соединительный элемент райзера, райзер и способ уменьшения изгибающего момента в райзере

Формула изобретения

1. Соединительный элемент райзера, содержащий гибкие средства (54, 94, 93, 110), обеспечивающие возможность поперечного смещения первого конца (52, 110a) соединительного элемента относительно его второго конца (58, 110b), отличающийся тем, что дополнительно содержит силовые средства (50, 71, 82, 84, 95, 96, 102, 113, 114), соединенные с его первым и вторым концами и сконфигурированные для приложения к одному концу соединительного элемента, когда он выведен из нейтрального положения, дополнительного усилия, совпадающего по направлению с направлением смещения указанного конца относительно нейтрального положения.

2. Соединительный элемент по п.1, отличающийся тем, что имеет первую точку (60, 100, 111) прикрепления, расположенную у своего первого конца, и вторую точку (62, 101, 112) прикрепления, расположенную у своего второго конца, причем обе точки прикрепления смещены в поперечном направлении относительно положения оси соединительного элемента в его нейтральном положении, а силовые средства сконфигурированы с возможностью приложения к точкам прикрепления усилия, способного отклонить конец соединительного элемента в поперечном направлении от его оси.

3. Соединительный элемент по п.1, отличающийся тем, что содержит первый опорный фланец (60), соединяемый с первым концом (52) соединительного элемента, и второй опорный фланец (62), соединяемый со вторым концом (58) соединительного элемента, при этом силовые средства сопряжены с указанными опорными фланцами (60, 62).

4. Соединительный элемент по п.3, отличающийся тем, что силовые средства связаны, по меньшей мере, с одним из опорных фланцев (60, 62) посредством шарнирного соединения.

5. Соединительный элемент по п.1, отличающийся тем, что силовые средства содержат механическую систему (50, 60, 62, 66, 67, 68, 69), гидравлическую систему (71, 72, 73, 75, 76; 102, 103, 104), магнитную систему (82, 84, 86) и/или электрическую систему (95, 96) для создания усилия, воздействующего на соединительный элемент.

6. Соединительный элемент по п.4, отличающийся тем, что силовые средства содержат, по меньшей мере, один упругий элемент (50), установленный между первым и вторым опорными фланцами (60, 62), а шарнирное соединение содержит систему гидростатических подвесок (66, 67), введенных между упругим элементом (50) и опорными фланцами (60, 62).

7. Соединительный элемент по любому из пп.3-6, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один из опорных фланцев (60, 62) присоединен к концу (52, 58) соединительного элемента с возможностью регулирования его положения.

8. Соединительный элемент по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что силовые средства содержат группу гидроцилиндров (71), по меньшей мере, с тремя поршнями (73), прикрепленными к соответствующим штокам (74), присоединенным к одному концу (52, 58) соединительного элемента, и, по меньшей мере, с тремя гидроцилиндрами (72), присоединенными к другому концу (58, 52) соединительного элемента, и гидравлические линии (75, 76), соединяющие группу гидроцилиндров (71), резервуар с гидравлической жидкостью и блок (78) управления.

9. Соединительный элемент по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что силовые средства содержат, по меньшей мере, один магнитный элемент (82), прикрепленный к одному концу (52, 58) соединительного элемента, и, по меньшей мере, один магнитный элемент (84), прикрепленный к другому концу (58, 52) соединительного элемента.

10. Соединительный элемент по п.9, отличающийся тем, что магнитные элементы (82, 84) являются электромагнитами, а соединительный элемент содержит кабели (86), проложенные между магнитными элементами (82, 84), блоком (80) управления энергией и источником (87) электрической энергии.

11. Райзер, установленный между плавучим комплексом и комплексом, закрепленным относительно морского дна, отличающийся тем, что содержит соединительный элемент, выполненный по любому из пп.1-10 и образующий часть райзера.

12. Райзер по п.11, отличающийся тем, что выполнен с возможностью присоединения к системе создания натяжения, установленной на плавучем комплексе.

13. Способ уменьшения изгибающих моментов в райзере, в зоне его присоединения к подводному комплексу с обеспечением присоединения райзера к установленной на надводном судне системе создания натяжения, отличающийся тем, что включает:

установку между двумя элементами, образующими части райзера, расположенного между подводным комплексом и судном соединительного элемента, который в нейтральном положении обеспечивает создание усилий, распределенных равномерно по боковой поверхности райзера, а при отклонении частей райзера из нейтрального положения создает усилие, действующее на две части райзера таким образом, чтобы препятствовать их возврату в нейтральное положение.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что включает операции обеспечения соединительного элемента райзера группой гидроцилиндров и регулирования подачи гидравлической жидкости в различные камеры гидроцилиндров для регулирования усилия, действующего на две части райзера.

