PL220604B1 - Sposób awaryjnego zamykania wlotu odwiertów naftowych i zawór odcinający do jego realizacji - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Wynalazek dotyczy przemysłu wydobywczego ropy naftowej, a zwłaszcza sposobów eksploatacji odwiertów naftowych i innych odwiertów, z których pod dużym ciśnieniem wypływa ciecz, a także służących do tego urządzeń, i może być stosowany w celu szczelnego zamykania wylotu odwiertu. Wynalazek może znaleźć zastosowanie również w innych gałęziach gospodarki narodowej, na przykład w transportowaniu reagentów rurociągami.

Z publikacji H.A.Acfandijenowa i R.A.Maksutowa pt.: „Neftjegazoprojawljenija i otkrytyje fontanny pri ekspłuatacji skważin” znane są różne sposoby awaryjnego zamykania odwiertów naftowych. Istnieją trzy tradycyjne i jeden nietradycyjny sposób czopowania odwiertów. Do tradycyjnych sposobów zaliczane są: dwuetapowa metoda wiertnika, nieprzerwana jednoetapowa i metoda zatłaczania do wchłonięcia cieczy, która wydostała się z odwiertu, w pokład. Nietradycyjne sposoby są stosowane, gdy odwiert położony jest na dużej głębokości pod wodą. Znana jest również technologia „top kill” polegająca na wpompowaniu do odwiertu specjalnej mieszanki mułu i cementu, sprzyjającej zagęszczaniu ropy, a następnie ciężkiego gruntu. Po zatkaniu górna część odwiertu jest cementowana.

Wady dotychczas znanych metod polegają na tym, że nie są one skuteczne na dużych głębokościach, przy dużych prędkościach ropy, wydostającej się z odwiertu pod dużym ciśnieniem. Zatrzymanie takiego strumienia ropy jest praktycznie niemożliwe, co przyznali specjaliści British Petroleum po licznych i bezskutecznych próbach zatkania odwiertu w Zatoce Meksykańskiej. Specjaliści twierdzą nawet, że jeśli metoda „top kill” zawiedzie, strumień ropy przejściowo może nawet zwiększyć swoją siłę.

Metodą aktualnie najbardziej efektywną jest metoda awaryjnego zamknięcia odwiertów za pomocą specjalnego urządzenia do wtłaczania, które w warunkach wysokiego ciśnienia otoczenia i przy wypływającym z odwiertu strumieniu ropy naftowej pompuje roztwór cementujący do odwiertu bez ryzyka wymywania. Dolna komora cysterny ładunkowej tego urządzenia wypełniona jest roztworem cementującym, a górna - wypełniona wodą morską, która opuszczana jest na dno, do odwiertu. Za pomocą robota manipulatora do środka odwiertu wprowadzany jest wtryskiwacz urządzenia wtłaczającego, a do pompy i zaworu podawane jest zasilanie elektryczne, co sprawia, że zawór otwiera się, a woda zza burty dostaje się do górnej komory wymienionej cysterny. Z kolei tłok urządzenia przemieszcza się w dół i wtłacza przez wtryskiwacz mieszankę cementową do mocnego worka, którym jest on owinięty. Worek zwiększając swoją objętość wypełnia odwiert. Waga urządzenia do wtłaczania zapobiega wypychaniu go z odwiertu przez strumień ropy naftowej. Następnie mieszanka cementowa twardnieje i zamyka wylot odwiertu. Po zakończeniu prac lina z przewodem elektrycznym może zostać wyciągnięta na powierzchnię. Jeśli urządzenie do wtłaczania zostanie wyposażone w silnik elektryczny z kamerą wideo i projektorem operator może sterować całym procesem z nadwodnej części platformy.

Wadą tego rozwiązania jest niska niezawodność zarówno sposobu zamykania podwodnych odwiertów naftowych, jak i urządzenia służącego do jego realizacji, nie uwzględnia się bowiem ani prędkości strumienia ropy naftowej, ani jego ciśnienia. W wyniku tego mieszanka cementowa jest po prostu wymywana, dostarczone reagenty nie nadążają z zagęszczaniem ropy, a skuteczne doprowadzenie elastycznych, mocnych worków do kolumny rur okładzinowych, z której pod ciśnieniem wylewa się ropa naftowa, jest mało prawdopodobne.

