Система для добычи углеводородов в открытом море

 

Система для добычи углеводородов в открытом море включает в себя судно с открытой вниз затопленной приемной камерой, подсоединенный к стояку буй для закрепления с возможностью отсоединения в этой камере, а также расположенное у верхнего конца буя поворотное устройство для перемещения технологической жидкости между стояком и системой трубопроводов на судне. Поворотное устройство выполнено с охватывающим и охватываемым элементами, выполненными с возможностью аксиального введения одного в другой, при этом в соединенном состоянии эти элементы располагаются коаксиально и ограничивают кольцеобразные зазоры, сообщенные с соответствующими им жидкостным трактом в охватываемом и охватывающем элементах для перемещения технологической жидкости. На каждой стороне кольцеобразных зазоров предусмотрены уплотнительные средства, приводимые в действие с образованием уплотнения между этими зазорами и ослабляемые при разъединении охватывающего и охватываемого элемента. Такое выполнение системы обеспечивает исключение крупных, устанавливаемых на палубе судна конструкций, а также быстроту и надежность соединения и разъединения буя и судна. 20 з.п. ф-лы, 13 ил.

Настоящее изобретение относится к системе для добычи углеводородов в открытом море.

Такая система раскрыта в международной патентной заявке PCT/NO 92/0054 (публикация WO 93/11031) и известна под названием "STL" система (Погружное Башенное Засасывание). Эта система содержит судно с открытой вниз затопленной приемной камерой, а также буй, выполненный с наружным плавучим элементом для введения в приемную камеру и закрепления с возможностью отсоединения в ней и с центральным элементом, установленным с возможностью вращения в наружном элементе, закрепленным якорем к морскому дну и подсоединенным по меньшей мере к одному стояку, проходящему снизу вверх к бую, и расположенное у верхнего конца буя поворотное устройство для перемещения технологической жидкости между стояком и системой трубопроводов на судне.

В этой системе затопленный буй образует коллекторный пункт или станцию для одного или более гибких стояков и трубопроводов от, например, системы добычи на морском дне. Буй приспособлен к тому, что его можно поднимать и закреплять в приемной камере во временном местном судне для установки транспортной системы, транспортирующей нефтепродукты из продуктовой системы на морском дне в грузовые цистерны или резервуары судна. Когда буй закреплен в приемной камере, судно жестко закрепляется к наружному плавучему элементу буя, который становится на якорь на морском дне с помощью соответствующей якорной системы. Таким образом, собственно буй представляет собой вращающееся тело или башенку, вокруг которой судно может поворачиваться под воздействием ветра, волн и водных течений.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание системы для добычи углеводородов в открытом море, содержащей средство соединения у дна судна и исключающей крупные, установленные на палубе конструкции, обеспечивающей быстрое соединение и разъединение и максимальную надежность при разъединении в любых обстоятельствах, имеющей соединение или сцепление, обеспечивающее надежное уплотнение между местным продуктовыми жидкостями и их окружением, обеспечивающей возможность простого мониторинга статическими и динамическими уплотнениями при использовании уплотняющей жидкости, имеющей более высокое давление, чем давление окружающей среды, и пригодной для дистанционного управления вертлюжного или поворотного устройства и соединенного с ним сцепляющего устройства.

Этот технический результат достигается тем, что в системе для добычи углеводородов в открытом море, содержащая судно с открытой вниз затопленной приемной камерой, а также буй, выполненный с наружным плавучим элементом для введения в приемную камеру и закрепления с возможностью отсоединения в ней и с центральным элементом, установленным с возможностью вращения в наружном элементе, закрепленным якорем к морскому дну и подсоединенным по меньшей мере к одному стояку, проходящему снизу вверх к бую, и расположенное у верхнего конца буя поворотное устройство для перемещения технологической жидкости между стояком и системой трубопроводов на судне, согласно изобретению поворотное устройство выполнено с охватывающим элементом и охватываемым элементом, выполненными с возможностью аксиального введения одного в другой или аксиального выведения одного из другого, при этом один из этих элементов закреплен на центральном элементе буя, а другой элемент присоединен к расположенному на судне исполнительному механизму для соединения или разъединения друг от друга охватывающего и охватываемого элементов, причем в соединенном состоянии последние располагаются коаксиально и ограничивают кольцеобразные зазоры, сообщенные с соответствующими им жидкостными трактами в охватывающем и охватываемом элементах для перемещения технологической жидкости, при этом на каждой стороне кольцеобразных зазоров предусмотрены уплотнительные средства, приводимые в действие с образованием уплотнения между кольцеобразными зазорами и ослабляемые при разъединении охватывающего и охватываемого элементов.

