Исполнительный механизм плашки с приводом от двигателя, использующий давление, для устройства управления давлением в скважине
Изобретение относится к устройству противовыбросовых превенторов для подводных скважин. Техническим результатом является расширение арсенала технических средств для оборудования устьев подводных скважин. Предложено устройство для приведения в действие плашки в устройстве управления давлением в скважине, содержащее: шток исполнительного механизма, связанный с плашкой, причем данный шток исполнительного механизма выполнен с возможностью перемещения внутри корпуса, чтобы выдвигать плашку в проходное отверстие в корпусе; приводной винт, вращательно связанный со штоком исполнительного механизма, причем приводной винт ориентирован поперечно штоку исполнительного механизма; по меньшей мере один двигатель, вращательно связанный с приводным винтом; и поршень, расположенный на продольном конце штока исполнительного механизма противоположно плашке, при этом поршень подвержен воздействию источника давления текучей среды со стороны поршня, противоположной штоку исполнительного механизма. 16 з.п. ф-лы, 3 ил.
Уровень техники
[0001] Настоящее изобретение в целом относится к области бурения скважин в пластах геологической среды. Более конкретно, изобретение относится к устройству для управления выделением текучих сред из таких скважин, при этом такие устройства называются противовыбросовыми превенторами (ПВП).
[0002] Известные из уровня техники ПВП имеют один или более наборов находящихся напротив друг друга «плашек», проталкиваемых внутрь корпуса, присоединенного к устью скважины, для гидравлического перекрытия ствола скважины при определенных условиях или во время некоторых работ по строительству ствола скважины. Корпус может быть герметично присоединен к устью скважины или фланцу обсадной колонны наверху скважины. Плашки, проталкиваемые внутрь, могут либо плотно прижиматься к колонне труб, проходящей через ПВП и/или плотно прижиматься друг к другу в случае отсутствия трубы (или когда труба присутствует, но должна быть отрезана или «срезана»). Перемещение плашек осуществляется гидроприводными исполнительными механизмами.
[0003] Известные из уровня техники ПВП, применяемые при морских работах, могут быть присоединены к устью скважины на дне водоема, такого как озеро или океан. В таком ПВП электрическая энергия может подаваться из буровой установки над поверхностью воды и преобразовываться в гидравлическую энергию электроприводным насосом, расположенным рядом с ПВП. Могут также использоваться масляные баки гидросистемы, содержащие гидравлическую жидкость по давлением, расположенные вблизи от ПВП, чтобы обеспечивать необходимое гидравлическое давление для закрытия плашек в случае отказа гидравлического насоса или приводного электродвигателя.
[0004] Типичный ПВП с гидравлическим приводом раскрыт в патенте США №6,554,247, выданном на имя Berkenhof и др.
Краткое описание чертежей
[0005] На фиг. 1 показан пример морского бурения скважины с плавучей буровой платформы, причем противовыбросовый превентор установлен на устье скважины.
[0006] На фиг. 2 показан вид сбоку иллюстративного варианта осуществления устройства управления давлением в скважине в соответствии с настоящим изобретением.
[0007] На фиг. 3 показан вид сверху иллюстративного варианта осуществления устройства, представленного на фиг. 1.
Подробное раскрытие изобретения
[0008] На фиг. 1 показан иллюстративный вариант осуществления бурения скважины, в котором может использоваться устройство управления давлением в скважине в соответствии с различными аспектами настоящего изобретения. На фиг. 1 показано буровое судно 110, плывущее по поверхности водоема 113 и оснащенное устройством в соответствии с настоящим изобретением. Устье 115 скважины расположено вблизи от морского дна 117, которое определяет верхнюю поверхность или «границу ила» поддонных пластов 118. Бурильная колонна 119 и соответствующее буровое долото 120 подвешены на буровой вышке 121, установленной на судне, и проходят до дна ствола 122 скважины. Секция направляющей обсадной колонны 127 проходит от устья 115 скважины до выбранной глубины в донных осадках над стволом 122 скважины. Бурильная колонна 119 концентрически входит в райзер (водоотделяющую колонну) 123, расположенный между верхним концом блока 124 противовыбросовых превенторов и судном 110. На каждом конце райзера 123 помещены шаровые шарниры 125.
