиме.
Растяжимые стержни характеризуются своей осевой длиной и выполняются из материала, допускающего пластическую деформацию. Это позволяет им деформироваться по длине до того, как они разрушатся (разорвутся). Предельная пластическая деформация может составлять до 10% исходной длины растяжимых стержней в осевом направлении. Пластическая деформация растяжимых стержней будет приводить к взаимному смещению двух деталей райзера и к относительному перемещению элементов в узле цилиндров, связанном с различными деталями райзера. Это перемещение будет инициировать различные этапы активирования разделяющего узла.
Согласно аспекту изобретения растяжимый стержень (растяжимые стержни), а также по меньшей мере цилиндр с поршнем и штоком поршня, образующий часть блока цилиндров, будут соединены с двумя различными деталями райзера в составе предохранительного соединения. Данное соединение может быть сконфигурировано так, что давление текучей среды (флюида) в райзере будет воздействовать на одну сторону поршня в цилиндре (цилиндрах) в направлении, противоположном направлению усилий натяжения в райзере и действию концевого эффекта внутреннего давления флюида в райзере, действующего в том же направлении, что и усилие натяжения. Это обеспечит компенсацию действия на растяжимый стержень давления флюида внутри райзера. Чтобы достичь желаемого результата, площади поршня (поршней) в цилиндрах сбалансированы в отношении концевого эффекта (эффекта концевой пробки), т.е. суммарная площадь поршней равна площади концевой пробки. В результате влияние внутреннего давления флюида в райзере устраняется. Такая система может быть использована применительно к узлу цилиндров с одним блоком цилиндров, а также к узлу с первым и вторым блоками цилиндров.
Согласно аспекту изобретения при использовании разделяющего узла с первыми и вторыми цилиндрами первый цилиндр обеспечивает компенсацию давления на растяжимые стержни в неактивированном режиме.
В частично активированном режиме разделяющего узла растяжимые стержни начнут растягиваться, когда натяжение достигнет модуля упругости материала растяжимых стержней, так что их размер в осевом направлении необратимо увеличится. Такое удлинение растяжимых стержней может привести к тому, что поршни в первом блоке цилиндров выйдут из герметичного контакта с соответствующими цилиндрами. Это приведет к возможности утечки рабочей (гидравлической) текучей среды вдоль боковых сторон поршней. После этого поршень (поршни) в первом блоке цилиндров не будет (не будут) действовать как компенсаторы давления для растяжимых стержней, так что эта функция должна будет перейти ко второму блоку цилиндров, как это будет описано далее.
Одно из возможных решений задачи получения желательной утечки в первом блоке цилиндров заключается в формировании цилиндра с различными значениями внутреннего диаметра по длине цилиндра. Другая возможность состоит в выполнении в цилиндре отверстия, герметично перекрытого поршнем в первом положении, но открытого, когда поршень находится в другом положении. Можно также обеспечить утечку сквозь поршень.
После того как первый блок цилиндров перестанет компенсировать давление, приложенное к растяжимым стержням, представляется нежелательным, чтобы он оказывал ненужное влияние на предохранительное соединение. В связи с этим при дальнейшем растягивании предохранительного соединения можно отделить головки цилиндров в первом блоке цилиндров, чтобы минимизировать риск двойной компенсации и влияния первого блока цилиндров. Такое отделение головок цилиндра может быть осуществлено различными путями, в том числе разбиванием головки цилиндра, если она является стеклянной. Другая возможность состоит в обеспечении взаимодействия поршня с головкой таким образом, чтобы освободить крепление головки в цилиндре. В результате освобождения головок первый блок цилиндров становится открытым для морской воды. Действительно, если текучая среда, в частности текучая среда, находившаяся над поршнями цилиндров в первом блоке, будет стравлена до того, как будет отделена головка цилиндра, на головку не будет действовать никакое давление текучей среды, что позволит реализовать лучше контролируемое отделение головки цилиндра. При этом важно избежать двойной компенсации давления, действующего на растяжимые стержни, т.к. это может вести к потере управления райзером, поскольку двойная компенсация может привести к избыточной или недостаточной компенсации райзера.
В частично активированном режиме разделяющего узла сохраняется компенсация давления, действующего на растяжимые стержни. Как это будет подробно описано далее, в рассматриваемом варианте второй блок цилиндров сконфигурирован для компенсации действия внутреннего давления в райзере в частично и полностью активированных режимах.
До начала первого этапа срабатывания разделяющего узла, т.е. в неактивированном режиме, поршень во втором блоке цилиндров может быть плавающим относительно штока поршня. При этом поршни, возможно, будут находиться вблизи одного конца цилиндров. В этом состоянии вторые цилиндры (цилиндры второго блока) не будут воспринимать давление в райзере и не будут оказывать никакого влияния на растяжимые стержни. Следовательно, второй блок цилиндров не будет оказывать влияния на предохранительное соединение до тех пор, пока это соединение не перейдет в частично активированный режим.
На первом этапе срабатывания, т.е. в частично активированном режиме разделяющего узла, растяжимые стержни растягиваются в осевом направлении, что приводит к перемещению штока поршня относительно поршней во втором блоке цилиндров. Это перемещение приведет к взаимодействию между штоком поршня и поршнем, так что они окажутся связанными друг с другом. В дополнение, первая деталь райзера будет перемещаться относительно его второй детали, в результате чего давление в райзере будет воздействовать на поршень во втором блоке цилиндров. При этом предохранительное соединение сконфигурировано так, что давление, приложенное к поршням во втором блоке цилиндров, будет воздействовать на предохранительное соединение и, следовательно, на растяжимые стержни, обеспечивая компенсацию приложенного к ним внутреннего давления райзера. Отверстие, через которое давление со стороны флюида в райзере передается второму блоку цилиндров, может быть полностью открытым или, альтернативно, у этого отверстия могут иметься какие-то ограничители, например клапаны, управляемые давлением, или другие элементы. При этом конфигурация предохранительного соединения может быть такой, чтобы обеспечить возможность замены этих, находящихся в отверстии элементов в процессе обслуживания предохранительного соединения, т.е. придать предохранительному соединению модульные свойства.