Целесообразно, чтобы на каждой стороне каждого из кольцеобразных зазоров в одном из элементов поворотного устройства была выполнена периферийная кольцеобразная канавка для приема движущегося радиально кольцеобразного элемента, при этом каждое уплотнительное средство было выполнено со статическим уплотнительным средством для уплотнения кольцеобразного элемента со вторым элементом поворотного устройства и динамическим уплотняющим средством для уплотнения между кольцеобразным элементом и боковыми стенками периферийной кольцеобразной канавки, при этом в элементе поворотного устройства, выполненном с периферийными кольцеобразными канавками, был выполнен подводящий канал для подвода к статическому и динамическому уплотнительному средствам уплотняющей жидкости под давлением, превышающим давление окружающей среды и обеспечения гидравлического действия уплотнительного средства.

Желательно, чтобы охватываемый элемент был смонтирован на одном конце кронштейна, установленного с возможностью поворота на судне для перемещения охватываемого элемента между позицией у боковой стороны приемной камеры судна и позицией, в которой охватываемый элемент сцентрирован над буем для подъема и опускания относительно буя.

Предпочтительно, чтобы охватываемый элемент был смонтирован на конце кронштейна посредством закрепленной на этом конце направляющей втулочной муфты, в которой этот элемент установлен с возможностью скольжения, при этом охватываемый элемент был выполнен с нижней всаживаемой частью и верхней частью, располагаемой в направляющей втулочной муфте при введении всаживаемой части в охватывающий элемент, при этом верхняя часть и направляющая втулочная муфта ограничивали общие кольцеобразные зазоры, посредством которых соответствующие жидкостные тракты охватываемого элемента сообщены с соответствующими каналами, проходящими вдоль кронштейна и сообщенными с трубопроводной системой на судне.

Можно, чтобы верхняя часть охватываемого элемента была выполнена с гидравлически приводимыми в действие статическими уплотнениями на каждой стороне общих кольцеобразных зазоров для уплотнения между верхней частью и направляющей втулочной муфтой.

Желательно, чтобы система была снабжена у конца кронштейна поддерживаемым направляющей втулочной муфтой корпусом для размещения верхней части охватываемого элемента при подъеме последнего из охватывающего элемента.

Целесообразно, чтобы исполнительный механизм был выполнен в виде гидравлического привода, расположенного на верхней части корпуса.

Можно, чтобы шарнирная опора кронштейна была выполнена с ротационной муфтой, содержащей неподвижный внутренний элемент и установленный на нем с возможностью вращения наружный элемент, закрепленный к кронштейну, при этом наружный и внутренний элемент ограничивали общие кольцеобразные зазоры, посредством которых каналы кронштейна через жидкостные тракты во внутреннем элементе были сообщены с системой трубопроводов судна.

Возможно, чтобы внутренний элемент был выполнен с гидравлически приводимыми в действие статическими уплотнениями на каждой стороне общих кольцеобразных зазоров для уплотнения между внутренним и наружным элементами ротационной муфты.

Целесообразно, чтобы верхняя часть охватываемого элемента и внутренний элемент ротационной муфты были выполнены с подающими каналами подвода уплотняющей жидкости к статическим уплотнениям на этих элементах для приведения в действие этих уплотнений.

Можно, чтобы кронштейн содержал трубы, концы каждой из которых были закреплены соответственно в направляющей втулочной муфте и к наружному элементу ротационной муфты.

Целесообразно, чтобы кронштейн содержал трубы, каждый из поворотно установленных концов которых был выполнен с фланцевым соединением для разъемного соединения с соответствующим соединителем на конце трубы трубопроводной системы судна.

Желательно, чтобы система была снабжена устройством для подъема-опускания и вращения в поднятом положении кронштейна, при этом кронштейн был выполнен с проходящими вдоль него трубопроводами и жестко закрепленным на некотором расстоянии от жестко соединенного с концом этого кронштейна охватываемого элемента соединительным элементом, размещаемым при опущенном положении кронштейна в соединителе для соединения внутренних жидкостных трактов, выполненных в соединительном элементе и сообщенных трубопроводами с жидкостными трактами охватываемого элемента, с системой трубопроводов судна.

