платформа морского бурения нефтяных и газовых скважин
Классы МПК: | E21B15/02 специально предназначенные для подводного бурения E21B19/09 специально предназначенные для разбуривания подводных пластов с плавучей платформы с использованием компенсаторов волнения (моря), удерживающих колонны буровых штанг |
Автор(ы): | Зайцев С.И., Ефремова Н.А. |
Патентообладатель(и): | Открытое акционерное общество научно-технологическая компания Российский межотраслевой научно-технический комплекс "Нефтеотдача" |
Приоритеты: |
подача заявки:
2000-02-23 публикация патента:
10.05.2001 |
Изобретение относится к буровой технике, а именно к устройствам для бурения и разработки морских месторождений. Сущность изобретения заключается в том, что платформа дополнительно снабжена якорем спокойной воды, стыковочный узел которого выполнен в виде двух колес - нижнего и верхнего, верхнее колесо соединено с плавсредством тяговыми органами, снабженными датчиками усилия натяжения с возможностью изменения длины тяговых органов, нижнее колесо стыковочного узла соединено с каркасом якоря рассредоточенными тяговыми органами, колонка буровых труб имеет датчик угла отклонения колонны буровых труб от вертикали, буровая площадка установлена над плавсредством через стойки с шарнирами, механизм компенсации выполнен в виде подводного перемещающегося узла, закрепленного на каркасе и связанного с датчиком угла отклонения колонны буровых труб от вертикали и компенсаторов перемещений, установленных в местах шарнирного соединения стоек с буровой площадкой и плавсредством, а вышка вынесена за внешнюю границу каркаса. Изобретение обеспечивает повышение устойчивости морской платформы, безопасности ее эксплуатации и увеличение рабочей глубины дна моря. 3 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
Формула изобретения
Платформа морского бурения нефтяных и газовых скважин, включающая плавсредство, буровую площадку, вышку, буровой станок, колонну буровых труб и механизм компенсации, отличающаяся тем, что платформа дополнительно снабжена якорем спокойной воды, состоящим из оболочки торообразной формы, заполненной морской водой и разделенной перегородками на отсеки, из каркаса, отжимного подкаркасника и стыковочного узла в виде двух колес - нижнего и верхнего, насаженных на один вал, причем оболочка размещена внутри каркаса и контактирует с каркасом и отжимным подкаркасником, плавсредство соединено с верхним колесом стыковочного узла не менее чем тремя рассредоточенными тяговыми органами, снабженными датчиками усилия натяжения с возможностью изменения длины тяговых органов, каркас соединен с нижним колесом стыковочного узла не менее чем тремя рассредоточенными тяговыми органами, колонна буровых труб имеет датчик угла отклонения колонны буровых труб от вертикали, буровая площадка установлена над плавсредством через стойки с шарнирами, механизм компенсации выполнен в виде подводного перемещающего узла, закрепленного на каркасе и связанного с датчиком угла отклонения колонны буровых труб от вертикали и компенсаторов перемещений, установленных в местах шарнирного соединения стоек с буровой площадкой и плавсредством, а вышка вынесена за внешнюю границу каркаса.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано для бурения и разработки морских месторождений как при малой, так и при большой глубинах морского дна. Известна погружная морская буровая установка, связанная посредством тросов с якорями на дне моря [1]. Недостатками буровой установки являются ограниченная рабочая глубина моря с предельным значением порядка 350 м из-за большой длины удерживающих тросов и возможность нарушения техники безопасности при круговом вращении платформы, связанная со схлестыванием тросов и опутыванием буровой колонны. Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является платформа морского бурения нефтяных и газовых скважин, включающая плавсредство, буровую площадку, вышку, буровой станок, колонну буровых труб и механизм компенсации в виде рычага с тросом, один конец которого закреплен на подводном устьевом оборудовании, а другой конец связан гибкой связью с платформой [2]. Недостатком прототипа является необходимость кинематической связи компенсатора перемещений с дном моря через башмачную биту и водоотделяющую колонну, что делает установку неустойчивой, небезопасной в эксплуатации, ограничивает рабочую глубину дна моря и увеличивает стоимость затрат на ее строительство. В изобретении решается задача повышения устойчивости морской платформы и безопасности ее эксплуатации, увеличения рабочей глубины дна моря и снижения стоимости затрат на ее строительство. Решение задачи достигается тем, что платформа морского бурения нефтяных и газовых скважин, включающая плавсредство, буровую площадку, вышку, буровой станок, колонну буровых труб и механизм компенсации, согласно изобретению дополнительно снабжена якорем спокойной воды, состоящим из оболочки торообразной формы, заполненной морской водой и разделенной перегородками на отсеки, из каркаса отжимного подкаркасника и из стыковочного узла в виде двух колес - нижнего и верхнего, насаженных на один вал, причем оболочка размещена внутри каркаса и контактирует с каркасом и отжимным подкаркасником, плавсредство соединено с верхним колесом стыковочного узла не менее чем тремя рассредоточенными тяговыми органами, снабженными датчиками усилия натяжения с возможностью изменения длины тяговых органов, каркас соединен с нижним колесом стыковочного узла не менее чем тремя рассредоточенными тяговыми органами, колонна буровых труб имеет датчик угла отклонения колонны буровых труб от вертикали, буровая площадка установлена над плавсредством через стойки с шарнирами, механизм компенсации выполнен в виде подводного перемещающего узла, закрепленного на каркасе и связанного с датчиком угла отклонения колонны буровых труб от вертикали и компенсаторов перемещений, установленных в местах шарнирного соединения стоек с буровой площадкой и плавсредством, а вышка вынесена за внешнюю границу каркаса. Признаками изобретения являются:1. Плавсредство. 2. Буровая площадка. 3. Вышка. 4. Буровой станок. 5. Колонна буровых труб. 6. Механизм компенсации. 7. Якорь спокойной воды, состоящий из оболочки торообразной формы, каркаса, откидного подкаркасника и из стыковочного узла. 8. Оболочка торообразной формы заполнена морской водой. 9. Оболочка торообразной формы разделена перегородками на отсеки. 10. Стыковочный узел в виде двух колес - нижнего и верхнего, насаженных на один вал. 11. Оболочка размещена внутри каркаса и контактирует с каркасом и отжимным подкаркасником. 12. Плавсредство соединено с верхним колесом стыковочного узла не менее чем тремя рассредоточенными тяговыми органами. 13. Каркас соединен с нижним колесом стыковочного узла не менее чем тремя рассредоточенными тяговыми органами. 14. Плавсредство соединено с верхним колесом стыковочного узла не менее чем тремя рассредоточенными тяговыми органами, снабженными датчиками усилия натяжения с возможностью изменения длины тяговых органов. 15. Колонна буровых труб имеет датчик угла отклонения колонны буровых труб от вертикали. 16. Буровая площадка, установленная над плавсредством через стойки с шарнирами. 17. Механизм компенсации выполнен в виде подводного перемещающего узла и компенсаторов перемещений. 18. Подводный перемещающий узел закреплен на каркасе и связан с датчиком угла отклонения от колонны буровых труб от вертикали. 19. Компенсаторы перемещений установлены в местах шарнирного соединения стоек с буровой площадкой и плавсредством. 20. Вышка вынесена за внешнюю границу каркаса. Признаки 1-6 являются общими с прототипом, признаки 7-20 являются существенными отличительными признаками. Сущность изобретения
