Результат интеллектуальной деятельности: Подводный буровой модуль

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к буровым модулям, предназначенным для бурения нефтяных и газовых скважин на шельфах морей.

Известно техническое решение «Устройство и способ бурения с непрерывным вращением бура и непрерывной подачей бурового раствора» (см. патент RU 2552743 С2, МПК: Е21В 7/00, Е21В 19/16, Е21В 21/00), где буровая установка, предназначенная для бурения нефтяных и газовых скважин, содержит первую буровую машину с верхним приводом, установленную с возможностью вертикального перемещения вдоль направляющей, и вторую буровую машину, установленную между первой буровой машиной и скважиной с возможностью вертикального перемещения вдоль направляющей независимо от первой буровой машины с верхним приводом и снабженную поворотным столом, способным выдерживать вес бурильной колонны, приводом вращения, обеспечивающим непрерывное вращение бурильной колонны, и жидкостной камерой, способной обеспечивать жидкостное соединение между концом бурильной колонны и блоком подачи бурового раствора, при этом жидкостная камера снабжена отверстиями для бурильной колонны, содержащими устройства, которые могут закрывать отверстия для бурильной колонны с обеспечением непроницаемости для жидкости. Вторая буровая машина снабжена также приводным трубным ключом, который обеспечивает возможность соединения и отсоединения элемента и бурильной колонны, при этом указанный приводной трубный ключ установлен в жидкостной камере и выполнен с возможностью вертикального перемещения для соединения и отсоединения элемента и бурильной колонны.

Недостатком данного технического решения является большая высота буровой вышки, связанная с необходимостью установки верхнего привода, на неподвижную направляющую, что приводит к затруднениям при транспортировке и монтаже данной буровой установки на точке эксплуатации, вызванных большими вертикальными размерами.

Известно техническое решение «Подводный буровой модуль для использования при бурении нефтяных и газовых скважин» (патент WO 2004018826, МПК: Е21В 15/02), взятое за аналог. Согласно изобретению подводный буровой модуль установлен на дне моря, имеет открытую рамную конструкцию, буровую вышку с вертикальными направляющими для бурильной машины, подъемный механизм для перемещения бурильной машины, бурильную машину для вращения бурильной колонны, средства для соединения/отсоединения бурильных труб в процессе добавления или удаления бурильных труб в/из бурильной колонны при спускоподъемных операциях, заменяемую кассету с бурильными трубами, устройство подачи и установки бурильных труб с захватными рычагами, систему циркуляции бурового раствора. Бурильная колонна составлена из бурильных труб, соединяемых с помощью резьбовых соединений. Бурильные трубы размещены в заменяемой кассете для бурильных труб, при этом она установлена таким образом, что обеспечивает подачу и установку каждой бурильной трубы в бурильную колонну при ее монтаже или демонтаже. Передача бурильных труб между заменяемой кассетой с бурильными трубами и положением в буровой вышке обеспечена с помощью устройства подачи и установки бурильных труб с захватными рычагами.

Недостатком данного технического решения является то, что в процессе бурения подводной скважины при добавлении или удалении бурильных труб в/из бурильной колонны при спускоподъемных операциях не обеспечивается непрерывное вращение бура и непрерывная подача бурового раствора, что увеличивает вероятность аварий и осложнений при строительстве скважин, не обеспечивается герметизация открытого конца бурильной колонны при спускоподъемных операциях, что нарушает технологические и экологические требования о предотвращении попадания бурового раствора в окружающую водную среду.

Известно техническое решение «Подводный буровой модуль для бурения нефтяных и газовых скважин» (см. патент RU 2624841 С1 МПК: Е21В 15/02, Е21В 21/01), взятое за прототип. Согласно изобретению подводный буровой модуль установлен на дне моря, имеет открытую рамную конструкцию, включает буровую вышку с вертикальными направляющими для бурильной машины, подъемный механизм для перемещения бурильной машины, бурильную машину для вращения бурильной колонны, средства для соединения/отсоединения бурильных труб в процессе добавления или удаления бурильных труб в/из бурильной колонны при спускоподъемных операциях, заменяемую кассету с бурильными трубами, устройство подачи и установки бурильных труб с захватными рычагами, элементы системы циркуляции бурового раствора, устройство вытеснения окружающей водной среды в систему буровых сточных вод и бурового раствора в систему циркуляции бурового раствора, элементы системы буровых сточных вод, которые закреплены на буровой вышке.