[0009] Вблизи верхних участков райзерной трубы 123 расположен боковой отвод 126, соединяющий райзерную трубу с выкидной линией 129. Отвод 126 снабжен дроссельным клапаном 128. Выкидная линия 129 проходит вверх к сепаратору 131 на борту судна 110, тем самым, обеспечивая сообщение по текучей среде от райзерной трубы 123 через выкидную линию 129 до судна 110. Также на борту бурового судна находится компрессор 132 для подачи газа под давлением в линию 133 закачивания газа, проходящую в нижнем направлении с бурового судна в нижний конец выкидной линии 129. Вышеупомянутые компоненты могут использоваться при так называемом бурении «с двойным градиентом», при котором модификация и/или подкачивание выходящего из ствола скважины бурового раствора к судну 110 может обеспечивать более низкий градиент гидростатического давления столба бурового раствора в райзере 123, чем был бы в случае, если бы буровой раствор не был модифицирован или не подкачивался таким образом при возвращении к судну 110. С точки зрения определения объема раскрытия настоящего изобретения, такую модификацию градиента давления раствора необязательно использовать в некоторых вариантах осуществления. Иллюстративный вариант осуществления, раскрытый в настоящем документе, предназначен только для того, чтобы служить в качестве примера и не ограничивает каким-либо образом объем раскрытия настоящего изобретения.
[0010] Для регулирования гидростатического давления бурового раствора внутри райзерной трубы 123 в некоторых вариантах осуществления буровые растворы могут возвращаться к судну 110 посредством выкидной линии 129. Как и в случае обычных операций морского бурения, буровые растворы циркулируют вниз по бурильной колонне 119 к буровому долоту 120. Буровые растворы выходят из бурового долота и возвращаются к райзеру 123 через затрубное пространство, образованное бурильной колонной 119 и стволом 122 скважины. Затем происходит отступление от схемы обычных буровых работ. Вместо возвращения бурового раствора и бурового шлама по райзерной трубе к буровому судну, буровой раствор поддерживают на уровне приблизительно между верхним шаровым шарниром 125 и отводом 126. Этот уровень раствора связан с требуемым гидростатическим давлением бурового раствора в райзерной трубе, который не приводит к разрыву осадочного пласта 118, и все же поддерживает управление скважиной.
[0011] В таких вариантах осуществления буровой раствор можно извлекать из райзера 123 через боковой отвод 126 и возвращать к судну 110 через выкидную линию 129. Дроссельный клапан 128, регулирующий скорость отбора раствора из райзерной трубы, подает буровой раствор в выкидную линию 129. Газ под давлением от компрессора 132 транспортируется по линии 133 закачивания газа и закачивается в нижний конец выкидной линии 129. Закачиваемый газ смешивается с буровым раствором, образуя облегченную трехфазную текучую среду, состоящую из газа, бурового раствора и выбуренной породы. Газифицированная текучая среда имеет существенно меньшую плотность, чем исходный буровой раствор и обладает достаточной «высотой подъема», чтобы достичь поверхности.
[0012] На фиг.2 показан вид сбоку в вертикальной проекции, а на фиг.3 показан вид сверху иллюстративного устройства 8 управления давлением в скважине в соответствии с различными аспектами настоящего раскрытия. Устройство управления давлением в скважине может представлять собой противовыбросовый превентор (ПВП), который включает в себя корпус 10, имеющий проходное отверстие 11 для прохождения трубчатых компонентов скважины, применяемых при бурении и заканчивании ствола подземной скважины. Для наглядности изображения функциональные компоненты ПВП показаны только с одной стороны корпуса 10. Следует понимать, что некоторые иллюстративные варианты осуществления ПВП могут включать в себя по существу идентичные функциональные компоненты, присоединенные к корпусу 10 диаметрально противоположно показанным на фиг. 2 и фиг. 3.