15. Способ по п.14, отличающийся тем, что включает операции обеспечения соединительного элемента райзера электромагнитными элементами и регулирования подачи энергии к различным электромагнитным элементам для регулирования усилия, действующего на две части райзера.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Изобретение относится к выполнению силовых средств, используемых в соединительном элементе райзера, и к способу уменьшения изгибающего момента в райзере в месте его присоединения к подводному комплексу. Более конкретно, оно относится к райзеру, снабженному гибким соединительным элементом.

Уровень техники

В процессе подводной добычи углеводородов в качестве канала между надводным судном и подводным устьевым оборудованием используется райзер. Поскольку райзер одним своим концом прикреплен к конструкции на морском дне, а другим - к судну, которое подвержено влияниям ветра и волн, перемещения судна создают напряжения в райзере. Райзер поддерживается в натяженном состоянии относительно судна, что при движении судна приводит к изгибающим напряжениям в райзере. Чтобы минимизировать эти изгибающие напряжения, райзер оборудуется гибким соединительным элементом и/или ограничителем изгиба, находящимся на устьевом оборудовании. Ограничитель изгиба создает сопротивление изгибу и устраняет точки концентрации напряжений на соединительном элементе, но не уменьшает изгибающий момент как таковой. Пример гибкого соединительного элемента, нашедшего применение в промышленности, приведен в US 5951061. Данному соединительному элементу придана определенная жесткость для сопротивления изгибу и создания усилия, стремящегося, при наличии изгиба, вернуть райзер в нейтральное положение.

Само по себе постоянное изгибающее напряжение обычно не приводит к повреждению устьевого оборудования, поскольку коннектор и устьевое оборудование рассчитаны на то, чтобы выдерживать возникающие усилия. Однако, вследствие перемещений судна, изгиб может быть цикличным, и такие циклы могут приводить к усталостным проблемам на устьевом оборудовании.

На фиг.1 показана известная райзерная система для использования при операциях по заканчиванию скважины и увеличению дебита. Скважина 10 была пробурена с морского дна 12 и закончена обычным образом, т.е. установкой устьевого оборудования 14 на основе подводной фонтанной елки. На фонтанной елке закреплен противовыбросовый превентор или погружной райзерный комплект (ПРК) 16. На ПРК закреплен превентор 18 для аварийной расстыковки, а над ним обычно устанавливается соединительный элемент 20, который будет воспринимать изгибающие моменты, возникающие в райзере. Данный соединительный элемент 20 может иметь форму ограничителя изгиба. На нижнем конце райзера имеется также предохранительный соединительный элемент ("слабое звено") 22. Сам райзер 24 состоит из труб, привинченных или иным образом соединенных одна с другой для формирования колонны труб, как это хорошо известно специалистам. На верхнем конце райзера имеется телескопический соединительный элемент 26. На фиг.1 данный соединительный элемент показан в своем сложенном положении. Райзер 24 поддерживается в натяженном состоянии обычным образом, посредством системы 28 натяжения. На верхний конец райзера установлена верхняя фонтанная елка, поддерживаемая в натяженном состоянии посредством компенсатора вертикальной качки (не изображен). У судна имеются нижняя палуба 32 и буровая палуба 34. Все операции производятся с буровой палубы.

Раскрытие изобретения

Согласно изобретению ослабление или устранение рассмотренных проблем достигается созданием соединительного элемента райзера, райзера, оснащенного данным соединительным элементом, и способа, охарактеризованных в прилагаемой формуле.

В частности, согласно изобретению создан соединительный элемент райзера, который, будучи установленным, образует часть райзера, находящуюся между двумя секциями райзера или между подводным оборудованием и райзером. Соединительный элемент, при его использовании в райзере, формирует канал для флюида, сообщающийся с каналом для флюида, формируемым райзером. Соединительный элемент содержит гибкие средства, обеспечивающие возможность поперечного смещения первого конца соединительного элемента относительно его второго конца. Такие гибкие средства можно реализовать различными путями, например с использованием обычного гибкого соединительного элемента, такого как шаровой или сильфонный соединительный элемент. Возможно также применение соединительного элемента, содержащего трубный сегмент, обеспечивающий своему первому концу возможность углового смещения относительно другого своего конца, т.е. трубный сегмент, способный к изгибу. Возможно использование и других соединительных элементов, допускающих перемещение одной части райзера относительно другой его части. При этом соединительный элемент сконфигурирован также с возможностью передачи сформированных в райзере усилий натяжения через соединительный элемент и, возможно, через его гибкие средства. Таким образом, соединительный элемент должен быть способен воспринимать усилия натяжения, а также, предпочтительно, внутреннее давление со стороны флюида, проходящего по каналу, сформированному в соединительном элементе.

