Результат интеллектуальной деятельности: Соединительный узел райзера

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к соединительному узлу райзера для соединения отдельных вертикальных соединений в морских нефтегазовых установках. Более конкретно, настоящее изобретение относится к соединительной системе райзера, которая может применяться в системах доступа в скважину и в противовыбросовом оборудовании буровых системах.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Соединительный узел райзера предполагается применять для проведения монтажа и демонтажа звеньев райзера, соединения звеньев райзера, заканчивания и капительного ремонта скважин, технического обслуживания скважин, звеньев морского райзера или морской водоотделяющей колонны, а также на адаптерах оборудования, соединяемого с райзером в вышеуказанных системах.

Из уровня техники известны источники, раскрывающие различные конструкции соединительного узла райзера. В частности, в источнике US 10041618, опубл. 07.08.2018 г., описан соединительный узел райзера, соединяющий первое звено райзера со вторым звеном райзера. Известный соединительный узел содержит множество зажимных сегментов, которые распределены по периметру конца второй трубы и имеют соединенную часть и подвижную часть, при этом соединенная часть и подвижная часть имеют сегментные зажимные профили, обращенные к трубным зажимным профилям, при этом подвижная часть выполнена с возможностью поворота вокруг поворотной части в радиальном направлении между внутренним зажимным положением и наружным свободным положением; упорную втулку, расположенную по периферии второй трубы и имеющую упор, выступающий в осевом направлении, под которым находится участок соединенной части зажимных сегментов и под которым расположена поворотная часть; зажимную втулку, расположенную по периферии первой трубы и имеющую упор, выступающий в осевом направлении, под которым расположен участок подвижной части зажимных сегментов, когда зажимные сегменты находятся в зажимном положении.

Недостатками известного соединителя являются, в первую очередь, сложность конструкции и сложность использования известного соединительного узла.

Кроме того, из уровня техники известен источник US 4265470, опубл. 05.05.1981 г., раскрывающий соединительный узел для соединения двух секций труб райзера, содержащий цангу, окружающий указанные секции и зацепляющий заплечик на одной из упомянутых секций, и имеющую множество лепестков с внутренними выступами, взаимодействующими с внешними выступами на другой секции, при этом соединительный узел достаточно предварительно загружен. Стопорное кольцо и запирающая гайка используются для удержания цанги пальцев в положении зацепления. При этом секция трубы райзера, относительно которой обеспечено зацепление цанги, имеет резьбу. Кроме того, соединительный узел согласно US 4265470 содержит запирающую гайку, имеющую резьбу на своей внутренней поверхности, которой она входит в зацепление с резьбой на секцию трубы райзера, относительно которой обеспечено зацепление цанги. Когда цанга входит в зацепление с секцией трубы на ее лепестки одевают стопорное кольцо, на резьбу на секции трубы одевают запирающую гайку для удержания лепестков цанги в таком положении.

Таким образом, в известном источнике US 4265470 раскрыты следующие признаки, совпадающие с признаками предлагаемого технического решения: цанга и запирающая гайка. Источник US 4265470 B принят в качестве ближайшего аналога.

В аналоге US 4265470 узел соединения для соединения звеньев райзера, резьбовое соединение между гайкой и секцией трубы по сути обеспечивает соединение секций труб между собой и поэтому испытывает наибольшие при проведении операций с райзерами, что ведет к появлению концентрации напряжений в этой зоне, а, следовательно, к возможному риску повреждения данного соединения в ходе эксплуатации. Одним из существенных недостатков решения, известного из US 4265470, является то, что резьбовое соединение между гайкой и секцией трубы подвергается нагрузкам, таким как изгибающий момент райзера и общий вес райзера.

Известен также источник US 4662785, опубл. 05.05.1987 г., в котором раскрыт соединительный узел райзера, используемого в системе подводной добычи углеводородов, содержащий цангу, полное зацепление которой достигается за счет того, что наружная стопорная втулка надвигается на лепестки цанги по резьбе, имеющейся между цангой и стопорной втулкой.

Общими недостатками для существующих аналогов является необходимость использования специального инструмента (слайдера) для соединения и вывода из соединения звеньев райзера, что может привести к рискам в случае отсутствия или выхода из строя специального инструмента.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является обеспечение соединительного узла для соединения обращенных друг к другу и коаксиально расположенных концов труб с обеспечением надежного соединения. Другие полезные решенные задачи раскрыты в приведенном ниже общем описании и в подробном описании вариантов осуществления.