Недостатками данного технического решения являются:

- в процессе бурения при спускоподъемных операциях при добавлении или удалении бурильных труб в/из бурильной колонны происходит остановка вращательного и поступательного движения бурильной колонны, прекращается подача бурового раствора в скважину, что увеличивает вероятность аварий и осложнений при строительстве скважин;

- большая высота буровой вышки, связанная с необходимостью установки бурильной машины, на неподвижную буровую вышку, что может привести к затруднениям при транспортировке и монтаже данного подводного бурового модуля на точке эксплуатации, вызванных большими вертикальными размерами;

- размещение заменяемых кассет на уровне устья скважины под буровой вышкой, что может привести к существенным затруднениям при их замене в процессе эксплуатации;

- наличие дополнительных механизмов, обеспечивающих подачу труб на ось скважины, что требует дополнительных мероприятий по обеспечению соосности подаваемых бурильных труб и переводника бурильной машины;

- отсутствие очистки бурильных труб от остатков бурового раствора и шлама, что может привести к нарушению экологических требований о предотвращении попадания бурового раствора в окружающую водную среду и затруднениях при возвращении бурильных труб в заменяемые кассеты;

- необходимость привлечения дополнительных технических средств для доставки, установки или замены устьевого оборудования.

Задачей изобретения является создание подводного бурового модуля, обеспечивающего:

- уменьшение высоты буровой вышки до размеров, обеспечивающих транспортировку и монтаж/демонтаж на точке эксплуатации;

- непрерывное движение бурильной колонны и циркуляция бурового раствора в процессе бурения при спускоподъемных операциях при добавлении или удалении бурильных труб в/из бурильной колонны;

- отказ от дополнительных механизмов, обеспечивающих подачу труб на ось скважины;

- размещение заменяемых кассет в зонах, обеспечивающих минимальные затруднения при их замене в процессе эксплуатации;

- очистку бурильных труб от остатков бурового раствора и шлама;

- транспортировку, установку и замену устьевого оборудования без привлечения дополнительных технических средств.

Поставленная задача достигается тем, что подводный буровой модуль содержит открытую рамную конструкцию, бурильную машину, закрепленную на буровой вышке, средства для соединения/отсоединения бурильных труб в процессе добавления или удаления бурильных труб в/из бурильной колонны при спускоподъемных операциях, заменяемые кассеты с бурильными трубами, устройство вытеснения окружающей водной среды, элементы системы буровых сточных вод и элементы системы циркуляции бурового раствора.

При этом, буровая вышка снабжена механизмом горизонтального перемещения бурильной машины, обеспечивающего возможность подачи и установки бурильных труб.

Подводный буровой модуль снабжен подъемным механизмом, служащего для вертикального перемещения буровой вышки, нижней бурильной машиной, служащей для вращения бурильной колонны, установленную между устьем скважины и бурильной машиной, неподвижной направляющей с возможностью перемещения по ней нижней бурильной машины с помощью подъемного механизма независимо от бурильной машины, поворотными столами с приводами вращения, служащими для размещения заменяемых кассет, устанавливаемыми выше уровня устья скважины, механизмом удержания, перемещения и установки устьевого оборудования на устье скважины, верхней и нижней камерами обмыва, предназначенными для очистки бурильных труб от остатков бурового раствора и шлама.

Устройство вытеснения снабжено фланцем для подачи воды или бурового раствора, для бурения или вытеснения, в нижнюю полость и установлено над нижней бурильной машиной с возможностью вертикального перемещения совместно с ней.

Подъемный механизм для перемещения буровой вышки обеспечивает изменение высоты при транспортировке и монтаже/демонтаже на точке эксплуатации подводного бурового модуля и вертикальное перемещение бурильной машины, закрепленной на буровой вышке.