Согласно изобретению соединительный элемент райзера дополнительно содержит силовые средства, соединенные с его первым и вторым концами. Эти силовые средства сконфигурированы с возможностью приложения к одному концу соединительного элемента, когда он выведен из нейтрального положения, дополнительного усилия, совпадающего по направлению с направлением смещения указанного конца относительно нейтрального положения.

Таким образом, соединительный элемент согласно изобретению выполнен с возможностью присоединения к райзеру для формирования его части, возможно, в качестве соединительного элемента между двумя частями райзера. В этом случае соединительный элемент будет обеспечивать возможность взаимного углового смещения, в зоне соединительного элемента, двух частей райзера благодаря наличию гибких средств в составе соединительного элемента. Согласно одному аспекту изобретения соединительный элемент может иметь первую точку прикрепления, расположенную у своего первого конца, и вторую точку прикрепления, расположенную у своего второго конца. Обе точки прикрепления смещены в поперечном направлении относительно положения оси соединительного элемента в его нейтральном положении, а силовые средства сконфигурированы с возможностью приложения к точкам прикрепления усилия, способного отклонить конец соединительного элемента в поперечном направлении от его оси. Под осью соединительного элемента следует понимать ось, проходящую от центра одного его конца к центру его второго конца. При наличии канала для флюида ось соединительного элемента может проходить от центра первого конца этого канала на первом конце соединительного элемента к центру второго конца этого канала на втором конце соединительного элемента.

Согласно другому аспекту соединительный элемент может содержать присоединительные средства для его присоединения к относительно стационарной части райзера, прикрепленной к подводному комплексу, и присоединительные средства для его присоединения к части райзера, способной смещаться относительно морского дна. Таким образом, соединительный элемент пригоден для присоединения к двум различным частям райзера, подлежащим сопряжению посредством соединительного элемента и с его помощью приобретающим возможность взаимного смещения. Согласно одному аспекту соединительный элемент и, в частности, его силовые средства сконфигурированы так, что в нейтральном положении обеих частей райзера силовые средства обеспечивают создание усилий, по существу, равномерно распределенных по боковой поверхности соединительного элемента, а в положении, отличном от нейтрального, создают усилие, воздействующее на два конца соединительного элемента. При этом эти усилия будут еще более смещать от нейтрального положения концы соединительного элемента и части райзера, к которым они присоединены в результате установки соединительного элемента. Таким образом, силовые средства будут придавать соединительному элементу "отрицательную жесткость". Под жесткостью в контексте изобретения следует понимать сопротивление, оказываемое упругим объектом, его смещению или деформации под действием приложенного усилия. Упругий объект будет деформироваться под напряжением, но возвращаться к своей исходной форме. Силовые средства в составе соединительного элемента по изобретению будут увеличивать усилие, возникающее между двумя его концами или двумя частями установленного райзера, так что для возвращения указанных концов или частей в нейтральное положение необходимо преодолеть данное усилие. Следовательно, эти средства эквивалентны приданию соединительному элементу отрицательной жесткости по отношению к смещениям из нейтрального положения. Когда соединительный элемент образует часть райзера, при выходе одной части райзера из нейтрального положения или наклоне относительно этого положения силовые средства будут воздействовать на оба конца соединительного элемента и, тем самым, на две части райзера и, по меньшей мере, в начальный момент будут стремиться увеличить наклон, который получит один конец соединительного элемента или одна часть райзера относительно нейтрального положения.

В нейтральном положении продольные оси двух частей райзера или оси концов соединительного элемента могут быть параллельны. Под осью конца соединительного элемента следует понимать ось, по существу, нормальную к поверхности, присоединяемой к другому элементу, или, при наличии канала, проходящего через соединительный элемент, ось этого канала у его конца. Может существовать также нейтральное положение, в котором часть райзера, которая удерживается в стационарном положении относительно морского дна, имеет продольную ось, составляющую угол с вертикальным направлением, тогда как продольная ось другой части райзера в нейтральном положении, по существу, вертикальна. В такой ситуации между частями райзера с присоединенным к ним соединительным элементом, находящимися в нейтральном положении, будет иметься угол. Согласно изобретению силовые средства, которые могут содержать несколько силовых элементов, расположенных вокруг гибких средств соединительного элемента, будут в этом нейтральном положении создавать усилие, которое воздействует на две части райзера у концов соединительного элемента и которое равномерно распределено по боковой поверхности соединительного элемента или райзера. Такое усилие будет удерживать обе части райзера или оба конца соединительного элемента в этом нейтральном положении. Только тогда, когда относительное положение между двумя частями райзера или концами соединительного элемента будет соответствовать выходу из нейтрального положения, силовые средства создадут усилие, стремящееся еще больше сместить указанные части или концы из нейтрального положения, тем самым придавая отрицательную жесткость соединению между двумя частями райзера, образованному соединительным элементом по изобретению.