[0013] Проходное отверстие 11 может быть закрыто для прохождения текучей среды за счет подачи плашки 12 в проходное отверстие 11. В некоторых вариантах осуществления, которые включают в себя функциональные компоненты только с одной стороны корпуса 10, плашка, полностью выдвинутая в проходное отверстие 11, может полностью закрывать и герметизировать проходное отверстие 11 таким же образом, как шиберная задвижка. В других вариантах осуществления ПВП, в котором, по существу, идентичные компоненты расположены с противоположных сторон корпуса 10, плашка 12 может при полном выдвижении контактировать с противоположной плашкой (не показанной на чертежах), входящей в проходное отверстие 11 с другой стороны корпуса 10. В настоящем иллюстративном варианте осуществления плашка 12 может представлять собой так называемую «глухую» плашку, которая герметично закрывает проходное отверстие 11 для потока текучей среды, когда в проходном отверстии 11 отсутствует какое-либо скважинное трубчатое устройство. В некоторых вариантах осуществления плашка может представлять собой так называемую «срезающую» плашку, которая при срабатывании может перерезать скважинный трубчатый элемент, расположенный в проходном отверстии 11, таким образом, что ПВП может быть герметично закрыт при аварии, когда извлечение трубчатого элемента практически невозможно. В других вариантах осуществления плашка 12 может представлять собой «трубную» плашку, выполненную с возможностью герметичного зацепления с внешней поверхностью скважинного трубчатого элемента, например, сегмента бурильной трубы таким образом, чтобы ствол скважины можно было закрыть, предотвращая утечку текучей среды, когда трубчатый элемент расположен в проходном отверстии, без необходимости перерезания трубчатого элемента.
[0014] Плашка 12 может быть соединена со штоком 14 плашки. Шток 14 плашки перемещается в продольном направлении к проходному отверстию 11, закрывая плашку 12, и перемещается в продольном направлении от проходного отверстия 11, открывая плашку 12. Шток 14 плашки может быть герметично, с возможностью перемещения, введен в контакт с корпусом 10, чтобы в отсеке, обычно называемом «крышкой» 16, можно было поддерживать приповерхностное атмосферное давление и/или исключить поступление текучей среды под давлением, таким как давление окружающей морской воды, когда устройство 8 управления давлением в скважине расположено на дне водоема при морских буровых работах.
[0015] Шток 14 плашки может быть присоединен к штоку 14А исполнительного механизма. В настоящем варианте осуществления шток 14А исполнительного механизма может представлять собой нажимной винт, выполненный в виде цилиндра со спиральной резьбой, образованной на его внешней поверхности. В настоящем иллюстративном примере шток 14А исполнительного механизма может включать в себя шариковую гайку (не показанную на чертежах для упрощения), введенную в зацепление с резьбой штока 14А исполнительного механизма. Червячная передача 18 может быть установлена во вращательном контакте с шариковой гайкой, если она используется, или со штоком 14А исполнительного механизма. В некоторых вариантах осуществления для связи штока 14А исполнительного механизма с червячной передачей 18 могут использоваться другие варианты сателлитов в планетарной передаче. Вращение червячной передачи 18 будет вызывать подачу или отвод штока 14А исполнительного механизма и соответствующее перемещение штока 14 плашки и плашки 12.
[0016] Червячная передача может вращаться по меньшей мере одним, а, в настоящем варианте осуществления, парой расположенных напротив друг друга двигателей 30. Двигатель (двигатели) 30 могут представлять собой, например, электрические двигатели, гидравлические двигатели или пневматические двигатели.