Неподвижная направляющая и нижняя бурильная машина обеспечивает непрерывное движение бурильной колонны в процессе бурения при спускоподъемных операциях при добавлении или удалении бурильных труб в/из бурильной колонны.

Закрепление устройства вытеснения над нижней бурильной машиной с возможностью вертикального перемещения совместно с ней и подвод бурового раствора в нижнюю камеру устройства вытеснения обеспечивают непрерывную циркуляцию бурового раствора в процессе бурения при спускоподъемных операциях при добавлении или удалении бурильных труб в/из бурильной колонны.

Механизм для перемещения верхней бурильной машины в горизонтальном направлении обеспечивает возможность подачи труб на ось скважины из заменяемых кассет с помощью бурильной машины без дополнительных механизмов и мероприятий по обеспечению соосности подаваемых труб.

Поворотные столы для установки заменяемых кассет с приводами вращения обеспечивают выбор необходимых труб и инструмента.

Размещение заменяемых кассет выше уровня устья скважин позволяют производить их замену в процессе эксплуатации без использования специальных технических средств конструкций.

Верхняя и нижняя камеры обмыва обеспечивают очистку бурильных труб от остатков бурового раствора и шлама.

Механизм удержания, перемещения и установки устьевого оборудования на устье скважины обеспечивает транспортировку устьевого оборудования в составе подводного бурового модуля и монтаж/демонтаж его на устье скважины без привлечения дополнительных технических средств.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

- на фиг. 1 изображен фронтальный вид подводного бурового модуля, установленного на опорное основание в транспортном положении;

- на фиг. 2 изображен вид слева подводного бурового модуля, установленного на опорное основание в транспортном положении;

- на фиг. 3 изображен фронтальный вид подводного бурового модуля, установленного на опорное основание в эксплуатационном положении с установленными заменяемыми кассетами;

- на фиг. 4 изображен вид слева подводного бурового модуля, установленного на опорное основание в эксплуатационном положении, заменяемые кассеты не показаны;

- на фиг. 5 изображено устройство вытеснения.

Подводный буровой модуль состоит из открытой рамной конструкции 1, буровой вышки 2 с механизмом горизонтального перемещения 3 бурильной машины 4 с переводником 23, подъемного механизма 5 для перемещения буровой вышки 2, неподвижной направляющей 8 нижней бурильной машины 9, подъемного механизма 10 для перемещения нижней бурильной машины 9, устройства вытеснения 11 с буровым ключом 12, поворотных столов 13, приводов вращения 14 поворотных столов 13, заменяемых кассет 15 с бурильными трубами 6 (не являются объектом изобретения), механизмов удержания, перемещения и установки устьевого оборудования 16, устьевого оборудования 17, верхней камеры обмыва 19, нижней камеры обмыва 20.

На буровой вышке 2 и устройстве вытеснения 11 размещены элементы системы циркуляции бурового раствора 21 и элементы системы буровых сточных вод 22, системы циркуляции бурового раствора и буровых сточных вод в полном объеме на чертежах не показаны.

Бурильная колонна 7 составлена из бурильных труб 6, соединяемых с помощью резьбовых соединений.

Бурильная машина 4, нижняя бурильная машина 9, устройство вытеснения 11 с буровым ключом 12, в том числе служат средствами соединения/отсоединения бурильных труб в процессе добавления или удаления бурильных труб в/из бурильной колонны при спускоподъемных операциях.

Подводный буровой модуль устанавливается на дне на заранее установленное опорное основание 18, не входящее в данное изобретение.

Устройство вытеснения 11 состоит из, корпуса верхней полости 25, в котором установлен уплотнительный элемент 26 и поршень 27, фланца 28 для подачи воды или бурового раствора для вытеснения, перекрывающего устройства 29, корпуса нижней полости 30, в котором установлен уплотнительный элемент 31 и поршень 32, фланца 33 для подачи воды или бурового раствора для бурения или вытеснения, бурового ключа 12, установленного между корпусами верхней 25 и нижней 30 полостей. На устройстве вытеснения 11 закреплены верхняя камера обмыва 19 и цетратор 24.