Чтобы вернуть части райзера или концы соединительного элемента в нейтральное положение, необходимо преодолеть дополнительное усилие, созданное силовыми средствами, когда части райзера были выведены из нейтрального положения. Райзер, установленный между подводным комплексом, зафиксированным относительно морского дна, и плавучим комплексом, движущимся в связи с изменениями характеристик волн и ветра, будет испытывать влияние смещений плавучего комплекса в горизонтальном направлении. Это влияние будет приводить к наклону части райзера, поскольку подводный комплекс неподвижен. В таких условиях соединительный элемент согласно изобретению, установленный на райзере, будет смещаться из нейтрального положения вследствие горизонтального перемещения плавучего комплекса. При этом силовые средства соединительного элемента по изобретению будут стремиться еще больше изогнуть соединительный элемент в направлении движения плавучего комплекса. Этот дополнительный изгиб соединительного элемента будет приводить к уменьшению изгибающего момента, вызываемого горизонтальным перемещением плавучего комплекса в зоне ниже соединительного элемента по изобретению и, возможно, также в подводном комплексе, что продлит срок службы подводного комплекса. Последующий возврат плавучего комплекса в свое исходное положение заставит вернуться в исходное положение и соединительный элемент по изобретению. Надводное судно и часть райзера, расположенная между соединительным элементом по изобретению и надводным судном, имеют значительную массу и поэтому легко вернут соединительный элемент в его нейтральное положение, преодолев усилие, создаваемое силовыми средствами соединительного элемента. Райзер, как правило, будет связан также с системой создания натяжения, размещенной на плавучем комплексе, который может являться плавучей платформой, надводным судном или аналогичным объектом.

Согласно изобретению соединительный элемент, связывающий между собой две части райзера, содержит силовые средства (силовые элементы), создающие описанным образом изгибающие усилия, приложенные к двум частям райзера или к двум концам соединительного элемента. В результате при угловом смещении относительно нейтрального положения в зоне соединения или между двумя концами соединительного элемента силовые средства будут стремиться увеличить это смещение. Таким образом, будет создан райзер, в котором соединительный элемент используется для ослабления изгибающих напряжений в зоне присоединения райзера к подводному комплексу.

Согласно одному аспекту изобретения силовые средства (силовые элементы) могут содержать систему, по меньшей мере, с одним упругим элементом, например, по меньшей мере, с одной спиральной пружиной. В одном варианте пружина устанавливается между присоединительными средствами силовых элементов в растянутом состоянии. В другом варианте пружина может быть установлена в сжатом состоянии. Может использоваться одна пружина, охватывающая соединительный элемент, или, по меньшей мере, три отдельные пружины, распределенные по боковой поверхности соединительных элементов. Альтернативно, между двумя частями райзера может иметься, по меньшей мере, один пружинный эллиптический соединительный элемент, выполняющий также функцию гибких средств. Упругие элементы или пружины могут быть сконфигурированы, как линейные или нелинейные элементы для создания усилия.

Согласно другому аспекту силовые средства могут содержать систему с группой, по меньшей мере, из трех гидроцилиндров, распределенных по боковой поверхности райзера. Согласно этому аспекту может иметься система управления, регулирующая подачу гидравлической жидкости в гидроцилиндры в зависимости от относительного положения двух частей райзера. Альтернативно, силовые средства могут быть сконфигурированы, как пассивная система с аккумулятором. Гидроцилиндры могут быть шарнирно связаны с присоединительными средствами, прикрепленными к концам соединительного элемента, причем оси их перемещения будут параллельны направлению движения флюида в канале, проходящем через соединительный элемент, перпендикулярными направлению этого движения или, по существу, лежащими на воображаемом конусе, охватывающем гибкие средства соединительного элемента.

Согласно еще одному аспекту силовые средства могут содержать систему с магнитами, расположенными вокруг частей райзера. В одном варианте эти магниты могут являться электромагнитами, причем может иметься источник электрической энергии, регулируемый системой управления в зависимости от относительного положения двух частей райзера. В другом варианте могут использоваться постоянные магниты или сочетание магнитов различных типов.

В соответствии с одним аспектом изобретения силовые средства могут составлять интегральную часть соединительного элемента райзера или являться его отдельными частями, съемно прикрепляемыми к соединительному элементу. Тем самым обеспечивается возможность снабдить известный соединительный элемент райзера силовыми средствами с формированием соединительного элемента согласно изобретению.