[0017] Внешний продольный конец штока 14А исполнительного механизма может находиться в контакте с ограничителем 22 крутящего момента. Ограничитель 22 крутящего момента может представлять собой устройство, фиксирующее шток 14А исполнительного механизма без возможности вращения относительно поршня 20 с другой стороны от ограничителя 22 крутящего момента. Поршень 20 может размещаться в цилиндре 25, гидравлически изолированном от крышки 16. Одна сторона поршня 20 может подвергаться воздействию внешнего источника давления 24, например, и без ограничения, гидравлического давления от аккумулятора или баллона для сжатого газа, газа под давлением или давления окружающей морской воды, когда устройство 8 управления давлением расположено на дне водоема. Другая сторона поршня 20 может подвергаться воздействию уменьшенного давления 26, например, вакуумметрического или атмосферного давления, такого, что подаче поршня 20, по существу, не препятствует сжатие газа или жидкости в такой части цилиндра 25. Другая сторона поршня 20 может находиться в контакте с другим ограничителем 22 крутящего момента. Другой ограничитель 22 крутящего момента может жестко крепиться к цилиндру 25.
[0018] В настоящем иллюстративном варианте осуществления между поршнем 20 и ограничителем 22 крутящего момента может быть установлен датчик 21 давления. Датчик давления 21 может представлять собой, например, пьезоэлемент, расположенный между двумя нажимными шайбами. Датчик давления 21 может генерировать сигнал, соответствующий величине силы, прикладываемой поршнем 20 и штоком 14А исполнительного механизма к плашке 12 для открывания или закрывания плашки 12. Другой датчик давления может применяться, как показано на фиг.2. В некоторых вариантах осуществления продольное положение штока 14А исполнительного механизма или поршня 20 может измеряться датчиком 23 линейного положения, например, линейно регулируемым дифференциальным трансформатором, или при помощи винтовой канавки, образованной во внешней поверхности поршня 20, и обмотки, воспринимающей эффект переменного магнитного сопротивления (не показана).
[0019] Как видно из фиг. 2, двигатель (двигатели) 30 может(могут) иметь элемент 31 ручного управления, такой как торцовый ключ или другой элемент передачи крутящего момента для обеспечения возможности вращения червячной передачи 18 в случае отказа двигателя. Элемент 31 передачи крутящего момента может поворачиваться двигателем, например, на подводном аппарате с дистанционным управлением (ПАДУ), если такая операция будет необходима.
[0020] Обращаясь конкретно к фиг. 2, отметим, что в некоторых вариантах осуществления устройство 8 управления давлением в скважине может быть установлено в режиме с обратной связью, при котором устройству 8 может быть послана команда открытия или закрытия плашки 12. С этой целью контроллер 37, который может представлять собой любой вид микроконтроллера, программируемого логического контроллера или аналогичного устройства управления процессом, может обмениваться сигналами с датчиком 21 давления и датчиком 23 линейного положения. Управляющий выход контроллера 37 может быть функционально соединен с двигателем (двигателями) 30. При получении контроллером 37 команды закрытия плашки 12, контроллер 37 приведет в действие двигатель (двигатели) 30, чтобы поворачивать червячную передачу 18 и вызывать перемещение плашки 12 к проходному отверстию штоком 14А исполнительного механизма. Давление текучей среды, воздействующее на другую сторону поршня 20, повышает величину силы, прикладываемой штоком 14А исполнительного механизма, со значительным превышением силы, которая была бы приложена в результате только вращения двигателя (двигателей) 30. Когда давление, измеряемое датчиком 21 давления, возрастает, и когда результат измерения датчиком 23 линейного положения показывает, что плашка 12 полностью выдвинута в проходное отверстие 11, контроллер 37 может прекратить вращение двигателя (двигателей) 30. Обратный процесс может использоваться для открытия плашки 12 и прекращения вращения двигателя (двигателей) 30, когда результаты измерений датчиком покажут, что плашка 12 полностью открыта. При таком способе открытие и закрытие плашки 12 может выполняться без необходимости контроля каких-либо измерений и ручного управления органами регулирования со стороны пользователя; открытие и закрытие плашки 12 может быть полностью автоматизировано после передачи команды открытия или закрытия контроллеру 37.