Возможно, чтобы соединительный элемент был расположен концентрично с осью вращения кронштейна.

Предпочтительно, чтобы устройство для подъема-опускания и вращения кронштейна в поднятом положении было выполнено в виде манипулятора с гидравлическим приводом, имеющим заранее заданную величину перемещения "вверх/вниз".

Можно, чтобы система содержала гидравлическое цилиндропоршневое средство для горизонтального поворота кронштейна.

Целесообразно, чтобы охватываемый и соединительный элементы были расположены на соответствующих концах кронштейна, а ось вращения кронштейна была расположена между этими элементами.

Возможно, чтобы статическое уплотнительное средство содержало уплотнение с U-образной кромкой, установленное в периферийной кольцевой канавке кольцеобразного элемента с расположением лапок этой кромки в осевом направлении с возможностью выжимания наружной лапки под воздействием уплотняющей жидкости наружу для фрикционного блокирующего зацепления с противолежащим элементом поворотного устройства.

Возможно, чтобы динамическое уплотняющее средство содержало пару эластомерных уплотнений, каждое из которых было выполнено с U-образной кромкой, установленных в соответствующих кольцевых канавках боковых стенок периферийной кольцеобразной канавки с расположением лапок в радиальном направлении с возможностью сжатия под воздействием уплотняющей жидкости до динамического уплотнения кольцеобразного элемента в периферийной кольцеобразной канавке.

Желательно, чтобы динамическое уплотняющее средство содержало пару уплотнительных элементов, плотно размещенных в соответствующих кольцеобразных канавках на каждой стороне кольцеобразного элемента, при этом нижняя часть каждой кольцеобразной канавки была сообщена с подающим каналом для подачи уплотняющей жидкости, и в этой нижней части была размещена механическая пружина для воздействия на уплотняющий элемент в дополнение к давлению уплотняющей жидкости.

Можно, чтобы система содержала средство для управления давлением и/или объемом уплотняющей жидкости.

Система, выполненная согласно изобретению, предназначена, главным образом, для таких применений, в которых временный стояк или стояки проходит/проходят между буем и местом для подачи продуктовой жидкости (стоком скважины). Это место может быть продуктовой скважиной на морском дне, но также может быть соседствующей платформой, от которой истечение скважины переносится к судну посредством настоящей системы.

Далее изобретение описано более подробно со ссылкой на приложенные чертежи, на которых: фиг. 1 изображает схематически боковой разрез передней части судна, в котором буй введен в приемную камеру у дна судна; фиг. 2 изображает вид сбоку с местным разрезом буя в соединении с первым вариантом системы, выполненной согласно настоящему изобретению; фиг. 3 изображает вид сбоку системы, выполненной в соответствии с фиг. 2, в соединенном состоянии, в увеличенном масштабе; фиг. 4 изображает разрез, соответствующий разрезу на фиг. 3, но в разъединенном состоянии системы; фиг. 5 и 6 изображают виды сверху привода для поворота частей системы между позицией накопления и рабочим положением; фиг. 7 изображает поперечное сечение средства статического и динамического уплотнения, варианта согласно фиг. 2 - 4, в увеличенном масштабе; фиг. 8 схематически изображает вид сбоку с частицами разрезом второго варианта системы, выполненного согласно изобретению; фиг. 9 изображает частичное продольное сечение буя, выполненного согласно фиг. 8; фиг. 10 изображает сечение части охватываемого элемента, выполненного согласно фиг. 8;
фиг. 11 изображает поперечное сечение средства статического и динамического уплотнения, выполненных согласно фиг. 8-10, в увеличенном масштабе;
фиг. 12 схематически изображает боковой частичный разрез варианта, который в принципе соответствует варианту согласно фиг. 2-4, но в котором использован другой вариант кронштейна и средства соединения с системой трубопроводов судна; и
фиг. 13 схематически изображает сечение XIII-XIII фиг. 12.