Одно возможное решение, обеспечивающее свободный доступ внутреннего давления райзера ко второму цилиндру, состоит во введении уплотнения между внутренней и наружной деталями райзера. Это уплотнение будет активным, когда первая и вторая детали райзера находятся в полностью сближенном положении. Когда же первая и вторая детали райзера взаимно смещаются в осевом направлении вследствие удлинения растяжимых стержней, уплотнение перестает быть активным, и внутреннее давление флюида, находящегося внутри райзера, распространится на кольцевое пространство между внутренней и наружной деталями райзера и далее во второй блок цилиндров, где оно будет воздействовать на одну сторону поршней в цилиндре, т.е. будет создавать усилие, действующее в направлении, противоположном эффекту концевой пробки райзера. В указанном кольцевом пространстве первоначально может находиться гидравлическая текучая среда. Данное решение позволяет также избежать контакта загрязненного флюида в райзере с цилиндрами и системой компенсации до начала первого этапа (частично активированного режима) и, частично, до наступления второго этапа (полностью активированного режима) срабатывания разделяющего узла. Другая возможность состоит в применении разрывной мембраны, которая разрывается при осевом смещении двух деталей райзера. Существует также возможность снабдить второй блок цилиндров системой, подобной той, которая будет подробно описана далее и в которой флюид райзера будет воздействовать на мембрану/мембранную коробку, разделяющую загрязненные и чистые текучие среды, и/или возможность встроить систему, делающую возможным частичное разрушение.
Полностью активированный режим разделяющего узла наступает, когда натяжение в райзере превысит еще одно пороговое значение для растяжимых стержней, так что растяжимые стержни будут разорваны. Блок цилиндров сконфигурирован для создания в этом, полностью активированном режиме, при разорванных растяжимых стержнях, усилия, противодействующего растяжению предохранительного соединения. Кроме того, блок цилиндров сконфигурирован так, что он делает возможным взаимное телескопическое перемещение двух деталей райзера, перекрывающихся в предохранительном соединении, и обеспечивает компенсацию воздействия внутреннего давления в райзере на предохранительное соединение. Усилие, создаваемое разделяющим узлом, будет стремиться обеспечить телескопическое смещение двух деталей навстречу одна другой, т.е. к сближенному состоянию этих деталей, создавая, тем самым, натяжение в райзере. Данное усилие будет противоположным по отношению к разделяющим силам. В одном (упомянутом выше) варианте с первым и вторым блоками цилиндров это усилие частично генерируется вторым блоком цилиндров.
Когда, в полностью активированном режиме, детали райзера отойдут одна от другой, поршень во втором блоке цилиндров отойдет от положения у конца цилиндра. Поскольку это пространство, заполненное текучей средой при низком давлении, является замкнутым, данное движение создаст в указанной текучей среде "вакуум-эффект". Этот эффект будет стремиться втянуть поршень обратно в цилиндр. Одновременно морская вода будет вдавливать шток поршня в цилиндр. Суммарное действие давления морской воды на конец штока поршня (т.е. усилия, прикладываемого к концу штока поршня гидравлическим столбом морской воды) и "вакуум-эффекта" в цилиндре создаст силу, тянущую верхнюю и нижнюю детали райзера к сближенному положению, или, другими словами, обеспечит противодействие разделяющему усилию.
Альтернативой текучей среде под низким давлением является снабжение поршней во втором блоке цилиндров натягиваемыми элементами, стремящимися втянуть поршни назад, в цилиндры. Это решение может быть дополнительным к конструкции, создающей "вакуум-эффект". Другие возможности включают использование магнитного поля, электродвигателя или иных средств генерации усилия.
Согласно другому варианту узел цилиндров может также содержать третий блок цилиндров. Этот блок может приводиться в действие в полностью активированном режиме разделяющего узла. Третий блок цилиндров содержит морскую воду на одной стороне поршня и текучую среду под низким давлением на другой его стороне. При растягивании предохранительного соединения давление морской воды, воздействующей на одну сторону поршня, и "вакуум-эффект", действующий с другой его стороны, будут создавать соответственно толкающее/тянущее усилие, стремящееся привести две детали райзера в сближенное положение. Таким образом, третьи цилиндры создают усилие, противодействующее в предохранительном соединении разделяющим его усилиям. Третий блок цилиндров не находится в гидравлической связи с флюидом внутри райзера.
Согласно одному варианту третий блок цилиндров может использоваться и как единственный блок, т.е. при отсутствии первого и второго блоков цилиндров, и в комбинации с первым и/или вторым блоками цилиндров или в комбинации только со вторым блоком цилиндров, т.е. без остальной части разделяющего узла. В результате будет получено соединение в райзере, в котором первая и вторая детали райзера расположены с взаимным перекрытием и которое допускает взаимное телескопическое перемещение этих деталей. При этом корпус цилиндра присоединен к одной детали райзера, а шток поршня с поршнем - к другой его детали. Пространство, перекрытое поршнем, герметично сопряженным с корпусом цилиндра, заполнено текучей средой под относительно низким давлением, а противоположная сторона поршня при использовании соединения подвергается давлению со стороны окружающей среды, т.е. морской воды.
Соединение может быть также снабжено вторым блоком цилиндров с поршнями, причем одна сторона поршня воспринимает давление флюида в райзере, а его противоположная сторона контактирует с текучей средой при относительно низком давлении. Пространство с низким давлением создает "вакуум-эффект", когда поршень выдвигается из корпуса цилиндра, втягивая поршень обратно в корпус, тогда как давление морской воды создает усилие, вдавливающее поршень в корпус цилиндра. Оба этих эффекта противодействуют разделяющим усилиям, действующим в соединении, причем в соединении обеспечивается компенсация внутреннего давления в райзере.
Штоки поршней и, следовательно, поршни соединены с первой деталью райзера, а цилиндры - с его второй деталью, или наоборот. Затем, в процессе нормального использования, они будут образовывать верхнюю или нижнюю часть предохранительного соединения соответственно, причем, не выходя за пределы изобретения, их положение можно изменить на обратное.