Urządzeniem, służącym do realizacji tej metody, jest również zawór odcinający znany z opisu patentowego nr RU 2099505, składający się z korpusu z zaworem centralnym, wyposażonego w noże umożliwiające odcięcie zaworu centralnego, wykonane ze stopu z efektem pamięci kształtu. Może to być przykład stopu niklu i tytanu z możliwością zmiany kształtu na zaprogramowany pod wpływem podwyższenia temperatury do temperatury zmiany kształtu noży.

Celem wynalazku jest zwiększenie niezawodności, bezpieczeństwa i stabilności sposobu awaryjnego zamykania odwiertów naftowych przy użyciu dostosowanego urządzenia do jego realizacji.

Sposób awaryjnego zamykania wylotów odwiertów naftowych przy wykorzystaniu zbiornika z mieszanką cementową z tłokiem oraz usytuowaną nad nim komorą na wodę, z którym połączony jest giętki rękaw transportu mieszanki cementowej zgodnie z wynalazkiem charakteryzuje się tym, że w pierwszej kolejności do rury odwiertu wprowadzany jest zawór odcinający na linie z kablem zasilającym energią elektryczną pompy, napęd śruby wielopłatowej oraz zasuw sterujących pracą tego zaworu, którego elementy rozporowe uruchamiane przez tłoki umieszczone w jego cylindrach pod wpływem ciśnienia na nie ropy naftowej, która się do nich dostaje w wyniku otwarcia zasuwy, przesuwając się

PL 220 604 B1 w kierunku wewnętrznej powierzchni rury odwiertu odcinają strumień ropy naftowej blokując dalszy jej wypływ. Po przerwaniu wypływu ropy i po dokonaniu napraw uszkodzeń rury odwiertu, poprzez uruchomienie pomp usuwa się z zaworu odcinającego ropę, wycofuje elementy rozporowe w położenie wyjściowe a zawór z kablem zasilającym wyciąga z tej rury przy pomocy liny. W przypadku konieczności zaczopowania odwiertu, zawór odcinający pozostaje w stanie uszczelniającym wypływ ropy, odłącza się od niego kabel oraz linę i do rury odwiertu wprowadza się elastyczny rękaw przez który ze zbiornika mieszanka cementowa podawana jest do niej i w miarę wypełniania wymieniony rękaw wycofywany jest do góry aż do całkowitego jej wypełnienia.

Z kolei zawór odcinający stosowany do realizacji sposobu awaryjnego zamykania wylotu odwiertów naftowych, składający się z korpusu z umieszczonymi w jego wnętrzu elementami rozporowymi, wyposażony w kabel zasilający energią elektryczną oraz linę dźwigową do opuszczania i podnoszenia zgodnie z wynalazkiem charakteryzuje się tym, że elementy rozporowe mają postać walcowych elementów sektorowych umieszczonych wzdłuż wewnętrznej powierzchni rury odwiertu i są sprzężone ze stożkowymi powierzchniami trzonu tłokowego poprzez łączniki ukształtowane w formie litery T umieszczone we wpustach wymienionego trzonu tłokowego o kształcie identycznym jak łączniki. Cylinder zaworu odcinającego z umieszczonym w nim tłokiem poprzez zasuwę z napędem elektrycznym połączony jest z wewnętrzną przestrzenią rury odwiertu poza korpusem zaworu. Poza tym w przedniej części zaworu odcinającego, wewnątrz jego korpusu usytuowany jest silnik elektryczny wielopłatowej śruby napędowej tego zaworu. Również w korpusie zaworu są usytuowane niezależne zbiorniki wydzielone poprzecznymi przegrodami oraz zasuwa z napędem elektrycznym i pompy doprowadzające blokowaną ciecz do wymienionych cylindrów oraz je opróżniające. Zawór będący przedmiotem wynalazku jest też wyposażony na zewnętrznej powierzchni korpusu w prowadzące ograniczniki w postaci rolek dociskanych sprężynami do wewnętrznej powierzchni rury odwiertu usytuowane w dwóch płaszczyznach w tylnej i przedniej jego strefie.