Рассмотренные признаки можно комбинировать; еще одна возможность состоит в создании соединительного элемента, содержащего, по меньшей мере, трубный сегмент с постоянным изгибом, расположенный между двумя шарнирами, которые образуют средства присоединения к райзеру на двух концах соединительного элемента. За счет взаимных перемещений шарниров и изогнутых трубных сегментов обеспечивается возможность обеспечить и регулировать различные взаимные угловые положения частей соединительного элемента и, тем самым, изгибающие моменты, имеющие место в соединительном элементе, и, следовательно, увеличивать изгибающее усилие, приложенное к соединительному элементу в результате углового смещения в райзере. Изогнутые трубные сегменты и шарниры образуют в этом варианте гибкие средства соединительного элемента по изобретению. Шарниры могут управляться двигателями, снабженными шестернями, с обеспечением управления движением изогнутого трубчатого сегмента относительно остальной части райзера. Данные элементы образуют силовые средства, связанные с концами соединительного элемента через шарниры.

Согласно другому аспекту силовые средства, которые содержат создающие усилия силовые элементы, такие, например, как пружины, гидроцилиндры или магниты, могут быть ориентированы под углом к каналу для флюида, проходящему через соединительный элемент, т.е. по конусу, охватывающему этот элемент. Благодаря такому расположению силовых элементов обеспечивается система, формирующие усилие, зависящее от смещения. Имеется также возможность снабдить соединительный элемент силовыми средствами, соответствующими сочетанию различных описанных вариантов.

Изобретение относится также к райзеру, установленному между плавучим комплексом, и комплексом, зафиксированным относительно морского дна, и содержащему описанный соединительный элемент согласно изобретению.

Кроме того, изобретение относится к способу уменьшения изгибающих моментов в райзере, в зоне его прикрепления к подводному комплексу.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение будет описано со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг.1 представлена известная райзерная система.

На фиг.2 представлена схема сил, действующих на райзер.

На фиг.3 приведен график изгибающих моментов.

На фиг.4 приведена схема, иллюстрирующая принцип изобретения.

На фиг.5 представлен первый вариант изобретения.

На фиг.6 представлен второй вариант изобретения.

На фиг.7 представлен третий вариант изобретения.

На фиг.8 представлен четвертый вариант изобретения.

На фиг.9 представлен пятый вариант изобретения

На фиг.10 представлен шестой вариант изобретения.

На фиг.11 представлен седьмой вариант изобретения.

На фиг.12 представлен восьмой вариант изобретения.

На фиг.13 приведены графики, иллюстрирующие изменения изгибающего момента, действующего на устьевое оборудование, при трех различных конфигурациях райзера.

Осуществление изобретения

На фиг.2 представлена упрощенная схема части райзерной системы, показанной на фиг.1. Гибкий соединительный элемент 20 установлен между райзером 24 и устьевым оборудованием 14. В типичном случае этот соединительный элемент находится на расстоянии (высоте) Н от устьевого оборудования 14 до оси соединительного элемента. Райзер может также рассматриваться как содержащий две части, связанные посредством гибкого соединительного элемента. Когда райзер находится под натяжением, на устьевое оборудование действует направленная вверх сила. Если райзер наклонен под углом , сила F_R натяжения райзера раскладывается на вертикальную и горизонтальную составляющие. Должно быть понятно, что, если райзер расположен вертикально, горизонтальная составляющая равна нулю, но по мере возрастания его наклона возрастает также и горизонтальная составляющая. Эта составляющая будет создавать на устьевом оборудовании изгибающий момент, описываемый следующей формулой:

M_WH=F_R,h×H+k × ,

где

H - высота точки изгиба оси соединительного элемента над устьевым оборудованием;

- суммарный угол изгиба соединительного элемента;

F_R - сила натяжения райзера в точке изгиба оси соединительного элемента;

F_R,h - горизонтальная составляющая F_R;

k - жесткость соединительного элемента на изгиб.

На фиг.3 приведен график для одного из решений данного уравнения, иллюстрирующий кривую изгибающего момента M_WH в зависимости от изменения жесткости k соединительного элемента на изгиб. Из графика видно, что даже при нулевом значении k соединительного элемента (соответствующем идеальному соединительному элементу, не имеющему трения или жесткости) все же существует изгибающий момент M_WH, действующий на устьевое оборудование (поскольку график пересекает ось Y на некотором расстоянии от оси X). Как видно из графика, изгибающие моменты, действующие на устьевое оборудование, будут увеличиваться при увеличении жесткости соединительного элемента на изгиб. График также показывает, что наименьший момент, приложенный к устьевому оборудованию, достигается при отрицательной жесткости соединительного элемента, установленного между двумя частями райзера. Проведенное теоретическое рассмотрение показывает, что создание гибкого соединительного элемента с отрицательной "жесткостью" позволило бы создать устройство, минимизирующее момент сил, действующих на устьевое оборудование. Желательный эффект в отношении устьевого оборудования достигается в некотором интервале отрицательных значений жесткости k гибкого соединительного элемента. Действительно, из фиг.3 можно видеть, что график имеет минимум, близкий к нулевому значению изгибающего момента M_WH на устьевом оборудовании, при отрицательном значении жесткости k соединительного элемента. При этом из графика следует, что при увеличении абсолютных значений отрицательной жесткости k гибкого соединительного элемента снова происходит возрастание изгибающего момента на устьевом оборудовании. В связи с изложенным возникает желание изменить жесткость соединительного элемента, устанавливаемого между двумя частями райзера, из положительной на отрицательную. Это приведет к уменьшению суммарного динамического/статического изгибающего момента, действующего на устьевое оборудование при выполнении подводных операций.