Первая и вторая детали райзера, а также цилиндр и шток поршня второго блока цилиндров и, возможно, третий блок цилиндров могут иметь длину, допускающую телескопическое перемещение деталей райзера без их полного отделения одна от другой. За счет допущения такого движения, а также создания в райзере некоторого натяжения вследствие наличия усилий, стремящихся свести две детали райзера в сближенное положение, становится возможным инициировать безопасным образом отделение райзера от устья скважины также и в полностью активированном режиме без разрушения райзера в качестве стандартного слабого звена. За счет конфигурирования блока цилиндров для создания в полностью активированном режиме усилия, противодействующего разделяющим усилиям, определенное натяжение в райзере создается в результате телескопического движения. Если предохранительное соединение используется в открытом море, такое выполнение позволяет отделить блок аварийной расстыковки (Emergency Disconnect Package, EDP) от нижнего узла райзера (Lower Riser Package, LRP) или, возможно, отсоединить замок подводной испытательной фонтанной арматуры в колонне для спуска. В процессе этого управляемого отсоединения от EDP или LRP телескопически связанные в предохранительном соединении первая и вторая детали райзера будут вынуждены перейти в сближенное положение - это минимизирует риск неконтролируемого повреждения райзером подводного оборудования, такого как EDP и LRP.
Согласно варианту первый блок цилиндров может иметь меньший внутренний объем, чем второй блок цилиндров. Различие в объемах может обусловить различие в длине хода поршня в первом блоке цилиндров по сравнению со вторым блоком. В одном варианте первый блок цилиндров может иметь более короткую длину, чем второй блок. Различие в объемах, в дополнение к различию в длине хода поршня, может быть также полезным в случае, если блок цилиндров с меньшим объемом обеспечивает более чувствительное движение поршня, т.е. более быстрый отклик на изменения давления в райзере. Даже если в цилиндрах используется несжимаемая жидкость, она будет испытывать некоторое сжатие в случае большого объема этой жидкости. Поэтому меньший объем будет предпочтительным для компенсации давления на растяжимые стержни до того, как они разорвутся, или до того, как начнется их пластическая деформация, т.е. в частично активированном и в неактивированном режимах разделяющего узла. Однако в полностью активированном режиме желательно иметь большую длину хода штока поршня в цилиндре, поскольку максимальное телескопическое перемещение предохранительного соединения будет ограничено этой длиной хода поршня.
Согласно другому варианту первый блок цилиндров может быть соединен со вторым блоком цилиндров посредством механической связи, причем цилиндры расположены рядом друг с другом. Механическая связь может обеспечить координированное и взаимосвязанное движение поршней в первом и втором блоках цилиндров в неактивированном режиме и, возможно, в частично активированном режиме. Первый и второй блоки цилиндров могут быть также выполнены, как продолжение друг друга. Так, первый и второй блоки цилиндров могут быть установлены один на другой по оси деталей райзеров. Они могут быть выполнены, как отдельные цилиндры, или формировать общий цилиндр с двумя поршнями, один из которых первоначально является плавающим. Первый и второй блоки цилиндров могут иметь общие или отдельные штоки поршней. Первый и второй цилиндры могут также иметь общий корпус. Допустима также любая комбинация рассмотренных вариантов.
Каждый из блоков цилиндров может содержать один цилиндр или несколько цилиндров. При этом один блок может содержать один цилиндр, а другие блоки - два, три, четыре, шесть, восемь или более цилиндров. При этом различные блоки цилиндров могут иметь равные или различные количества цилиндров. Альтернативно, узел цилиндров может быть кольцевым блоком цилиндров или комбинацией одного или нескольких блоков кольцевых цилиндров/поршней с блоками, не содержащими кольцевых цилиндров/поршней или содержащими один или несколько кольцевых цилиндров/поршней. Однако узел цилиндров должен быть сбалансирован относительно периферии предохранительного соединения.
Первый, второй и, возможно, третий блоки цилиндров могут быть размещены по периферии предохранительного соединения, снаружи, в радиальном направлении, первой и второй деталей райзера. Они могут быть равномерно распределены по периферии, причем их группы могут быть разделены одинаковыми расстояниями. Растягивающиеся в осевом направлении растяжимые стержни могут быть размещены в промежутках между различными цилиндрами. В частности, эти стержни могут находиться в промежутках между цилиндрами первого блока и иметь длину, близкую к длине первых цилиндров. Можно также расположить растяжимые стержни между вторыми цилиндрами. Второй и третий блоки цилиндров могут чередоваться на одном и том же участке периферии, а первый блок цилиндров может быть установлен в осевом направлении над или под вторым и/или третьим блоком цилиндров. Растяжимые стержни могут быть равномерно распределены по периферии или расположены в виде групп, равномерно распределенных по периферии.
При использовании райзера рассмотренные детали райзера будут формировать часть внутреннего канала в райзере, идущего от устья скважины вверх, к надводному судну. Второй блок цилиндров может иметь длину хода поршня, близкую к длине участка взаимного наложения первой и второй деталей райзера. Третий блок цилиндров может иметь близкую длину.
Может быть предусмотрена также манифольдная система, сконфигурированная для распределения текучей среды от источника давления по меньшей мере к двум цилиндрам в узле цилиндров. В одном варианте манифольд делает возможным частичное разрушение без потери функциональности системы предохранительного соединения в целом. Другими словами, если один из цилиндров в составе узла цилиндров выйдет из строя или разрушится или если в одном из цилиндров будет иметь место блокирование или утечка, благодаря соответствующему выполнению манифольдной системы это не повлияет на остальные цилиндры узла цилиндров. Манифольдная система содержит манифольд и линию переноса, служащую для подачи к цилиндрам давления из одного, возможно кольцевого, пространства, образующего часть манифольда, и подведенную по меньшей мере к двум отдельным отверстиям, каждое из которых проходит к соответствующему ему цилиндру, например, в одном блоке цилиндров. В каждом отверстии, между пространством манифольда и цилиндром (цилиндрами), может находиться плавающий поршень.
С каждым из этих отверстий с плавающим поршнем может быть соединен один цилиндр; альтернативно, с каждым из этих отверстий с плавающим поршнем или их комбинацией может быть связана группа цилиндров.
По меньшей мере один конец плавающего поршня находится внутри отверстия, герметично перекрывая его между указанным пространством и цилиндром. Могут быть предусмотрены граничные (конечные) положения для обоих концов плавающего поршня. В случае утечки из одного из цилиндров плавающий поршень для этого цилиндра будет отжат к своему конечному положению и герметично перекроет соответствующее отверстие, тогда как остальные цилиндры останутся активными.