Сущность изобретения состоит, во-первых, в использовании в качестве основного конструкционного материала морской воды. Этим обеспечивают невысокую стоимость сооружения при неограниченном расходовании материала. Во-вторых, используют такую особенность состояния моря, при которой поверхностные возмущения в виде волн, штормов и цунами имеют ограниченное распространение по глубине с постепенным затуханием. На глубины порядка 40-60 м и глубже поверхностные возмущения практически не доходят. Эту зону "спокойной воды" используют в предлагаемом изобретении для фиксации на ней платформы взамен того, чтобы прикреплять ее на тросах ко дну моря, как это предусмотрено в известных технических решениях. Благодаря этому условия крепления платформы не зависят от глубины дна. Преимущество в сравнении с якорным креплением платформы за дно моря состоит в увеличении жесткости закрепления платформы. При якорном креплении платформы длины тросов составляют 300-400 м и имеют большие деформации. По предлагаемому способу длина тяговых органов определяется расстоянием до зоны "спокойной воды", т.е. порядка 30-40 м. Расчеты показывают, что при увеличении длины тяговых органов свыше 1000 м, при модуле упругости 2
![платформа морского бурения нефтяных и газовых скважин, патент № 2166611](/images/patents/305/2166003/183.gif)
Определяют в заданном месте бурения газовой скважины в Баренцевом море посредством зондирования глубину зоны "спокойной воды", равную 50 м. Исходя из этой глубины определяют длины тяговых органов 16, 17 якоря спокойной воды. Предварительно определяют размеры оболочки 7. Исходят из веса буровой площадки 2 вместе с плавсредством 1, равного 8 т. Превышение веса якоря спокойной воды в сравнении с ними задают в 100 раз, откуда определяют вес морской воды 8, заполняющей оболочку 7, равный V = 800 т. Удельный вес морской воды равен d = 1,26 т/м3, откуда объем заполненной оболочки 7 должен составлять
W=V/d=800/1,26 = 635 м3
Выбирают диаметр поперечного сечения оболочки 7 - торообразной формы D = 4 м. Определяют радиус тора Rk, m по формуле:
![платформа морского бурения нефтяных и газовых скважин, патент № 2166611](/images/patents/305/2166611/2166611-2t.gif)
Внешний радиус оболочки 7 Rвн, м, равный радиусу каркаса 11, определяют по формуле
Rвн = Rk + D/2 = 8+4/2 = 10 м
Осуществляют вынос бурового станка 4 на расстояние, равное вн, и для запаса еще на 2 м, т.е. всего на 12 м от центра буровой площадки 2, при этом буровой станок 4 и спускаемая колонна буровых труб 5 оказываются за пределами каркаса 11. Стыковочный узел устанавливают таким образом, чтобы его расстояние от плавсредства 1 составляло h = 8 м. Тогда длину верхнего тягового органа 16 - LB , м определяют, при ширине плавсредства S =10 и, из формулы
![платформа морского бурения нефтяных и газовых скважин, патент № 2166611](/images/patents/305/2166611/2166611-3t.gif)
Длину тягового органа 17 от стыковочного узла до каркаса 11 - LH, м, определяют по формуле, при общем расстоянии от плавсредства 1 до зоны "спокойной воды", равном L = 50 м
![платформа морского бурения нефтяных и газовых скважин, патент № 2166611](/images/patents/305/2166611/2166611-4t.gif)
Оболочку 7 изготавливают из синтетического материала полипропилена формы тора с внешним круговым диаметром 10 м и диаметром поперечного сечения 4 м. Материал устойчив к воздействию морской воды и имеет плетеную структуру с промежутками в местах плетения, обеспечивающими проникновение морской воды через оболочку 7. Оболочку 7 размещают внутри каркаса 11 и соединяют с ним. Собирают якорь спокойной воды соединением тяговыми органами 16 и 17 расчетной длины Lв и Lн со стыковочным узлом. Опускают якорь спокойной воды 2 в море, где оболочка 7 заполняется морской водой через промежутки в полипропилене. Платформа готова к выполнению буровых работ. Обеспечивают устойчивое положение платформы морского бурения благодаря якорю спокойной воды. Точка крепления платформы к якорю спокойной воды находится на глубине 8 м, тогда как глубина самого моря значительно больше. Во время шторма платформа морского бурения работает следующим образом. Платформа морского бурения, закрепленная на якоре спокойной воды, остается с ним на одном уровне из-за ничтожного малого веса (1%) плавсредства вместе с буровой площадкой в сравнении с весом якоря спокойной воды. Хотя при этом штормовые волны могут достигать нескольких метров. Перемещения плавсредства 1 под воздействием шторма можно подразделить на колебательные и вращательные. Вращательные движения вокруг вертикальной оси реализуются в виде поворота плавсредства 1 и находящейся на