На фиг. 1 схематически изображен боковой разрез носовой части судна 1, которое, как предполагается, оборудовано для работы в качестве добывающего судна, и которое для этой цели оборудовано системой, выполненной согласно настоящему изобретению. Судно имеет открытую вниз приемную камеру 2, куда вводится и закрепляется буй 3. Буй содержит наружный плавучий элемент 4, который закреплен с возможностью отсоединения в приемной камере, и центральный элемент, который смонтирован с возможностью вращения в наружном элементе 4 и закреплен якорем на дне моря или океана посредством якорных тросов 6. Над приемной камерой 2 судна расположен шахтный стол 7, проходящий между приемной камерой и палубой 8 судна. На палубе 8 судна расположена лебедка (не показана), подъемный трос которой может быть опущен в воду через шахтный ствол для соединения с тросом от буя и подъема буя, когда его необходимо поднять из его затопленного или погруженного положения и ввести в приемную камеру 1.

На фиг. 1 система, выполненная согласно изобретению, показана только схематически и, как изображено, содержит вертлюжное или поворотное устройство 9, имеющее наружный элемент в форме охватывающего элемента 10, который постоянно закреплен к центральному элементу 5 буя, и внутренний элемент в форме охватываемого элемента 11, который расположен в нижней части шахтного ствола 7 и может быть опущен в или поднят из охватывающего элемента 10 посредством соответствующих управляющих средств (не показаны), например, посредством гидравлического цилиндра. Таким образом, в принципе, система содержит двухэлементное вертлюжное или поворотное устройство, имеющее принимающий элемент или охватывающий элемент, являющийся деталью буя, и внутренний или охватываемый элемент, который расположен на судне для соединения или разъединения с буем быстрым и надежным способом. Когда охватываемый элемент соединяется с охватывающим элементом, образованное поворотное устройство амортизирует все относительные перемещения между судном и буем.

Обзорный вид устройства в соединенном состоянии первого варианта выполнения системы, выполненной согласно изобретению, представлен на фиг. 2. В изображенном варианте в центральный элемент 5 буя 3 введены три стояка 12, 13 и 14 для транспортировки технологической жидкости, т.е. одна труба для потока, изливающегося из скважины (углеводороды), другая труба - для инжекции воды и еще одна труба - для инжекции газа. Стояки соединены через запорные клапаны 15 с соответствующими жидкостными трактами (не показаны), выполненными в наружном элементе 10 поворотного устройства 9. Внутренний элемент или охватываемый элемент 11 поворотного устройства (на фиг. 2 не виден) смонтирован на свободном конце кронштейна 16, который установлен с возможностью вращения на своем втором конце так, что охватываемый элемент может быть повернут между позицией около приемной камеры 2 судна и позицией, при которой охватываемый элемент сцентрирован над буем 3. Для опускания охватываемого элемента в охватывающий элемент или подъема охватываемого элемента из охватывающего элемента, когда кронштейн 16 с охватываемым элементом расположен в центральной позиции, имеется исполнительный механизм 17. Как дополнительно показано на фиг. 3 и 4, охватываемый элемент 11 смонтирован с возможностью скольжения в направляющей втулочной муфте 18, которая закреплена на свободном конце кронштейна 16. Направляющая муфта 18 поддерживает кожух 19, который предназначен для приема верхней части охватываемого элемента, когда последний находится в поднятом положении, и который поддерживает исполнительный механизм 17. Кронштейн 16 содержит каналы или трубопроводы 20, сообщенные с поворотным устройством 9 через направляющую муфту 18, и кроме того, сообщенные с системой трубопроводов для технологических жидкостей, расположенных на судне, причем для этой цели используется ротационная муфта 22, которая одновременно формирует поддерживающее средство для кронштейна при размещении ее на установленном с возможностью вращения конце кронштейна.

Система фиг. 2 более детально изображена на фиг. 3 и 4, на которых охватывающий элемент 10 и охватываемый элемент 11 показаны в соединительном состоянии или рабочем положении (фиг. 3) и в разъединенном состоянии (фиг. 4). В соединенном состоянии поворотные элементы 10 и 11 известным способом образуют общие кольцевые пространства или зазоры, сообщенные с жидкостными трактами в поворотных элементах. Число кольцевых зазоров и жидкостных трактов соответствует числу вертикальных стояков, используемых в каждом реальном случае. Так в изображенном примере с тремя стояками имеется три кольцевых зазора 23, 24 и 25, например, для потока, изливающегося из скважины, для инжекции воды и для инжекции газа, соответственно, при этом кольцевые зазоры раздельно сообщаются с одним из трех жидкостных трактов 26, 27 и 28 в охватывающем элементе 10 и с одним из трех жидкостных трактов 29, 30 и 31 в охватываемом элементе 11. В изображенном случае кольцевые зазоры образованы периферийными кольцевыми каналами, выполненными в охватывающем элементе 10. Альтернативно, однако, они могут быть выполнены во внутреннем элементе или охватываемом элементе 11, или в обоих элементах, например, для образования кольцевых зазоров, имеющих обычно круглое поперечное сечение.