Текучая среда, используемая в источнике давления, может отличаться от текучей среды в цилиндрах и/или в манифольде и линии переноса. В этом случае давление от источника давления может передаваться другой текучей среде, находящейся в цилиндре и/или в манифольде и линии переноса. При этом две различные текучие среды могут быть разделены мембраной, и давление текучей среды, используемой в источнике давления, будет передаваться текучей среде, находящейся в цилиндре и/или в манифольде и линии переноса, через эту мембрану. Альтернативно, текучая среда из источника давления подается непосредственно в цилиндры.
Источником давления, используемым для распределения текучей среды внутри манифольда или линии переноса, может служить внутреннее давление в райзере или отдельный источник давления, использующий текучую среду.
Если этим источником давления служит внутреннее давление в райзере, даже в случае утечки в одном из цилиндров остальные цилиндры останутся активными и будут компенсировать давление, приложенное к растяжимым стержням. При нахождении плавающего поршня в соответствующем конечном положении имеется возможность предотвратить проталкивание мембраны в канал райзера чистой текучей средой, находящейся внутри манифольда или в отверстии.
Манифольд может содержать по меньшей мере одно средство регулирования потока, сконфигурированное с возможностью определять, в какие из цилиндров будет подаваться текучая среда. Средство регулирования потока может также регулировать расход потока в одном или обоих направлениях. Может иметься один манифольд для первого блока цилиндров, и может иметься один манифольд для второго блока цилиндров.
Может использоваться также система компенсации давления без функциональности частичного разрушения. В такой системе пространство ведет к одному отверстию с плавающим поршнем, которое формирует, за плавающим поршнем, манифольд, ведущий к нескольким поршням. Плавающий поршень будет герметично перекрывать одно отверстие при своем подходе к конечному положению в отверстии, тем самым прекращая перенос давления между источником давления (внутренним давлением в райзере или отдельным источником) и цилиндрами. Обе эти возможности можно рассматривать как систему с двумя барьерами; возможны также конфигурации плавающего поршня с двумя барьерами, с двумя последовательно расположенными поршнями или с двумя герметизирующими поверхностями на одном поршне.
Предохранительное соединение может быть также снабжено системой для использования в сложных условиях, например в ситуациях, в которых ожидается действие на систему больших внешних усилий, т.е. требуется система, которая усиливает связи между первой и второй частями райзера и гарантирует, что растяжимые стержни останутся неповрежденными. Такая система может использоваться и для слабого звена.
Примером ситуации, в которой ожидается действие на систему больших внешних усилий, является подъем райзерного соединения через зону заплеска волны. Соответствующая система может быть построена введением отдельного узла на основе цилиндров/поршней, установленного между первой и второй деталями райзера. Если система для использования в сложных условиях используется применительно к предохранительному звену, узел на основе цилиндров/поршней может быть получен использованием всех или некоторых цилиндров первого блока цилиндров или размещением таких цилиндров между цилиндрами первого блока. Цилиндр, образующий систему для использования в сложных условиях, заполняется текучей средой и блокируется в этом состоянии. В одном варианте данной системы поршень (поршни) может (могут) быть заблокирован(ы) в цилиндре (цилиндрах) в нижнем положении с заполнением объема над поршнем текучей средой. Текучая среда может удерживаться в цилиндрах посредством клапана, который может управляться дистанционно. Текучая среда может выпускаться из цилиндров в активный приемник, давление в котором составляет, например, 100 кПа, или в море.
Альтернативно, можно дополнительно повысить давление текучей среды в цилиндре путем его подключения к цилиндру с повышенным давлением, составляющим, например, около 70 МПа. Данная система для использования в сложных условиях может иметь блок цилиндров, содержащий один, но предпочтительно два или более отдельных цилиндров, чтобы обеспечить дублирование в системе. В другом варианте первый блок цилиндров может быть снабжен отверстием, позволяющим приложить давление морской воды к стороне поршня, противоположной той, к которой приложено давление, существующее в райзере.
Согласно другому варианту имеется возможность визуально наблюдать с помощью подводного аппарата с дистанционным управлением, не образовался ли в предохранительном соединении "зазор", указывающий, что был инициирован частично активированный режим и что райзер следует безопасно отсоединить от устья скважины и поднять его на поверхность для обслуживания и установки новых растяжимых стержней. При этом предохранительное соединение возвращают в его исходное состояние. Можно также предусмотреть мониторинг зазора, например, чтобы дать сигнал оператору, если запустится первый этап (частично активированный режим) разделяющего узла. Этот сигнал может быть передан оператору дистанционно или любым другим удобным образом.
Согласно одному варианту можно сконфигурировать второй блок цилиндров для компенсации внутреннего давления на растяжимые стержни в течение всего функционирования, т.е. в неактивированном, частично активированном и полностью активированном режимах, так что первый блок цилиндров будет не нужен. В этом варианте возможно наличие также третьих цилиндров, но можно себе представить и функционирование соединения без их использования.
Согласно другим вариантам предохранительное соединение может быть дополнительно снабжено стеклянным элементом и разбивающей системой, которая, в случае растяжения предохранительного соединения до заранее определенной длины, инициирует разбивание стеклянного элемента и, тем самым, разделение двух деталей райзера в составе предохранительного соединения. Может использоваться, в частности, стеклянный элемент в форме разрывающегося диска, сконфигурированного для разрыва при заданной разности давлений. Такой диск позволяет обеспечить передачу давления между различными цилиндрами в узле цилиндров, между узлом цилиндров и внутренним объемом райзера и/или между узлом цилиндров и морской водой.
Предлагается также решение, позволяющее сохранять в частично активированном режиме чистую текучую среду в гидравлической системе соединения и выпускать в окружающую среду только чистую текучую среду. Чистая текучая среда, выпускаемая из первого блока цилиндров, будет составлять относительно небольшую долю всей чистой текучей среды.
Могут использоваться и альтернативные решения для инициирования частично активированного и полностью активированного режимов. Эти решения могут использовать системы с электрическим управлением или с пружинами, системы, управляемые в зависимости от деформации, тормозные колодки на стержнях и т.д.