Согласно изобретению данная задача решена с помощью устройства, создающего усилие, воздействующее на обе части райзера, сопрягаемые посредством соединительного элемента, и тем самым обеспечивающего отрицательную жесткость в соединительном элементе между двумя частями райзера. Схема, приведенная на фиг.4, иллюстрирует принцип изобретения. Элемент, создающий усилие (далее - силовой элемент) закреплен между точкой, лежащей ниже гибкого соединительного элемента, и точкой, лежащей выше этого элемента, т.е. он прикреплен к двум частям райзера на некотором расстоянии от соединительного элемента. Наличие силового элемента создает ситуацию, в которой при наличии угла изгиба, превышающего нулевое значение, силовой элемент будет стремиться увеличить этот угол. Угол изгиба в данном случае - это угол между двумя частями райзера, выведенными из своего нейтрального положения. Вследствие наличия системы, связанной с райзером в зоне судна, судно будет противодействовать угловому смещению одной части райзера относительно другой его части, причем в данной ситуации гибкий соединительный элемент проявляет "отрицательную" жесткость. Возможность создания гибкого соединительного элемента с отрицательной жесткостью при наклоне будет устранять или ослаблять влияние изгибающих моментов, возникающих при взаимных наклонах частей райзера, как это показывает следующая формула:

M_FJ=F× ,

где

=L/2×sin( /2);

F=P-(k×L-k*L*cos( /2))=P-k×L(1-cos( /2);

M_FJ - изгибающий момент, создаваемый гибким соединительным элементом;

F - усилие, создаваемое пружиной;

- расстояние от центра пружины до оси поворота гибкого соединительного элемента;

- суммарный угол наклона гибкого соединительного элемента;

L - длина пружины при нейтральном положении гибкого соединительного элемента, т.е. при =0 (варьируемая);

P - предварительная нагрузка на пружину (варьируемая);

k - жесткость пружины на растяжение (варьируемая).

На фиг.5 показан первый вариант изобретения, в котором силовые средства (т.е. силовые элементы) для изгибающегося райзера содержат механическую пружину 50. Термины "силовые элементы" и "силовые средства" используются в данном описании как эквивалентные. Гибкий соединительный элемент известен специалистам в соответствующей области; поэтому на фиг.5 он изображен весьма схематично. Данный элемент может, например, относиться к типу, описанному в US 5951061, т.е. содержать шаровой компонент 55, перемещающийся относительно сферической опоры 56 и несущий резиновые детали, которые воспринимают усилие, возникающее при изгибе. Верхний конец 52 данного элемента может быть прикреплен к райзеру 24, связанному с надводным судном и, следовательно, отслеживающему его движения, а нижний конец 58 - к соединительному элементу 20, показанному на фиг.1, и, следовательно, практически неподвижному относительно морского дна. В любом случае, гибкий соединительный элемент может устанавливаться между двумя частями райзера, между которыми предусматривается наличие наклона. Под наклоном (отклонением от нейтрального углового положения) следует понимать наличие угла между продольными осями двух частей райзера или части райзера, связанной с судном, и частью трубопровода, идущего от скважины вверх до гибкого соединительного элемента. Такая часть трубопровода также может рассматриваться как часть райзера, соединяющего скважину с судном. К первому (верхнему) концу 52 райзера и ко второму (нижнему) его концу 58 прикреплены соответственно первый и второй опорные фланцы (держатели пружины) 60, 62. Из фиг.5 видно, что положение нижнего опорного фланца 62 относительно второго конца 58 можно регулировать посредством гайки 64. Альтернативно, можно прикрепить первый опорный фланец 60 к первой части райзера с возможностью регулирования его положения или прикрепить, с возможностью регулирования положения, к соответствующим концам 52, 58 оба опорных фланца 60, 62. Такое выполнение позволяет регулировать предварительное натяжение пружины в соответствии с усилием, которое требуется приложить к гибкому соединительному элементу в зависимости от конкретного применения. Опорные фланцы 60, 62, выступающие в радиальном направлении относительно соответствующих частей райзера, имеют кольцевую форму. У каждого из опорных фланцев 60, 62 имеется также канавка 61, 63. Как показано на фиг.5, каждая из канавок 61, 63, выполненных соответственно на опорных фланцах 60, 62, обращена от другой канавки, т.е. от того опорного фланца, в котором выполнена другая канавка. Возможна и другая конфигурация, в которой канавки обращены одна к другой. В держателях пружин (т.е. в опорных фланцах) предусмотрены гидростатические подвески 66, 67 соответственно. Каждая из этих подвесок снабжена цилиндрическим гибким элементом в форме кольца, изготовленным, например, из резины. Внутренний объем гибкого элемента заполнен текучей средой, предпочтительно несжимаемой. Каждый гибкий элемент, образующий гидростатическую подвеску 66, 67, помещен в канавку 61, 63 соответствующего опорного фланца 60, 62. Имеются также концевые части 68, 69 в форме дисковидных элементов в составе пружины 50, которые поддерживаются гибкими элементами 66, 67. Благодаря такому выполнению концевые части 68, 69 могут занимать угловое положение, отличное от поперечного относительно продольной оси соответствующей части райзера, т.е. отличное от положения, параллельного радиальному направлению опорных фланцев. Каждый опорный фланец 60, 62 расположен, по существу, под прямым углом к продольной оси той части райзера, к которой он прикреплен.