Подводный буровой модуль работает следующим образом.

Режим транспортировки и монтажа.

Подводный буровой модуль доставляется на точку эксплуатации с помощью носителя (не входит в данное изобретение) и устанавливается с помощью технических средств носителя на опорное основание 18. При этом буровая вышка 2 находится в крайнем нижнем положении, что обеспечивает минимальный вертикальный размер подводного бурового модуля.

Режим подготовки к бурению.

На поворотные столы 13 подводного бурового модуля устанавливаются заменяемые кассеты 15, с помощью приводов вращения 14 производится вращение поворотных столов 13 и заменяемые кассеты 15 переходят в положение подачи необходимой бурильной трубы 6 или инструмента.

Механизмы удержания, перемещения и установки устьевого оборудования 16 подают на ось скважины устьевое оборудование 17.

Подъемный механизм 5 поднимает буровую вышку 2, механизм горизонтального перемещения 3 переводит бурильную машину 4 в положение для захвата инструмента, обеспечивающего установку устьевого оборудования на устье скважины (не является предметом данного изобретения), из заменяемой кассеты 15, подъемный механизм 5 опускает буровую вышку 2 в положение, обеспечивающее ввод переводника 23 в заменяемую кассету 15 для соединения с инструментом, обеспечивающим установку устьевого оборудования на устье скважины, бурильная машина 4 начинает вращаться и свинчивает переводник 23 и инструмент, обеспечивающий установку устьевого оборудования на устье скважины.

Далее, подъемный механизм 5 поднимает буровую вышку 2, механизм горизонтального перемещения 3 переводит бурильную машину 4 на ось скважины, подъемный механизм 5 опускает буровую вышку 2 до момента подсоединения инструмента, обеспечивающего установку устьевого оборудования на устье скважины, с устьевым оборудованием 17, бурильная машина 4 начинает вращаться и свинчивает инструмент, обеспечивающий установку устьевого оборудования на устье скважины, с устьевым оборудованием 17. После этого подъемный механизм 5 опускает буровую вышку 2 в положение установки устьевого оборудования 17 на устье скважины, где происходит его закрепление общепринятыми способами. Затем производится возврат инструмента, обеспечивающего установку устьевого оборудования на устье скважины, в заменяемую кассету 15.

Режим наращивания бурильной колонны 7 и бурения.

Режим наращивания бурильной колонны 7 и бурения состоит из нескольких операций:

1. Выбор бурильной трубы 6 (далее по тексту выбор).

Выбор осуществляется в следующей последовательности.

С помощью приводов вращения 14 производится вращение поворотных столов 13 и заменяемые кассеты 15 устанавливаются в положение подачи необходимой бурильной трубы 6.

Подъемный механизм 5 поднимает буровую вышку 2 в верхнее положение и механизм горизонтального перемещения 3 переводит бурильную машину 4 в положение для захвата бурильной трубы, подъемный механизм 5 опускает буровую вышку 2 в положение, обеспечивающее ввод переводника 23 в заменяемую кассету 15 для соединения с бурильной трубой 6, бурильная машина 4 начинает вращаться и свинчивает переводник 23 и бурильную трубу 6, подъемный механизм 5 поднимает буровую вышку 2, механизм горизонтального перемещения 3 переводит бурильную машину 4 на ось скважины.

При выполнении вышеперечисленных операций удержание бурильной колонны 7 и бурение осуществляется нижней бурильной машиной 9.

2. Наращивание бурильной колонны 7 и перевод процесса бурения с нижней бурильной машиной 9 на бурильную машину 4

Наращивание бурильной колонны 7 производится в процессе бурения нижней бурильной машины 9, подачей бурового раствора в корпус нижней полости 30 устройства вытеснения 11 и осуществляется в следующей последовательности.