Предложен также способ оперирования предохранительным соединением в случае возникновения чрезмерного натяжения в райзере, имеющем предохранительное соединение, содержащее первую и вторую детали райзера, перекрывающиеся в осевом направлении и связанные своими концами для формирования предохранительного соединения как части райзера. Предохранительное соединение дополнительно содержит разделяющий узел по меньшей мере с одним растяжимым стержнем, ориентированным в осевом направлении и подсоединенным между двумя деталями райзера. Способ включает следующие операции:
в неактивированном режиме посредством предохранительного соединения удерживают детали райзера в виде единого узла и прикладывают к растяжимым стержням давление, компенсирующее внутреннее давление в райзере,
увеличивают натяжение в райзере для перехода в частично активированный режим, приводящий к пластической деформации растяжимых стержней, обеспечивающей возможность взаимного смещения частей райзера в пределах малого расстояния,
дополнительно увеличивают натяжение в райзере для перехода в полностью активированный режим, соответствующий разрыванию растяжимых стержней, и
осуществляют во всех, неактивированном, частично активированном и полностью активированном, режимах управляемое отсоединение райзера от других имеющихся в нем соединений или
в случае дальнейшего повышения натяжения отделяют, в режиме полного разделения, одну от другой две детали райзера в составе предохранительного соединения.
В одном варианте способа по завершении операции увеличения натяжения в райзере для перехода в полностью активированный режим, включающий разрывание растяжимых стержней, дополнительно активируют блок цилиндров в узле цилиндров и создают в предохранительном соединении усилие, противодействующее разделению двух деталей райзера и создающее возможность их взаимного телескопического перемещения в предохранительном соединении.
Краткое описание чертежей
Эти и другие характеристики изобретения станут ясны из нижеследующего описания варианта, приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, в качестве неограничивающего примера.
На фиг. 1 представлено, в перспективном изображении, предохранительное соединение.
На фиг. 2 предохранительное соединение, находящееся в неактивированном состоянии, представлено в продольном разрезе.
На фиг. 3 иллюстрируется частично активированный режим предохранительного соединения.
На фиг. 4 представлен детальный вид блока манифольда в предохранительном соединении.
На фиг. 5 представлен детальный вид соединения между первым и вторым блоками цилиндров.
На фиг. 6 в упрощенном, схематичном виде показана система для использования в сложных условиях.
На фиг. 7 в упрощенном, схематичном виде показан третий блок цилиндров.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 и 2 представлен вариант предохранительного соединения 4, выполненного как часть райзера, проходящего от плавучей платформы до устья скважины или аналогичного объекта.
Предохранительное соединение 4 содержит разделяющий узел, который в своем неактивированном состоянии жестко соединяет две детали 8, 9 райзера одну с другой. Как будет описано далее, разделяющий узел имеет также режимы частичной и полной активации.
Разделяющий узел предохранительного соединения 4 содержит по меньшей мере один вытянутый в осевом направлении растяжимый стержень 20 для создания натяжения, соединенный с двумя деталями 8, 9 райзера и находящийся между ними. Данный стержень рассчитан на то, что перед его разрывом он будет пластически деформироваться, инициируя, тем самым, режимы частичной и полной активации. По меньшей мере один растяжимый стержень 20 ориентирован вдоль продольного направления предохранительного соединения 4. Растяжимый стержень (или каждый из растяжимых стержней) 20 присоединен своим верхним концом к первой соединительной детали 3, а своим нижним концом - к манифольду, изображенному на фиг. 1 в виде блока 6 манифольда. Между растяжимыми стержнями 20 размещен первый блок 16 цилиндров. Первый блок 16 цилиндров может содержать один или более цилиндров. В цилиндрах первого блока 16 могут иметься перфорации 16А, сообщающиеся с морской водой. Второй блок 27 цилиндров, который также может содержать один или более цилиндров, установлен ниже первого блока 16. Цилиндры второго блока 27 также присоединены к блоку 6 манифольда, который посредством гильзы 2 соединен со второй соединительной деталью 7. Блок 6 манифольда и соединительная деталь 7 находятся на фиксированном расстоянии, тогда как внутренняя гильза 1 и цилиндрический стержень второго блока 27 цилиндров могут образовывать телескопическое соединение. Цилиндрические стержни первого блока 16 цилиндров соединены с цилиндрическими стержнями второго блока 27 цилиндров. В альтернативном варианте первый и второй блоки 16, 27 цилиндров можно поменять местами, но при этом соединения между различными частями могут быть аналогичными описанному варианту. Между цилиндрами второго блока 27 можно разместить третий блок 32 цилиндров, который также может содержать один или более цилиндров. В представленном варианте третий блок 32 цилиндров имеет длину, равную длине второго блока 27 цилиндров. Блоки 16, 27, 32 цилиндров будут более подробно описаны далее.
На фиг. 2 представлено, в продольном разрезе, предохранительное соединение 4 согласно изобретению, которое находится в неактивированном режиме (сложенном состоянии). Данный режим для предохранительного соединения 4 является нормальным рабочим режимом. В предохранительном соединении 4 образован внутренний канал 10, проходящий по всей длине предохранительного соединения 4 и служащий продолжением канала райзера, обеспечивая непрерывный проход между скважиной и поверхностью. Предохранительное соединение 4 содержит первую и вторую детали 8, 9 райзера, образующие телескопическое соединение, в котором первая деталь 8 райзера, т.е., возможно, верхняя часть предохранительного соединения 4, расположена с перекрыванием второй детали 9 райзера. Внутренняя гильза 1, являющаяся частью первой детали 8 райзера, установлена подвижно внутри наружной гильзы 2 второй детали 9 райзера, так что между внутренней и наружной гильзами 1, 2 образуется объем V. В неактивированном режиме по фиг. 2 уплотнение 24 герметизирует зазор между внутренней и наружной гильзами 1, 2 у самой нижней части внутренней гильзы 1. Эта гильза присоединена к первой детали 8 райзера посредством первой соединительной детали 3. Наружная гильза 2 присоединена ко второй детали райзера посредством второй соединительной детали 7. Эти элементы можно расположить также в противоположном порядке.