нем буровой площадки 2 благодаря верхнему колесу 14 стыковочного узла и они не приводят к нарушению функционирования платформы морского бурения в рабочем режиме. При этом вышка 3 вместе с колонной буровых труб 5 может переместиться на противоположную сторону или будет продолжать описывать дугу вокруг вертикальной оси платформы морского бурения. Большие волновые нагрузки приходятся на плавсредство 1. Однако ударный импульс, воздействующий на плавсредство 1, благодаря использованному в изобретении механизму компенсации передается в значительно ослабленном виде на буровую площадку 2, вышку 3 и колонну буровых труб 5. Это происходит благодаря установке механизма компенсации в местах шарнирного соединения (шарниров 20) стоек 19 с плавсредством 1 и буровой площадкой 2. Ударный импульс частично гасится в компенсаторах перемещений 22 механизма компенсации, приводя при этом к перекашиванию стоек 19. При этом, например, двухметровые броски плавсредства 1 под действием морской стихии обращаются в перемещении буровой площадки величиной в 30 см. После прекращения ударного импульса усилием компенсаторов перемещений 22 механизма компенсации перекошенные стойки 19 принимают вертикальное положение. В географическом месте бурения скважины ожидался приток струи океанического течения Гольфстрима, к приходу которого буровики были готовы. Притекшие к месту погружения якоря спокойной воды потоки теплой воды нарушили состояние глубинных вод. Нарушение состояния представлено двумя факторами: дрейфом якоря спокойной воды, увлекаемого течением, и повышением температуры окружающей морской воды. Дрейф якоря спокойной воды приводит к смещению платформы морского бурения. Смещение в горизонтальном направлении обнаруживают по показаниям датчика 6 угла отклонения колонны буровых труб 5 от вертикали. По тем же показаниям определяют длину пути и направление возврата в первоначальное положение. В примере применения длина пути оказалась равной 130 м. Для ее возврата включают подводный перемещающий узел 21 и сдвигают платформу морского бурения на 130 м, возвращая на прежнее место. Другим фактором воздействия является нагрев окружающей морской воды, приводящий к погружений якоря спокойной воды под действием силы, обусловленной разницей в плотностях воды, заключенной внутри оболочки и вне ее. Тем самым создается риск затопления платформы морского бурения, увлекаемой в море погружающимся якорем спокойной воды. Погружение якоря спокойной воды из-за повышения температуры окружающего моря увеличивает усилия натяжения тяговых органов 16, соединяющих якорь спокойной воды с плавсредством 1. По датчику 18 усилия натяжения фиксируют его увеличение с величины 0,07 до 0,12 т. Дальнейшее увеличение усилия может привести к аварийной ситуации. Чтобы этого избежать, изменяют длину тяговых органов 16 с помощью лебедки (на чертеже не показана), расположенной на плавсредстве 1. Тяговые органы 15 удлиняют до тех пор, пока усилие натяжения не уменьшится до первоначального значения 0,07 т. Применение предлагаемой платформы морского бурения обеспечивает повышение ее устойчивости благодаря тому, что она крепится к якорю спокойной воды, расположенному на малом расстоянии от поверхности моря, техники безопасности ведения буровых работ посредством введения в конструкцию платформы морского бурения стыковочного узла с независимо вращающимися колесами, увеличение рабочей глубины морского дна, вследствие того, что место крепления платформы морского бурения к якорю не зависит от глубины моря, и снижение ее стоимости благодаря использованию такого конструкционного материала, как морская вода, и благодаря возможности многократного использования платформы. Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 1416652 кл. E 21 В 7/12, опубл. в 1988 г. 2. Авторское свидетельство СССР 1335671 кл. E 21 В 19/09, опубл. в 1987 г. - прототип.
Класс E21B15/02 специально предназначенные для подводного бурения
Класс E21B19/09 специально предназначенные для разбуривания подводных пластов с плавучей платформы с использованием компенсаторов волнения (моря), удерживающих колонны буровых штанг