Натяжение пружины определяется выполняемой ею функцией. При этом, когда верхний конец 52 смещается из соосного положения, ось пружины также перестает быть соосной оси райзера. Это приводит к созданию несимметричного усилия, которое будет стремиться еще больше сместить райзер относительно соосного положения. Чтобы ограничить угол изгиба, может быть предусмотрен стопор.

В качестве альтернативы, пружина может быть заменена бистабильным элементом из резины, выполняющим ту же функцию.

На фиг.6 представлен второй вариант устройства для создания усилия, приложенного к соединительному элементу. Сходные части имеют те же обозначения, что и на фиг.5. Между двумя опорными фланцами 60, 62 установлена группа гидроцилиндров 70, 71, 72, причем каждый поршень 73 гидроцилиндра соединен со штоком 74, прикрепленным к одному опорному фланцу, в данном варианте к опорному фланцу 60, тогда как сам гидроцилиндр прикреплен к другому опорному фланцу 62. Поршень 73 может совершать возвратно-поступательные перемещения в гидроцилиндре (например в гидроцилиндре 72), который разделен поршнем на две камеры. Каждая камера 75, 76 соединена с гидравлической линией для подачи гидравлической жидкости под давлением в одну или в другую камеру с целью регулирования усилия, прилагаемого гидроцилиндром к гибкому соединительному элементу. Гидравлические линии подсоединены к источнику 77 гидравлической жидкости, причем подача этой жидкости в различные камеры группы гидроцилиндров управляется посредством блока 78 управления. Система содержит также датчики для измерения суммарного угла 9 наклона райзера, а также передатчики давления и температуры, обычно используемые в системах управления. При работе системы производятся измерения угла и направления наклона, так что, когда райзер начинает изгибаться, блок управления обеспечит подачу гидравлической жидкости в камеру над поршнем, чтобы увеличить угол изгиба.

Чтобы предотвратить их чрезмерный изгиб, поршни и гидроцилиндры предпочтительно прикреплены к опорным фланцам посредством гибких связей.

В представленной системе используются три гидроцилиндра, равномерно распределенные вокруг райзера. Однако может иметься и иное их количество, обеспечивающее желаемый результат. Кроме того, специалистам будет очевидно, что крепление поршней и гидроцилиндров может быть иным: поршень может быть связан с нижним опорным фланцем 62, а гидроцилиндр - с верхним опорным фланцем 60. Должно быть также очевидно, что жидкость под давлением может подаваться в более чем один гидроцилиндр для достижения увеличенного угла наклона. Как показано на фиг.6, между гидроцилиндрами 72 и внутренней полостью 54 райзера может иметься соединительная линия 79, проходящая через соединительный элемент. С ее помощью можно компенсировать силовой элемент в отношении давления внутри райзера и тем самым обеспечить возможность регулирования силового элемента и развиваемых им усилий, действующих на части райзера, независимо от давления во внутренней полости 54.

На фиг.7 представлен третий вариант изобретения. В этом случае желательное функционирование обеспечивается использованием электромагнитов. Может быть использовано любое количество магнитов, распределенных равномерно вокруг соединительного элемента. Каждый электромагнит состоит из двух магнитов 82, 84, обращенных друг к другу соответственно положительным и отрицательным полюсами и прикрепленных соответственно к верхнему и нижнему опорным фланцам 60, 62. К электромагнитам проложены кабели 86 от источника 87 электрической энергии и блока 80 управления. При подаче энергии на электромагниты они будут притягиваться друг к другу, причем, как известно, притяжение магнитов пропорционально расстоянию между ними. Система, следовательно, сконфигурирована таким образом, что, когда райзер начинает наклоняться в одну сторону, магнит (магниты) на этой стороне будут взаимно сближаться, увеличивая тем самым изгиб гибкого соединительного элемента. Это увеличит силу притяжения и, соответственно, усилие для увеличения угла. Следует также отметить, что путем изменения полярности магнитов можно зафиксировать соединительный элемент в стабильной (например соосной) конфигурации.