Бурильная машина 4 находится на оси скважины в верхнем положении с закрепленной в переводнике 23 бурильной трубой 6. Подъемный механизм 5 опускает буровую вышку 2 со скоростью превышающей скорость перемещения нижней бурильной машины 9 до тех пор, пока нижний конец бурильной трубы 6, закрепленной в переводнике 23 верхней машины 4 не попадает в буровой ключ 12, расположенный в устройстве вытеснения 11, после этого скорости перемещения буровой вышки 2 и нижней бурильной машины 9 выравниваются, при этом в момент ввода бурильной трубы 6 в устройство вытеснения 11 уплотнительный элемент 26 открыт, а уплотнительный элемент 31 закрыт.При опускании бурильной машины 4 с помощью подъемного механизма 5 для перемещения буровой колонны 2 нижний открытый конец бурильной трубы попадает через центратор 24 в корпус верхней полости 25 устройства вытеснения 11. Поршень 27 перемещается вверх, тем самым сдавливая уплотнительный элемент 26, который плотно обхватывает бурильную трубу 6. При этом перекрывающее устройство 29 находится в закрытом состоянии. Затем через фланец 33 подается буровой раствор, который заполняет корпус верхней полости 25 устройства вытеснения 11 и через открытый конец бурильной трубы 6 вытесняет окружающую воду в бурильную машину 4, откуда она попадает в систему буровых сточных вод. После выдавливания всего объема воды, находящегося в бурильной трубе 6, открывается перекрывающее устройство 29 и поданная бурильная труба 6 за счет перемещения бурильной машины 4 опускается вниз и с помощью бурильной машины 4 и бурового ключа 12 свинчивается с бурильной колонной 7. Нижняя бурильная машина 9 переводится в пассивное вращение и перестает удерживать бурильную колонну 7. При этом буровой раствор начинает подаваться в бурильную колонну 7 через бурильную машину 4. Начинается бурение бурильной машиной 4.

3. Бурение бурильной машиной 4.

Бурение бурильной машиной 4 осуществляется следующим образом. Вращательное движение и удержание бурильной колонны 7 обеспечивается бурильной машиной 4. Поступательное движение бурильной колонны 7 обеспечивается перемещением буровой вышки 2 с помощью подъемного механизма 5. Подача бурового раствора в бурильную колонну 7 осуществляется через бурильную машину 4.

4. Бурение нижней бурильной машиной 9.

Бурение нижней бурильной машиной 9 осуществляется следующим образом. Вращательное движение и удержание бурильной колонны 7 обеспечивается нижней бурильной машиной 9. Поступательное движение бурильной колонны 7 обеспечивается перемещением нижней бурильной машины 9 с помощью подъемного механизма 10 по неподвижной направляющей 8.

Подача бурового раствора в бурильную колонну 7 осуществляется через фланец 33 в корпус нижней полости 30 устройства вытеснения 11.

5. Переход с бурения бурильной машиной 4 на бурение нижней бурильной машиной 9.

Переход с бурения бурильной машины 4 на бурение нижней бурильной машиной 9 производится в процессе бурения и удержания бурильной колоны бурильной машиной 4 и осуществляется в следующей последовательности.

Нижняя бурильная машина 9 находится в крайнем верхнем положении в режиме ожидания. Бурение и удержания бурильной колоны 7 производится бурильной машиной 4.

Подъемный механизм 5 опускает буровую вышку 2 со скоростью бурения до тех пор, пока верхний конец бурильной трубы, закрепленной в переводнике 23 бурильной машины 4 не попадает в буровой ключ 12, расположенный в устройстве вытеснения 11, после этого начинается перемещение нижней бурильной машины 9 с помощью подъемного механизма 10 по неподвижной направляющей 8 со скоростью равной скорости перемещения буровой вышки 2. При этом уплотнительные элементы 26 и 31 устройства вытеснения 11 открыты, перекрывающее устройство 29 находится в открытом состоянии, в момент ввода переводника 23 бурильной машины 4 в устройство вытеснения 11 уплотнительные элементы 26 и 31 закрываются (описание порядка работы приведено выше), через фланец 33 подается буровой раствор в корпус нижней полости 30, происходит вытеснение забортной воды из устройства вытеснения 11 в систему буровых сточных вод. Нижняя бурильная машина 9 начинает удерживать и вращать бурильную колонну 7, бурильная машина 4 переводится в пассивное вращение, с помощью бурильной машины 4 и бурового ключа 12 производится отсоединение переводника 23 бурильной машины 4 от бурильной колонны 7, после этого подъемный механизм 5 начинает поднимать буровую вышку 2, при попадании переводника 23 бурильной машины 4 в корпус верхней полости 25 устройства вытеснения 11, происходит закрытие перекрывающего устройства 29 и через фланец 28 в корпус верхней полости 25 устройства вытеснения 11 подается забортная вода, происходит вытеснение бурового раствора из устройства вытеснения 11 в систему циркуляции бурового раствора 21.