Имеются одно или более первых радиальных отверстий 12, соединяющих внутренний канал 10 с одним или более осевыми отверстиями 13, распложенными в радиальном направлении снаружи внутреннего канала 10. При этом каждое осевое отверстие 13 соединено с цилиндром первого блока 16 цилиндров. Внутри каждого из осевых отверстий 13 находится непроницаемый для текучей среды плавающий поршень 14, который может перемещаться в осевом отверстии 13 между первой и второй граничными поверхностями 15А, 15В. Плавающий поршень 14 перемещается в осевых отверстиях 13 под действием разности давлений с его первой и второй сторон, далее именуемых верхней и нижней сторонами плавающего поршня 14. Какая именно сторона является верхней, а какая нижней, может определяться в зависимости от конфигурации предохранительного соединения. Давление, существующее во внутреннем канале 10, действует на верхнюю часть плавающего поршня 14, тогда как давление в каждом цилиндре в составе первого блока 16 действует на нижнюю часть плавающего поршня 14. В неактивированном режиме первый блок 16 цилиндров будет обеспечивать компенсированность предохранительного соединения 4 по давлению, поскольку обращенная вниз рабочая зона 17А (лучше всего показанная на фиг. 5) поршня (поршней) 17 в первом блоке 16 цилиндров близка к площади направленного вверх конца пробки в канале 10 райзера, чтобы компенсировать внутреннее давление во внутреннем канале 10 благодаря тому, что суммарная площадь рабочих зон 17А поршней 17 равна площади концевой пробки.
Между цилиндрами первого блока 16 цилиндров может находиться определенное количество осевых растяжимых стержней 20 (на фиг. 2 не изображены). Эти стержни перед тем, как разрушиться (разорваться), могут пластически деформироваться в осевом направлении (в пределах до ~10% от первоначальной длины). В зависимости от их материала и конфигурации предохранительного соединения 4 длина данных стержней может составлять 0,5-2 м (например, 1 м). Растягивание растяжимых стержней будет инициировать различные режимы предохранительного соединения. Оператор может выбирать прочность растяжимых стержней с учетом требований различных проектов. В нормальных условиях функционирования, т.е. когда предохранительное соединение 4 находится в неактивированном режиме, растяжимые стержни не деформируются, не подвергаются действию никаких чрезмерных усилий и компенсированы по давлению в отношении внутреннего давления в райзере.
Во внутреннем канале 10 установлена мембранная коробка 11, перекрывающая первые радиальные отверстия 12 и обеспечивающая связь по давлению между внутренним каналом 10 и осевыми отверстиями 13. Мембранная коробка 11 отделяет флюид внутри райзера от чистой гидравлической текучей среды, находящейся в осевых отверстиях 13. Как уже упоминалось, каждое из осевых отверстий 13 гидравлически связано с одним цилиндром первого блока 16, так что чистая гидравлическая текучая среда в осевых отверстиях 13 та же, что и гидравлическая текучая среда в первом блоке 16 цилиндров. Поэтому движение плавающего поршня 14 вниз в осевом отверстии (как отклик на повышение давления флюида внутри райзера) будет приводить к повышению давления чистой гидравлической текучей среды, которое будет воздействовать на обращенную вниз рабочую зону 17А каждого цилиндра/поршня 17. Альтернативно, можно обойтись без мембранной коробки 11, если в качестве разделительного элемента между флюидом в райзере и чистой гидравлической текучей средой будет функционировать плавающий поршень 14.
Если предохранительное соединение 4, т.е. растяжимые стержни 20, испытывает (испытывают) чрезмерные растягивающие усилия, например, в результате чрезмерного натяжения в райзере, растяжимые стержни 20 начинают испытывать пластическую деформацию в осевом направлении, что приводит к относительному перемещению первой соединительной детали 3 и блока 6 манифольда. Эта ситуация, соответствующая началу пластического деформирования растяжимых стержней 20, будет именоваться частично активированным режимом. Пластическая деформация растяжимых стержней 20 вызовет различные изменения в предохранительном соединении 4, отображенные на фиг. 3.
На фиг. 3 иллюстрируется частично активированный режим предохранительного соединения 4, когда растяжимые стержни 20 начали деформироваться в результате чрезмерного натяжения. В данном режиме компенсация действия внутреннего давления в канале 10 райзера на растяжимые стержни переносится от первого блока 16 цилиндров ко второму блоку 27 цилиндров.
Деформация растяжимых стержней 20 вызовет движение штока 18 поршня и, соответственно, поршня 17 первого блока 16 цилиндров. При определенном относительном перемещении поршень 17 выходит из герметичного сопряжения с герметизирующей поверхностью 19 в цилиндре 30 (см. детальное изображение на фиг. 5). В результате возникает утечка через поршень 17, так что он больше не будет компенсировать растяжимые стержни 20 в отношении внутреннего давления в райзере. Эта компенсация передается второму блоку 27 цилиндров. Описанное движение приводит также к выходу утолщенной части 18А штока 18 поршня из блокирующего контакта с выступающими в радиальном направлении "пальцами" 22, связанными с "концевой пробкой" (головкой) 21 цилиндра. Данный блокирующий контакт удерживал пальцы 22 в контакте с фиксирующими выступами 31 во внутренней стенке цилиндра. Когда поршень 17 продолжает перемещаться в результате дальнейшей пластической деформации растяжимых стержней 20, выступающие пальцы 22 на пробке (головке) 21 цилиндра взаимодействуют с разделяющей частью 23 поршня 17, которая выводит пальцы 22 из сопряжения с соответствующими им фиксирующими выступами 31 в стенке цилиндра. Это позволяет штоку 18 поршня, поршню 17 и пробке цилиндра перемещаться внутри цилиндра вверх. Разделяющая часть 23 соответствующего поршня 17 первого блока 16 цилиндров обеспечивает возможность пальцам 22 отгибаться внутрь, когда поршень 17 движется в цилиндре вверх. Это приводит к разделению цилиндров 30 первого блока 16 на две отдельные части и к отсутствию сил, действующих со стороны первого блока 16 цилиндров на предохранительное соединение 4.
При движении поршня 17 со штоком 18 вверх на этапе начального растяжения растяжимых стержней 20 все меньшая зона герметизирующей поверхности 19 герметизирует зазор между поршнем 17 и цилиндром 30. Когда же поршень 17 выходит из герметичного сопряжения с цилиндром (обеспечиваемого герметизирующей поверхностью 19), гидравлическая текучая среда, находящаяся на верхней части поршня 17 (воздействующая на рабочую зону 17А), получает, как следствие увеличения диаметра цилиндра, возможность вытекать на радиально наружную сторону поршня 17. До начала утечки через поршень 17 плавающий поршень 14, находящийся внутри осевого отверстия 13, будет двигаться вверх, ко второй граничной герметизирующей поверхности 15В, задавая предел количества текучей среды, которая может быть отжата вверх, в сторону мембранной коробки 11, и, тем самым, предотвращая проталкивание мембранной коробки 11 во внутренний канал 10 райзера. Кроме того, предусмотрены также выходящие наружу отверстия 19А, позволяющие морской воде проходить через эти отверстия и воздействовать на нижнюю часть плавающего поршня 14, когда система находится в частично активированном режиме. В это время первый блок 16 цилиндров больше не участвует в компенсации давления в предохранительном соединении 4, и эта компенсация передается второму блоку 27 цилиндров, как это будет описано далее.