Efektywność techniczno-ekonomiczna metody awaryjnego zamknięcia odwiertów naftowych i zaworu odcinającego, służącego do realizacji tego sposobu, uzasadniona jest nową jakością, uzyskiwaną dzięki wstępnemu zamknięciu odwiertu zaworem odcinającym poprzez zwolnienie dwóch rzędów jego elementów rozporowych. Wykorzystywane jest przy tym tylko ciśnienie otoczenia, a wzmocnienie siły docisku do ścian rury odwiertu elementów rozporowych, uzyskuje się poprzez stożkowe ukształtowanie trzonu tłoka z którym są one połączone. Zaproponowany sposób awaryjnego zamknięcia odwiertu naftowego oraz zawór zamykający, służący do realizacji tego sposobu, posiadają szereg zalet w stosunku do znanych rozwiązań: najpierw wyciekający strumień ropy naftowej jest skutecznie odcinany niezależnie od jego prędkości, a dopiero później odwiert jest zamykany tymczasowo lub na stałe. Konstrukcja zaworu odcinającego przewiduje jego samodzielne przemieszczanie się w rurze odwiertu, z którego z dużą prędkością i pod wysokim ciśnieniem wycieka strumień ropy naftowej, dzięki śrubie napędowej zamontowanej na jego przedniej części, a przed potencjalnymi przekrzywieniami zaworu podczas przemieszczania się skutecznie zabezpieczają ograniczniki w postaci rolek dociskanych sprężynami do wewnętrznej powierzchni rury odwiertu.

Zaproponowane rozwiązanie jest nowoczesnym, prostym i niezawodnym sposobem awaryjnego zamykania odwiertów naftowych za pomocą zaworu odcinającego, który dzięki opisanym rozwiązaniom technicznym może znacznie podwyższyć niezawodność i stabilność zamykania odwiertów przy znacznym uproszczeniu zarówno stosowanej metody, jak i jego konstrukcji. Efektywność taka nie jest możliwa do osiągnięcia przy wykorzystaniu tradycyjnych sposobów i znanych zaworów.

Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładowym wykonaniu na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia w schematycznym ujęciu zestaw urządzeń do awaryjnego zamykania wylotu odwiertu naftowego, natomiast na fig. 2 w podobnym ujęciu pokazano w przekroju osiowym zawór odcinający usytuowany we fragmencie rury odwiertu a na fig. 3 uwidoczniono ten zawór w przekroju poprzecznym w miejscu sprzężenia elementów rozporowych z trzonem tłoka uruchamiającego ich przesuw w celu zamknięcia wypływu blokowanej cieczy.

Sposób awaryjnego zamykania odwiertów naftowych i zawór odcinający, służący do realizacji tego sposobu przewiduje, jak to pokazano na fig. 1, wykorzystanie zaworu odcinającego 1, wstawionego do rury 2 odwiertu z doprowadzonym kablem elektrycznym 3 i liną 4· W rurze 2 znajduje się giętki rękaw 5, umocowany w mufie 6. Na górze umieszczony jest zbiornik 7 z mieszanką cementową 8, w którym znajduje się tłok 9, a nad nim komora 10, do której doprowadzana jest woda morska.

Na zbiorniku 7 znajduje się pompa 11, doprowadzająca wodę morską z otoczenia. Zbiornik 7 jest wyposażony w linę 12, służącą do jego opuszczania i podnoszenia. Dla wygody realizacji sposobu

PL 220 604 B1 według wynalazku, zwłaszcza na dużych głębokościach, przewidziane jest wykorzystanie podwodnego robota z kamerą wideo nieuwidocznionego na rysunku.

Sposób ten realizowany jest tak, że na początku do rury 2 odwiertu, z którego wycieka strumień ropy naftowej, zapuszczany jest zawór odcinający 1 na linie 4 przyczepionej do bloku koła linowego 13 wraz z kablem elektrycznym 3. Następnie włączany jest silnik elektryczny 14 wprowadzający w ruch śrubę napędową 15, która zaczyna się obracać, a zwiększenie jej prędkości obrotowej prowadzi do przemieszczenia się zaworu 1 w rurze 2. Odpowiedni kierunek przemieszczania się i likwidację przekrzywień zaworu odcinającego 1 w rurze 2, a więc również stabilność jego przemieszczenia, zapewniają ograniczniki 16. Po osiągnięciu pożądanej głębokości zaworu 1, kontrolowanej długością wpuszczonej w rurę 2 liny 4, lub długością kabla elektrycznego 3, otwierana jest zasuwa elektryczna 17. Przez otwory szczelinowe 18 ropa naftowa z rury 2 dostaje się do cylindrów 19 i 20, których tłoki z trzonami 21 przemieszczają się przesuwając elementy rozporowe 22. Dwa rzędy elementów rozporowych 22 skutecznie odcinają strumień ropy naftowej w rurze 2. W celu niezawodnego odcięcia wydostającego się strumienia ropy naftowej wewnętrzna średnica elementów rozporowych 22 jest dostosowana do wewnętrznej średnicy rury 2, sektory elementów rozporowych 22 wzdłuż bocznych powierzchni styku są ze sobą połączone troistymi końcami, zachodzącymi na siebie nawzajem, a ich zewnętrzne powierzchnie są wyposażone w miękkie nakładki 23. Im większa głębokość i ciśnienie, oraz im mniejszy kąt stożka na trzonach 21, tym trwalej zamykana jest rura 2 odwiertu. Po zamknięciu odwiertu przeprowadzane są wszelkie niezbędne prace remontowe urządzeń między innymi usuwane są uszkodzenia rury 2. Po zakończeniu prac włączane są pompy elektryczne 24 i 25 z zasuwami elektrycznymi 17 i ciecz ze zbiorników 26 i 27 pod odpowiednim ciśnieniem przepompowywana jest do cylindrów 19 i 20 co prowadzi do przemieszczania się trzonów 21 w kierunku powrotnym. Dzięki przesuwnym połączeniom elementów rozporowych 22 z trzonami 21 w kształcie litery T są one cofane do pozycji wyjściowej a następnie zawór odcinający 1 jest wyciągany z kablem 3 z rury 2 za pomocą liny 4.