На каждой стороне каждого кольцеобразного зазора охватываемого элемента 11 выполнена периферийная кольцеобразная канавка 32, принимающая подвижный в радиальном направлении кольцеобразный элемент 33. Кольцеобразный элемент имеет уплотняющие средства 34, 35, предназначенные для статического уплотнения с охватывающим элементом и для динамического уплотнения между кольцеобразным элементом 33 и боковыми стенками периферийной кольцеобразной канавки. В процессе эксплуатации эти уплотняющие средства могут образовывать уплотнение между кольцеобразными зазорами, при этом в случае взаимного разъединения поворотных элементов 10 и 11 оно может быть ослаблено или освобождено. Уплотняющие средства приспособлены к тому, чтобы действовать гидравлически посредством уплотняющей жидкости, имеющей более высокое давление, чем давление окружающей среды, т.е. давление местных технологических жидкостей. Уплотняющая жидкость подается через соответствующий подающий канал 36, выполненный в поворотном элементе, имеющем кольцевые канавки 32, т.е. в данном случае в охватываемом элементе 11. Как более четко показано на фиг. 7, подающий канал 36 для уплотняющей жидкости выходит в буферный объем или пространство, которое ограничено зоной дна кольцевой канавки 32 и связанным с ней кольцевым элементом 33, при этом буферное пространство сообщено с уплотняющими средствами 34 и 35 кольцеобразного элемента. Конструкция и способ действия уплотняющих средств будет дополнительно пояснено далее со ссылкой на фиг. 7.

За счет этой конструкции кольцеобразного элемента обеспечивается самоцентрирование кольцевых элементов 33 в охватывающем элементе с относительно большими отклонениями, т.е. ± 12 мм. Это становится возможным, поскольку кольцеобразный элемент или кольцеобразные элементы могут свободно "плыть" в радиальном направлении и таким образом могут амортизировать возможные отклонения центра или смещения центра между охватывающим и охватываемым элементами.

Как упоминалось выше, охватываемый элемент 11 установлен с возможностью скольжения в направляющей втулочной муфте 18, закрепленной на свободном конце кронштейна 16. Охватываемый элемент содержит нижнюю ударную часть 37 и верхнюю часть 38, при этом, как видно из фиг. 3, верхняя часть расположена в направляющей втулочной муфте 18, когда ударная часть введена в охватывающий элемент 10. В этом положении направляющая втулочная муфта 18 и верхняя часть 38 определяют три общих кольцеобразных зазора 39, 40 и 41, сообщенных с соответствующими жидкостными трактами 29, 30 и 31 охватываемого элемента 11 и с каналами 20 кронштейна 16 и направляющей втулочной муфты 18, имеющей сквозные отверстия между кольцеобразными зазорами и сообщенными с ними каналами. Между кольцеобразными зазорами верхней части 38 предусмотрены гидравлические активируемые статические уплотнения 42, которые соответствуют уплотняющим средствам 34 и которые приводятся в действие уплотняющей жидкостью поступающей через подающий канал 36.

Необходимо отметить, что только относительное движение или перемещение между охватываемым элементом 11 и направляющей втулочной муфтой 18 является аксиальным. Перемещение имеет место только в процессе соединения или разъединения охватываемого элемента и охватывающего элемента. В процессе этой операции внутреннее давление уплотняющей жидкости является низким, а уплотняющая система ослаблена.

Как видно из фиг. 4, верхняя часть 38 охватываемого элемента расположена в кожухе 19, поддерживаемом направляющей муфтой 18, когда ударная часть 37 охватываемого элемента вытягивается вверх из охватывающего элемента 10 исполнительным механизмом 17. Следовательно, весь охватываемый элемент 11 в этом положении полностью защищен направляющей втулочной муфтой 18 и кожухом 19.