Далее производится бурение нижней бурильной машиной 9 и начинаются операции по выбору бурильной трубы 6 и наращиванию бурильной колонны 7.

Таким образом, подводный буровой модуль обеспечивает режим непрерывного бурения за счет посменного выполнения операций бурения бурильной машиной 4 и бурения нижней бурильной машиной 9, обеспечивает непрерывную циркуляцию бурового раствора за счет подачи бурового раствора в бурильную колонну 7 через буровую машину 4 при бурении буровой машиной 4 и подачу бурового раствора в бурильную колонну через фланец 33 в корпус нижней полости 30 устройства вытеснения 11 при бурении нижней буровой машиной 9, обеспечивает возможность подачи бурильных труб 6 на ось скважины из заменяемых кассет 15 с помощью бурильной машины 4 без дополнительных механизмов и мероприятий по обеспечению соосности подаваемых труб за счет наличия механизма горизонтального перемещения 3.

Режим разборки бурильной колонны 7.

Режим разборки бурильной колонны 7 осуществляется в следующей последовательности.

Нижняя бурильная машина 9 находится в нижнем положении.

Бурильная машина 4 находится на оси скважины с закрепленной в переводнике 23 бурильной колонной 7. Подъемный механизм 5 поднимает буровую вышку 2 до тех пор, пока нижний конец верхней бурильной трубы 6 не попадает в буровой ключ 12, расположенный в устройстве вытеснения 11.

При этом уплотнительные элементы 26 и 31 устройства вытеснения 11 открыты, перекрывающее устройство 29 находится в открытом состоянии, уплотнительные элементы 26 и 31 закрываются, через фланец 33 подается буровой раствор в корпус нижней полости 30, происходит вытеснение забортной воды из устройства вытеснения 11 в систему буровых сточных вод. Нижняя бурильная машина 9 начинает удерживать бурильную колонну 7. С помощью бурильной машины 4 и бурового ключа 12 производится отсоединение бурильной трубы 6 от бурильной колонны 7, после этого подъемный механизм 5 начинает поднимать буровую вышку 2, при попадании нижнего конца бурильной трубы 6 в корпус верхней полости 25 устройства вытеснения 11, происходит закрытие перекрывающего устройства 29 и через фланец 28 в корпус верхней полости 25 устройства вытеснения 11 подается забортная вода, происходит вытеснение бурового раствора из устройства вытеснения 11 в систему циркуляции бурового раствора 21. Открывается уплотнительный элемент 26. Подъемный механизм 5 поднимает буровую вышку 2 в верхнее положение и механизм горизонтального перемещения 3 переводит бурильную машину 4 в положение для установки бурильной трубы 6 в заменяемую кассету 15, подъемный механизм 5 опускает буровую вышку 2 в положение, обеспечивающее ввод бурильной трубы 6 в заменяемую кассету 15, бурильная машина 4 начинает вращаться и отвинчивает переводник 23 от бурильной трубы 6, подъемный механизм 5 поднимает буровую вышку 2, механизм горизонтального перемещения 3 переводит бурильную машину 4 на ось скважины.

При этом с помощью приводов вращения 14 производится вращение поворотных столов 13 и заменяемые кассеты 15 устанавливаются в положение, обеспечивающее прием бурильной трубы 6.

При выполнении вышеперечисленных операций производится обмыв бурильных труб 6 в нижней камере обмыва 20 при выводе их из устьевого оборудования 17 и в верхней камере обмыва 19 при выводе их из устройства вытеснения 11, что обеспечивает очистку бурильных труб 6 от остатков бурового раствора и шлама.