[0021] Хотя изобретение раскрыто со ссылкой на ограниченное количество вариантов осуществления, специалистам, воспользовавшимся раскрытым здесь изобретением, понятно, что могут быть разработаны и другие варианты осуществления, не отступающие от объема настоящего изобретения, раскрытого в настоящем документе. Соответственно, объем раскрытия настоящего изобретения ограничен только приложенной формулой изобретения.
1. Устройство для приведения в действие плашки в устройстве управления давлением в скважине, содержащее:
шток исполнительного механизма, связанный с плашкой, причем данный шток исполнительного механизма выполнен с возможностью перемещения внутри корпуса, чтобы выдвигать плашку в проходное отверстие в корпусе;
приводной винт, вращательно связанный со штоком исполнительного механизма, причем приводной винт ориентирован поперечно штоку исполнительного механизма;
по меньшей мере один двигатель, вращательно связанный с приводным винтом; и
поршень, расположенный на продольном конце штока исполнительного механизма противоположно плашке, при этом поршень подвержен воздействию источника давления текучей среды со стороны поршня, противоположной штоку исполнительного механизма.
2. Устройство по п. 1, в котором источник давления текучей среды включает в себя давление в гидросистеме.
3. Устройство по п. 1, в котором источник давления текучей среды включает в себя давление в пневмосистеме.
4. Устройство по п. 1, в котором источник давления текучей среды включает в себя давление окружающей воды на дне водоема.
5. Устройство по п. 1, в котором по меньшей мере участок стороны поршня, противоположный источнику давления текучей среды, подвержен воздействию вакуумметрического давления.
6. Устройство по п. 1, в котором шток исполнительного механизма содержит нажимной винт.
7. Устройство по п. 6, в котором нажимной винт находится во вращательном контакте с приводным винтом через шариковую гайку.
8. Устройство по п. 1, в котором по меньшей мере один двигатель включает в себя электрический двигатель.
9. Устройство по п. 1, в котором по меньшей мере один двигатель включает в себя гидравлический двигатель.
10. Устройство по п. 1, в котором по меньшей мере один двигатель включает в себя пневматический двигатель.
11. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее датчик давления, выполненный с возможностью измерения продольной силы, приложенной к штоку исполнительного механизма.
12. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее датчик линейного положения, выполненный с возможностью измерения продольного положения штока исполнительного механизма.
13. Устройство по п. 12, дополнительно содержащее контроллер, связанный с возможностью прохождения сигналов с датчиком линейного положения и имеющий управляющий выход, связанный с возможностью прохождения сигналов с по меньшей мере одним двигателем, причем контроллер выполнен с возможностью управления двигателем, чтобы автоматически полностью открывать плашку или автоматически полностью закрывать плашку на основании результатов измерений, полученных от датчика линейного положения.
14. Устройство по п. 1, в котором по меньшей мере один двигатель содержит приводной элемент, обеспечивающий возможность вращения двигателя с помощью внешнего приводного устройства.
15. Устройство по п. 14, в котором внешнее приводное устройство включает в себя подводный аппарат с дистанционным управлением.
16. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее ограничитель крутящего момента, функционально присоединенный между штоком исполнительного механизма и корпусом.
17. Устройство по п. 16, дополнительно содержащее поршень, расположенный на продольном конце штока исполнительного механизма противоположно плашке, при этом поршень подвержен воздействию источника давления текучей среды со стороны поршня, противоположной штоку исполнительного механизма, а также дополнительно содержащее ограничитель крутящего момента, присоединенный между поршнем и корпусом.