Stosowany do realizacji wyżej opisanego sposobu zawór odcinający 1 przedstawiony na fig. 2 składa się z korpusu 28, wewnątrz którego znajdują się: zbiornik 26 służący do przepompowywania ropy naftowej wraz z pompą elektryczną 24 z zasuwą elektryczną 17, która poprzez układ otworów 29 w przegrodzie 30 i w pompie elektrycznej 24 połączona jest z komorą 30 cylindra 19. W komorach cylindrów 20 i 19 znajduje się tłok z trzonem 21, do stożkowych powierzchni którego umocowane zostały elementy rozporowe 22 z uchwytami 31 w kształcie litery T w dolnej ich części, umieszczonymi we wpustach 32 w kształcie litery T stożkowego trzonu 21 jak to pokazano na fig. 3. Elementy rozporowe 22 są wstawione do wpustów 33 korpusu 28. Wzdłuż zewnętrznej średnicy elementów rozporowych 22, odpowiadającej wewnętrznej średnicy rury 2 elementy rozporowe 22 są wyposażone w elastyczne nakładki 23, na przykład z gumy technicznej. Pomiędzy tłokami z trzonami 21 wbudowana jest przegroda 34, w której znajduje się zasuwa elektryczna 17, połączona za pomocą otworów 35 z cylindrem 19 i 20 będącym odbiciem lustrzanym cylindra 19. Z jednej strony elementów rozporowych 22 znajduje się wpust 36, w którym umieszczona jest rurka szczelinowa 37, oraz takie same otwory 18 z tyłu, służące do doprowadzania cieczy do zasuwy elektrycznej 17 i dalej do cylindrów 19 i 20, a także instalacja elektryczna wewnętrznej sieci elektrycznej. Cylinder 20 jest zamknięty przegrodą 38 w której również wykonano otwory 39 łączące pompę elektryczną 25 z zasuwą elektryczną i drugim zbiornikiem 27 służącym do przepompowywania cieczy. Z przodu zaworu odcinającego 1 znajduje się silnik elektryczny 14, reduktor 40, na wale 41 którego umieszczona została wielopłatowa śruba napędowa 15. Korpus 28 zaworu odcinającego 1 zamknięty jest z przodu stożkiem 42. Na przedniej i tylnej zewnętrznej powierzchni korpusu 28 znajdują się ograniczniki 16 w postaci dwóch par rolek prowadzących dociskanych sprężyną 43, rozmieszczonych pod kątem 120°. Na tylnej pokrywie 44 korpusu 28 znajdują się złącza elektryczne 45 wewnętrznej sieci elektrycznej z kablem elektrycznym 3, a także blok koła linowego 13, w którym znajduje się lina dźwigowa 4 zaworu odcinającego 1, lub też lina przymusowego opuszczania giętkiego rękawa 5 do rury 2 odwiertu naftowego.