Согласно одному варианту осуществления предлагается соединительный узел райзера для герметичного соединения первого звена райзера и второго звена райзера, имеющих по существу круглые поперечные сечения, содержащий соосно расположенные первую соединительную секцию, выполненную как одно целое с первым звеном райзера, вторую соединительную секцию, выполненную как одно целое со вторым звеном райзера, гайку, установленную на второй соединительной секции второго звена райзера; запирающую втулку, установленную на второй соединительной секции второго звена райзера, цангу, установленную между второй соединительной секцией второго звена райзера и запирающей втулкой; причем гайка и запирающая втулка соединены между собой резьбовым соединением с обеспечением возможности вращения гайки относительно запирающей втулки, а запирающая втулка выполнена с возможностью поступательного перемещения относительно продольной оси звеньев райзера при вращении гайки, цанга выполнена с возможностью герметичного соединения первой соединительной секции и второй соединительной секции между собой при указанном поступательном перемещении запирающей втулки.

На стыкующихся концах первой соединительной секции и второй соединительной секции могут быть образованы соответственно первый периферический выступ и второй периферический выступ, имеющие одинаковый диаметр.

Вторая соединительная секция может иметь третий периферический выступ, на котором образована площадка, и диаметр, увеличивающийся в направлении от второго периферического выступа к третьему периферическому выступу.

Соединительный узел райзера может содержать шайбу, выполненную с возможностью установки на площадке третьего периферического выступа, причем гайка выполнена с возможность установки на шайбе.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в обеспечении возможности быстрого и надежного соединения секций райзера.

Обычно наличие резьбового соединения, несущего большие нагрузки при проведении операций с райзерами, ведет к появлению концентрации напряжений в этих зонах, что ведет к возможному повреждению соединительного узла в ходе эксплуатации. В предлагаемом техническом решении резьбовое соединение не подвергается нагрузкам, таким как изгибающий момент райзера, общий вес райзера, за счет использования комбинации, включающей цангу, гайку и установленную между ними запирающую втулку, выполненную с возможностью поступательного перемещения при вращении гайки и поджимания цанги к состыкованным секциям райзера. Благодаря этому нагрузка, например, от изгиба райзера перераспределена на цангу и затем на запирающую втулку и резьбу, соединяющую запирающую втулку и гайку.

Дополнительно достигается возможность соединения и вывода из соединения звеньев райзера при помощи обычных инструментов в случае поломки/ отсутствия специализированного инструмента (спайдера).

В контексте настоящего описания слова «первый», «второй», «третий» и т.д. используются в виде прилагательных исключительно для того, чтобы отличать существительные, к которым они относятся, друг от друга, а не для целей описания какой-либо конкретной связи между этими существительными. Так, например, следует понимать, что использование терминов «первый выступ» и «третий выступ» не подразумевает какого-либо порядка или последовательности между выступами, равно как и их использование (само по себе) не предполагает, что некий «второй выступ» обязательно должен существовать в той или иной ситуации.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Далее следует подробное описание предлагаемого изобретения со ссылками на чертежи, где

на Фиг. 1 изображен вид в поперечном сечении соединительного узла райзера в открытом положении;

на Фиг. 2 изображен вид в поперечном сечении соединительного узла райзера в первом промежуточном положении;

на Фиг. 3 изображен вид в поперечном сечении соединительного узла райзера во втором промежуточном положении;

на Фиг. 4 изображен вид в поперечном сечении соединительного узла райзера в закрытом положении.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На Фиг. 1 схематично изображен соединительный узел райзера 1 согласно неограничивающему варианту осуществления изобретения. Узел райзера 1 предназначен для герметичного соединения первого звена 2 райзера и второго 3 звена райзера. Звенья райзера 2, 3 представляют собой трубы по существу круглого поперечного сечения.

Каждое звено 2, 3 райзера содержит первую соединительную секцию 4, выполненную как одно целое с первым звеном 2 райзера, и вторую соединительную секцию 5, выполненную как одно целое со вторым звеном 2 райзера. В месте стыка первой соединительной секции 4 и второй соединительной секции 5 на стыкующихся концах секций образованы соответственно периферические первый выступ 6 и второй выступ 7 одинакового диаметра.