Одновременно с движением штока 18 поршня и поршня 17 внутренняя гильза 1, как следствие продольной деформации растяжимых стержней 20, будет двигаться в осевом направлении вверх относительно наружной гильзы 2. В результате уплотнение 24 не будет больше обеспечивать герметизацию зазора между внутренней и наружной гильзами 1, 2, что позволит давлению в райзере проникнуть в объем V между внутренней и наружной гильзами 1, 2. Затем давление и создающий его флюид распространятся через объем V в сторону блока 6 манифольда (см. детальный вид на фиг. 4) и во второе радиальное отверстие 26, проходящее через блок 6 манифольда, и войдут в один или более цилиндров второго блока 27 цилиндров, воздействуя на верхнюю часть каждого поршня 33 в каждом цилиндре 35 в составе второго блока 27. Подобно тому, как это имело место в отношении первого блока 16 цилиндров, направленные вверх усилия со стороны флюида райзера внутри канала 10, т.е. силы, действующие на "концевую пробку", сбалансируются наличием обращенной вниз рабочей зоны, имеющей площадь, равную или близкую к площади концевой пробки канала 10 райзера. Второй блок 27 цилиндров будет препятствовать разделению первой и второй деталей 8, 9 райзера также за счет создания "эффекта вакуума" в каждом цилиндре 35, т.е. за счет наличия вакуума или текучей среды при давлении 100 кПа на нижней стороне каждого поршня 33 в цилиндрах 35. При перемещении поршня 33 в цилиндре 35 эта текучая среда будет заполнять больший объем, что будет приводить к еще большему снижению давления, создавая усилие, оттягивающее поршень 33 к нерастянутому состоянию, т.е. к нераздвинутому состоянию цилиндра, обратно в цилиндр. Кроме того, на верхнюю часть каждого штока 34 поршня будет действовать гидростатическое давление морской воды, создавая дополнительное усилие, направленное вниз. В этом состоянии второй блок 27 цилиндров будет обеспечивать компенсацию действия внутреннего давления в райзере на предохранительное соединение 4.
Один или более цилиндров во втором блоке 27 цилиндров могут быть заменены третьим блоком 32 цилиндров. Этот третий блок 32 цилиндров не соединен с внутренним каналом 10 райзера, но открыт в море. В результате гидростатическое давление морской воды в данной зоне воздействует на верхнюю сторону поршня, а "вакуум-эффект" имеет место на его нижней стороне. На больших глубинах, как следствие высокого гидростатического столба морской воды, такой третий блок 32 цилиндров может создавать весьма значительное дополнительное усилие, препятствующее разделению первой и второй деталей 8, 9 райзера.
На фиг. 4 представлен вариант блока 6 манифольда, установленного на наружной гильзе 2. По меньшей мере одно второе радиальное отверстие 26 проходит в радиальном направлении через блок 6 манифольда и обеспечивает связь между флюидом внутри райзера и вторым блоком 27 цилиндров. Второе отверстие 26 может быть полностью открытым или может быть снабжено средством регулирования потока через это отверстие, таким как клапан, предохранительная диафрагма, дроссельная заслонка и т.д. В рассматриваемом варианте в качестве примера данного средства, находящегося во втором отверстии 26, представлен клапан 28. Второе отверстие 26 связано с одним концом объема V между внутренней и наружной гильзами 1, 2, другой конец которого ведет к объемам цилиндров второго блока 27. В предохранительном соединении 4 может быть предусмотрен доступ к отверстию 26 извне этого соединения, что позволит осуществлять замену любого элемента, находящегося в этом отверстии без разборки всего соединения 4.
На фиг. 6 схематично представлена система для использования в сложных условиях. Эта система может быть использована в ситуациях, в которых ожидается воздействие на систему больших внешних усилий, т.е. она является системой, предназначенной повысить силы связи между первой и второй деталями 8, 9 райзера и гарантировать, что растяжимые стержни 20 останутся неповрежденными. Этого можно достичь использованием отдельного узла 40 на основе цилиндров/поршней, подсоединенного между первой и второй деталями 8, 9 райзера, или, альтернативно, использованием для этой цели первого блока 16 цилиндров или комбинации первого блока 16 и указанного отдельного узла 40. Объем 41 над поршнями 42 в цилиндрах 47, образующих отдельный узел 40 на основе цилиндра/поршней, заполняют текучей средой и запирают в таком состоянии. Текучая среда может быть заблокирована в цилиндрах 47 системы для использования в сложных условиях посредством клапана (не изображен), который может управляться дистанционно. Текучая среда, блокированная в указанных цилиндрах 47, может быть выпущена в активный приемник 43 при давлении, составляющем примерно 100 кПа, или в море 44. Между цилиндрами 47 системы для использования в сложных условиях и выводом, ведущим в море, и между этими цилиндрами и активным приемником 43 могут быть установлены клапаны 45, 46. Альтернативно, можно дополнительно повысить давление в текучей среде, находящейся в цилиндрах 47, путем подсоединения к ним цилиндра 48, давление в котором может составлять, например, 70 МПа. Описанная система для использования в сложных условиях может содержать блок цилиндров 47, содержащий один, но предпочтительно два или более отдельных цилиндров, чтобы обеспечить дублирование в системе.