W praktyce zdarza się, że odwiert naftowy musi być zaczopowany na stałe. Wówczas w celu realizacji sposobu awaryjnego zamknięcia odwiertu naftowego w pierwszym etapie po zwolnieniu elementów rozporowych 22 i wyciągnięciu kabla elektrycznego 3 zawór odcinający 1 pozostaje na stałe w rurze 2, do której dostarczana jest mieszanka cementowa 8. W tym celu za pomocą liny 4 do zwolnionego zaworu odcinającego 1 wkładany jest giętki rękaw 5. Po włożeniu rękawa 5 do zaworu odcinającego 1 włączana jest pompa elektryczna 11, doprowadzająca wodę do zbiornika 7. W konsekwencji tłok 9 wyciska mieszankę cementową 8 do giętkiego rękawa 5, który w miarę napełniania

PL 220 604 B1 rury 2 mieszanką cementową 8 jest stopniowo podnoszony do góry aż do całkowitego wypełnienia rury 2. W charakterze mieszanki cementowej 8 można wykorzystać na przykład nanocement, który skutecznie twardnieje również w środowisku wodnym.

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób awaryjnego zamykania wylotów odwiertów naftowych przy wykorzystaniu zbiornika z mieszanką cementową z tłokiem oraz usytuowaną nad nim komorą na wodę, z którym połączony jest giętki rękaw transportu mieszanki cementowej, znamienny tym, że w pierwszej kolejności do rury (2) odwiertu wprowadzony jest zawór odcinający (1) na linie (4) z kablem (3) zasilającym energią elektryczną pompy (24, 25), napęd śruby wielopłatowej (15) oraz zasuw (17) sterujących pracą tego zaworu (1), którego elementy rozporowe (22) uruchamiane przez trzony tłokowe (21) umieszczone w jego cylindrach (19, 20) pod wpływem ciśnienia na nie ropy naftowej, która się do nich dostaje w wyniku otwarcia zasuwy (17) przesuwając się w kierunku wewnętrznej powierzchni rury (2) odwiertu odcinają strumień ropy naftowej blokując jej dalszy wypływ, po czym po dokonanych naprawach uszkodzeń rury (2) odwiertu poprzez uruchomienie pomp (24, 25) usuwa się z zaworu odcinającego ropę, wycofuje elementy rozporowe (22) w położenie wyjściowe a zawór (1) z kablem (3) zasilającym wyciąga z tej rury przy pomocy liny (4), natomiast w przypadku konieczności zaczopowania odwiertu zawór odcinający (1) pozostaje w stanie uszczelniającym wypływ ropy, odłącza się od niego kabel (3) oraz linę (4) i do rury (2) odwiertu wprowadza się elastyczny rękaw (5) przez który ze zbiornika (7) mieszanka cementowa (8) podawana jest do niej i w miarę wypełniania wymieniony rękaw (5) wycofany jest do góry aż do całkowitego jej wypełnienia.
2. 2. Zawór odcinający stosowany do realizacji sposobu awaryjnego zamykania wylotu odwiertów naftowych zgodnie z zastrz. 1 składający się z korpusu z umieszczonymi w jego wnętrzu elementami rozporowymi, wyposażony w kabel zasilający energią elektryczną oraz liną dźwigową do podnoszenia, znamienny tym, że elementy rozporowe (22) mają postać walcowych elementów sektorowych umieszczonych wzdłuż wewnętrznej powierzchni rury (2) odwiertu i są sprzężone ze stożkowymi powierzchniami trzonów tłokowych (21) poprzez łączniki (31) ukształtowane w formie litery T umieszczone we wpustach (32) wymienionych trzonów tłokowych (21) o kształcie identycznym jak łączniki (31), przy czym cylinder (19) zaworu odcinającego (1) z umieszczonym w nim tłokiem poprzez zasuwę (17) z napędem elektrycznym połączony jest z wewnętrzną przestrzenią rury (2) odwiertu poza korpusem (28) zaworu (1), poza tym w przedniej części zaworu odcinającego (1), wewnątrz jego korpusu (28) usytuowany jest silnik elektryczny (14) wielopłatowej śruby napędowej (15) tego zaworu.
3. 3. Zawór odcinający według zastrz. 2, znamienny tym, że w jego korpusie (28) są usytuowane niezależne zbiorniki (26, 27), wydzielone poprzecznymi przegrodami (30, 38) oraz zasuwa (17) z napędem elektrycznym i pompy (24, 25) doprowadzające blokowaną ciecz do wymienionych zbiorników (26, 27) oraz je opróżniające.
4. 4. Zawór odcinający według zastrz. 2 i 3, znamienny tym, że jest on wyposażony na zewnętrznej powierzchni korpusu (28) w prowadzące ograniczniki w postaci rolek dociskanych sprężynami (43) do wewnętrznych powierzchni rury (2) odwiertu usytuowanych w dwóch płaszczyznach - w tylnej i przedniej jego strefie.