На фиг.8 представлен четвертый вариант изобретения. В этом варианте первый райзерный сегмент 90 прикреплен согласно изобретению к соединительному элементу посредством первого шарнирного средства 93A, к противоположной стороне которого прикреплен первый изогнутый трубный сегмент 94A. Поскольку этот сегмент изогнут, его первый конец не будет соосен его второму концу. Посредством второго шарнирного средства 93B к первому изогнутому трубному сегменту 94A прикреплен второй изогнутый трубный сегмент 94B. Этот сегмент 94B прикреплен посредством третьего шарнирного средства 93C ко второму райзерному сегменту 92. Относительное перемещение изогнутых трубных сегментов 94A, 94B управляется посредством двигателей 95, снабженных шестернями 96. С помощью управляемого перемещения шарнирных средств обеспечивается создание принудительно изгибающего усилия, действующего на соединительный элемент.

На фиг.9 представлен пятый вариант изобретения. Этот вариант аналогичен варианту по фиг.6. Особенность этого варианта состоит в том, что блоки гидроцилиндр/шток 102 поршня расположены так, что их оси пересекают ось соединительного элемента в нейтральном положении. Каждый такой блок связан посредством шарнирных соединений 104, 103 с первым стержнем 101 и со вторым, по существу, L-образным стержнем 100, дистальный конец которого расположен, по существу, радиально с наружной стороны первого стержня 101. Стержни 100, 101 присоединены к соответствующим концам 52, 58 соединительного элемента.

Аналогичная система используется в шестом варианте, представленном на фиг.10. Однако в этом варианте шток 102 поршня связан с опорой 105, способной перемещаться по сферической поверхности 106.

На фиг.11 представлен седьмой вариант изобретения. В этом варианте гибкие средства, имеющиеся между концами 110a, 110b соединительного элемента, образованы не шаровым сопрягающим элементом или изогнутыми трубными сегментами (описанными выше применительно к другим вариантам), а сегментом 110 гибкой трубы. Сегмент 110 гибкой трубы соединен с несущими элементами 111 и 112, расположенными на концах соединительного элемента. Из фиг.11 видно, что силовые средства 113, 114 в этом варианте являются блоками гидроцилиндр/поршень. Однако можно скомбинировать сегмент 110 гибкой трубы и с другими вариантами силовых средств, описанными применительно к варианту с шаровым сопрягающим соединительным элементом.

Фиг.12 иллюстрирует другой вариант изобретения. В этом варианте каждое из силовых средств, выполненных в виде спиральных пружин 50, закреплено одним своим концом ближе к оси соединительного элемента, чем другим своим концом. При таком расположении суммарное усилие, создаваемое системой, зависит от поперечного смещения первого конца 52 соединительного элемента относительно его второго конца 58. Подобное расположение силовых средств можно реализовать и для силовых средств, описанных применительно к другим вариантам.

На фиг.13 приведена диаграмма, иллюстрирующая в графической форме расчетное изменение во времени изгибающего момента, воздействующего на устьевое оборудование для райзера высотой 150 м (RAO 16,9817) с гибкими соединительными элементами различных типов. На диаграмме представлены три кривые: одна соответствует отсутствию у райзера гибкого соединительного элемента (это график с наибольшими вариациями изгибающего момента). Вторая кривая, соответствующая теоретически идеальному гибкому соединительному элементу, характеризуется меньшими значениями изгибающего момента, чем при отсутствии каких-либо гибких соединительных элементов. Третья кривая относится к райзеру с соединительным элементом согласно изобретению, рассматриваемым как гибкий соединительный элемент с отрицательной жесткостью, поскольку данный соединительный элемент стремится увеличить изгиб, как только соединительный элемент начинает изгибаться. Можно видеть, что значения изгибающего момента не равны нулю, но амплитуды этого момента существенно уменьшены.

Хотя изобретение было рассмотрено на примере нескольких вариантов, специалисту будет понятно, что в них могут быть внесены различные изменения и модификации, не выходящие за пределы изобретения, определяемые прилагаемой формулой. Например, может оказаться желательным обеспечить функцию закрепления системы, чтобы система вела себя, как жесткий стержень, т.е. превратить гибкий соединительный элемент в жесткий соединительный элемент. Может также оказаться желательным использовать такой тип гибкого соединительного элемента, который не оказывает сопротивления изгибу, например шаровой соединительный элемент.