На фиг. 7 представлено упрощенное изображение третьего блока цилиндров согласно изобретению. В одном варианте предохранительное соединение 4 может быть выполнено с дополнительным, третьим блоком 32 цилиндров, который может содержать один или более цилиндров и который активируется в полностью активированном режиме разделяющего узла. Каждый цилиндр третьего блока 32 цилиндров снабжен, в объеме 50 с верхней стороны поршня 51 этого цилиндра, по меньшей мере одним отверстием 56, ведущим в море, и содержит текучую среду с нижней стороны 52 поршня 51. На фиг. 7 показано, что цилиндрический шток 57 механически соединен с первой деталью 8 райзера, а сам цилиндр механически соединен со второй деталью 9 райзера. На фиг. 7 представлена ситуация, когда предохранительное соединение телескопически раздвинулось на заданное небольшое расстояние. При этом должно быть понятно, что цилиндрический шток 57 после такого небольшого телескопического перемещения должен оставаться присоединенным к первой детали 8 райзера. Когда предохранительное соединение 4 будет растягиваться, давление морской воды, действующее на верхнюю сторону поршня 51 цилиндра, как и "вакуум-эффект" (низкое давление), действующий (действующее) на нижнюю сторону поршня 51, будут способствовать удерживанию двух деталей 8, 9 райзера в сближенном положении, т.е. создавать усилие, противодействующее усилиям разделения, действующим в предохранительном соединении 4.
Предохранительное соединение может использовать взаимно перекрывающиеся первую и вторую детали райзера, установленные с возможностью телескопического перемещения. При этом к двум таким деталям может быть присоединен блок цилиндров, содержащий по меньшей мере один цилиндр типа описанного при рассмотрении третьего блока цилиндров. Это позволит получить систему компенсации волнения, в которой морская вода действует, как накопитель. В другой возможной конфигурации такое соединение может быть дополнено по меньшей мере одним цилиндром, описанным при рассмотрении вторых цилиндров. В результате будет получено скомпенсированное по давлению телескопическое соединение, в котором морская вода действует, как накопитель.
В альтернативном варианте предохранительного соединения можно использовать другой элемент, который должен пластически деформироваться в случае растягивания предохранительного соединения с переходом в частично активированное состояние. В частности, в соединение можно ввести гильзу, которая должна будет пластически деформироваться, например расширяться с целью обеспечить некоторую управляемость растягивания предохранительного соединения до того, как оно достигнет полностью активированного состояния.
Изобретение было пояснено выше со ссылками на прилагаемые чертежи. Однако специалисту будет ясна возможность внесения в рассмотренные варианты изменений и модификаций, не выходящих за пределы объема изобретения, определяемого прилагаемой формулой.
1. Разделяющийся цилиндровый узел, содержащий по меньшей мере один цилиндр (30, 35) с поршнем (17, 33), находящимся внутри цилиндра (30, 35), и с головкой (21), перекрывающей один конец цилиндра с образованием камеры между поршнем (17, 33) и головкой (21) цилиндра, при этом цилиндр выполнен с возможностью создавать, при нахождении поршня (17, 33) в определенном положении внутри цилиндра, утечку текучей среды от одной стороны поршня на другую его сторону, а цилиндровый узел снабжен отделяющими средствами для последующего управляемого отделения от цилиндра его головки.
2. Цилиндровый узел по п. 1, в котором поршень снабжен штоком (18) поршня и сконфигурирован для совместного перемещения с ним и для создания указанной утечки при отведении от своего герметизирующего положения внутри цилиндра.
3. Цилиндровый узел по п. 2, выполненный с возможностью отведения поршня (17) от его герметизирующего положения, в котором он прижат к герметизирующей поверхности (19) в цилиндре.
4. Цилиндровый узел по п. 1, в котором отделяющие средства содержат разделяющую часть (23) поршня (17) и пальцы (22), соединенные с головкой (21) цилиндра, при этом разделяющая часть (23) выполнена с возможностью при дальнейшем отведении поршня от герметизирующей поверхности (19) взаимодействовать с пальцами (22), чтобы вывести их из блокирующего контакта с цилиндром и обеспечить, тем самым, отделение от цилиндра его головки.
5. Цилиндровый узел по п. 4, выполненный с возможностью отведения поршня (17), штока (18) поршня и головки цилиндра от герметизирующей поверхности (19) и отделения от цилиндра его головки в результате взаимодействия между пальцами (22) и разделяющей частью (23).
6. Цилиндровый узел по п. 4, выполненный с возможностью выведения утолщенной части штока (18) поршня из блокирующего контакта с пальцами (22) при перемещении поршня с разделяющей частью (23) для ее взаимодействия с пальцами (22).
7. Цилиндровый узел по п. 4, в котором пальцы (22) выполнены с возможностью гибко отгибаться внутрь при их взаимодействии с разделяющей частью (23).
8. Цилиндровый узел по п. 4, в котором блокирующий контакт пальцев (22) с цилиндром обеспечивается посредством фиксирующих выступов, выполненных в стенке цилиндра или в пальцах или в пальцах и в стенке цилиндра.
9. Цилиндровый узел по любому из пп. 2-8, выполненный с возможностью инициирования перемещения штока поршня путем деформирования растяжимых стержней, подсоединенных между двумя деталями райзера.
10. Цилиндровый узел с механизмом разделения, содержащий цилиндр (30) с поршнем (17), находящимся внутри цилиндра (30) и подсоединяемым к штоку (18) поршня, и головку (21) цилиндра, перекрывающую один конец цилиндра (30) с образованием камеры между поршнем (17) и головкой (21) цилиндра, при этом
головка (21) цилиндра снабжена пальцами (22), которые ориентированы в осевом направлении, способны гибко отгибаться в радиальном направлении внутрь и приведены, посредством утолщенной части (18А) штока (18) поршня, в блокирующее сопряжение со стенкой цилиндра, а
шток (18) поршня дополнительно снабжен разделяющей частью (23), расположенной на расстоянии от утолщенной части (18А) и сконфигурированной для взаимодействия с пальцами (22), и выполнен с возможностью выхода своей утолщенной частью (18А), при перемещении поршня, под воздействием штока (18) поршня, в осевом направлении относительно цилиндра (30), к положению освобождения пальцев, из блокирующего взаимодействия с пальцами (22) и с возможностью вступления разделяющей части (23), при дальнейшем перемещении штока поршня, во взаимодействие с пальцами (22), приводящее пальцы (22) к отгибанию радиально внутрь с выведением их из сопряжения с цилиндром (30) для обеспечения отделения от цилиндра (30) его головки (21).
11. Узел с механизмом разделения по п. 10, в котором утолщенная часть (18А) и разделяющая часть (23) штока поршня выполнены, как отдельная часть штока, с возможностью оставаться в неизменном положении до присоединения поршня (17)/штока (18) к указанной отдельной части штока и активирования, тем самым, механизма разделения.