Первая соединительная секция 4 является ответной частью для второй соединительной секции 5, а вторая соединительная секция 5 имеет сложную конфигурацию и переменный диаметр, который увеличивается в направлении от второго периферического выступа 7 до третьего периферического выступа 8, имеющего наибольший диаметр. Таким образом, диаметр D1 первого периферического выступа 6 равен диаметру D2 второго периферического выступа 7, а диаметр D3 третьего периферического выступа 8 превышает диаметры D1 и D2. На третьем периферическом выступе со стороны, обращенной к первой секции имеется площадка 9, также проходящая периферически, то есть по всей окружности третьего периферического выступа 8. На площадке 9 установлена шайба 10 для размещения гайки 11, при этом шайба выступает относительно площадки 9 по всей периферии, а гайка 11 имеет выступ 12, диаметр которого превышает диаметр гайки 11 в целом в той части, где гайка 11 опирается на шайбу 10.

Гайка 11 установлена на шайбе 10 таким образом, что периферически проходит по наружному краю шайбы 10, при этом край шайбы 10 и выступ 12 гайки 11 имеют приблизительно одинаковый диаметр, благодаря чему гайка 11 закреплена относительно шайбы 10 посредством кольцеобразной скобы 13, охватывающей по периферии край шайбы 10 и выступ 12 гайки 11. Гайка 11 установлена относительно шайбы 10 и скобы 13 без натяга для обеспечения вращения гайки 11 относительно продольной оси райзера 1.

Как понятно из вышеприведенного описания и чертежа гайка 11 установлена на второй соединительной секции 5, там же установлена запирающая втулка 14 и цанга 15. Цанга 15 установлена между второй соединительной секцией 5 и запирающей втулкой 14. Гайка 11 и запирающая втулка 14 соединены между собой резьбовым соединением с обеспечением возможности вращения гайки относительно запирающей втулки 14. Внутренняя часть гайки 11 снабжена резьбой, а ответная резьба имеется на наружной части запирающей втулки 14 (резьбы на чертежах не показаны).

Внутренние части лепестков 16 цанги 15 выполнены с первым углублением 17, имеющим форму, соответствующую форме состыкованных первого периферического выступа 6 и второго периферического выступа 7. Согласно неограничивающему варианту осуществления формой состыкованных выступов 6, 7 является форма торообразной и выпуклой, а формой углублений лепестков 16 цанги 15, соответственно, является вогнутой. Однако, специалисту очевидно, что это может быть и другая подходящая форма.

Как уже было упомянуто выше по тексту, вторая соединительная секция 5 имеет сложную конфигурацию и переменный диаметр. Согласно неограничивающему варианту осуществления вторая соединительная секция 5 имеет один цилиндрический участок, проходящий от первого периферического выступа 6 на некоторое расстояние, и затем переходящий в относительно плавный изгиб с увеличением диаметра от первого периферического выступа 6 до площадки 9, причем этот переход соответствует конфигурации внутренней части цанги 15 в зоне ее основания 18. Как видно из чертежей внутренняя часть цанги 15 также имеет плавный изгиб, соответствующий изгибу второй соединительной секции 5.

Наружная поверхность лепестков 16 цанги 15 имеет незначительное углубление 19 в том месте, где запирающая втулка 14 оказывает давление на лепестки 16 цанги 15. В основании 18 цанга 15 имеет плавный изгиб, соответствующий плавному изгибу второй соединительной секции 5 в зоне перехода от диаметра D2 к диметру D3.

Кроме того, форма наружной поверхности основания 18 цанги 15 соответствует форме внутренней поверхности запирающей втулки 14 в зоне контакта их друг с другом. Наружная поверхность цанги 15 в зоне контакта с запирающей втулкой 14 имеет первую коническую поверхность 20 с первым углом конусности и затем переходит во вторую коническую поверхность 21, которая проходит от основания 18 цанги до второго углубления 19. Первая коническая поверхность 20 и вторая коническая поверхность 21 наклонены в разные стороны.

Внутренняя поверхность запирающей втулки 14 на одном ее конце в зоне контакта с основанием 18 цанги 15 также имеет третью коническую поверхность 22 с третьим углом конусности, которая переходит в четвертую коническую поверхность 22 с четвертым углом конусности. Первая коническая поверхность 20 наружной поверхности цанги 15 в ходе эксплуатации контактирует с третьей конической поверхностью 22 внутренней поверхности запирающей втулки 14 и цилиндрическая поверхность 21 наружной поверхности цанги 15 в ходе эксплуатации контактирует с четвертой конической поверхностью 22 внутренней поверхности запирающей втулки 14. Аналогично цанге 15, у запирающей втулки 14 третья коническая поверхность 22 и четвертая коническая поверхность 23 наклонены в разные стороны.

Запирающая втулка 14 на своей внутренней стороне имеет четвертый периферический выступ 24 на другом ее конце, противоположном тому, где имеется третья коническая поверхность 22. Четвертый периферический выступ 24 предназначен для контакта с углублением 29 в наружной поверхности лепестков 16 цанги 15 в ходе эксплуатации соединительного узла райзера.

Соединительный узел райзера функционирует следующим образом.

На первое звено 2 райзера 1 подвешивают, например, на подвесной пластине или подвесном ключе в роторном столе буровой платформы или судна (на чертежах не проиллюстрировано). Первое звено 2 райзера спускают на элеваторе буровой вышки в вертикальном положении. Таким образом, первое звено 2 райзера опускают до стыковки ее первой соединительной секции 4 со второй соединительной секцией 5 их периферическими выступами 6, 7. Поверхности контакта первой соединительной секции 4 со второй соединительной секцией 5 изображены стрелками на Фиг. 1.

При вращении гайки 11 запирающая втулка 14 перемещается поступательно вверх и оказывает давление на лепестки 16 цанги 15, которые под действием этого давления смыкаются на первом состыкованных первом периферическом выступе 6 и втором периферическом выступе 7, охватывая их. Таким образом, при вращении гайки 11 внутренняя поверхность запирающей втулки 14 поджимает лепестки 16 цанги 15, что приводит к запиранию лепестков цанги 15 на второй соединительной секции 5 второго звена райзера и на ответной первой соединительной секции 4 первого звена 2 райзера.

На Фиг. 1 изображен соединительный узел в открытом положении. В этом положении запирающая втулка 14 контактирует своей третьей конической поверхностью 22 с первой конической поверхностью 20 цанги 15 по незначительной площади.

На Фиг. 2-4 проиллюстрировано как последовательно достигается закрытое положение предлагаемого соединительного узла райзера. На Фиг. 2 видно, что площадь контакта третьей конической поверхности 22 с первой конической поверхностью 20 увеличилась и посредством запирающей втулки 14 к лепесткам 16 цанги 15 было приложено достаточное давление для подведения лепестков 16 к первому и второму периферическим выступам 6, 7. При этом четвертый периферический выступ 24 запирающей втулки приближается ко второму углублению 19 на наружной стороне каждого лепестка 16 цанги 15.

На Фиг. 3 видно, что третья коническая поверхности 22 полностью контактирует с первой конической поверхностью 20, при этом под действием давления, которое оказывает запирающая втулка 14 на основание 18 цанги 15 в зоне первой конической поверхности, лепестки цанги 15 максимально приближаются и состыковываются с первым и вторым периферическими выступами 6, 7.

На Фиг. 4 проиллюстрировано полностью закрытое положение соединительного узла райзера. В этом положении запирающая втулка 14 контактирует частью своей четвертой конической поверхности 23 со второй конической поверхностью 21 цанги 15. При этом под действием давления, которое оказывает запирающая втулка 14 на вторую коническую поверхность 21 лепестки 16 цанги 15 поджимаются к состыкованным первому и второму периферическому выступам 6, 7. При этом запирающая втулка 14 значительно выдвигается вверх относительно гайки 11. Для наглядности на Фиг. 4 стрелками показаны поверхности контакта первого звена 2 райзера и второго звена 3 райзера.

Закрытие и открытие предлагаемого соединительного узла могут осуществлять как с использованием специального инструмента, аналогичного спайдеру, так и при помощи гаечного ключа, например, в случае отсутствия специального инструмента на буровой платформе или в случае его выхода из строя.

Сборка соединительного узла райзера 1 осуществляют в следующей последовательности. На площадку 9 устанавливают шайбу 10, затем цангу 15 размещают вокруг второй соединительной секции, затем вокруг цанги 15 размещают запирающую втулку 14 с накрученной на нее гайкой 11. Затем гайку 11 и шайбу 10 скрепляют по периферии кольцеобразной скобой 13, в результате чего гайка 11 остается закрепленной относительно шайбы 10 во время вращения относительно оси звеньев райзера, при этом запирающая втулка 14 перемещается поступательно вверх в направлении первого звена 2 райзера.

Следует понимать, что настоящее описание не предназначено для определения объема охраны предлагаемого технического решения, целью описания является обеспечение понимания предлагаемого технического решения. Описанный вариант осуществления не является исчерпывающим, и специалистам в данной области техники очевидно, что возможны и другие варианты осуществления предлагаемого технического решения.