Исполнительный механизм 17 обычно является гидравлическим приводом, например, поршневым гидроцилиндром, таким, как это показано на чертеже.

Ротационная муфта 22, расположенная на установленном с возможностью вращения конце кронштейна 16, содержит неподвижный внутренний элемент 43, который жестко прикреплен к судну, и наружный элемент 44, установленный с возможностью поворота на внутреннем элементе и прикрепленный к примыкающему концу кронштейна 16. Наружный элемент 44 выполнен в форме втулки, которая конструктивно соответствует направляющей втулочной муфте 18. Внутренний и наружный элементы ограничивают общие кольцевые зазоры 45, 46 и 47, сообщенные с каналами 20 кронштейна 16 и с соответствующими жидкостными трактами 48, 49 и 50, расположенными во внутреннем элементе и сообщенными с системой трубопроводов 21 судна (см. фиг. 2). На каждой стороне кольцевых зазоров расположены приводимые в действие гидравлическим путем статические уплотнения 51, соответствующие уплотняющим средствам 34 и приводимые в действие уплотняющей жидкостью, поступающей во внутренний элемент через подающий канал 52. Подающий канал 52, как и канал 36 соединен, способ соединения в дальнейшем не показан с трактом для подвода уплотняющей жидкости (на чертежах не показан).

Каналы 20 кронштейна 16 могут быть образованы посредством множества труб 53, 54, 55, концы которых подходящим способом, например, посредством сварки прикреплены к направляющей втулочной муфте 18 и к наружному элементу 44 ротационной муфты 22, соответственно.

Когда охватываемый элемент 11 отсоединяется от охватывающего элемента 10, то охватывающий элемент может поворачиваться в бок и вверх от стенки шахтного ствола 7 посредством кронштейна 16 и ротационной муфты 22 для того, чтобы освободить центральную зону приемной камеры 2 с тем, чтобы позднее втянуть буй в приемную камеру. Для вращения кронштейна предусмотрен подходящий привод, например, поршневой гидроцилиндр 59, как показано на фиг. 5 и фиг. 6.

Когда охватываемый элемент отсоединен и поднят вверх из охватывающего элемента, охватывающий элемент остается открытым и незащищенным. Прежде, чем буй отсоединится от судна и опустится из приемной камеры, полезно поместить в охватывающем элементе защитную пробку или заглушку, для того, чтобы защитить соединяющиеся поверхности, предотвратить засорение и протечку и т.п. Такая защитная пробка или заглушка может быть помещена или удалена, используя тот же принцип, который используется для поворотного устройства, или операции могут быть осуществлены вручную, если имеется достаточно времени.

Вариант статического и динамического уплотняющих средств 34 и 35 системы изображен на фиг. 7. На чертеже изображены сегмент охватывающего элемента 10 и всаживаемой части 37 охватываемого элемента 11, при этом элементы находятся в соединенном положении, причем изображено продольное сечение, проходящее через ось поворотного устройства, как это показано и на фиг. 3.

Статическое уплотнение 34 содержит пару уплотнений с U-образной кромкой 57, размещенных в периферийной канавке 58 кольцевого элемента 33, который также можно называть корпусом статического уплотнения. Кольцевой элемент содержит пару стальных колец, которые собираются и крепятся друг к другу, как показано на фиг. 7, так что уплотняющие элементы могут быть помещены в канавку 58 перед тем, как стальные кольца крепятся друг к другу. Уплотнения с U-образной кромкой выполнены из эластомерного материала и имеют аксиально направленные лапы 59, при этом наружная лапа под воздействием уплотняющей жидкости выжимается наружу для фрикционного блокирующего зацепления с противолежащей уплотняющей поверхностью охватывающего элемента 10. Как уже отмечалось, уплотняющая жидкость подается через канал 36 и демпферное пространство у дна кольцевой канавки 32, для этой цели кольцевой элемент 33 имеет соответствующие отверстия.

Динамическое уплотнение 35 также содержит пару уплотнений с U-образной кромкой или закраинами 60, но эти уплотнения помещены в отдельные кольцевые канавки 61, выполненные в боковых стенках периферийной кольцевой канавки 32, и предназначены для образования уплотнения между кольцевым элементом 33 и примыкающим участком охватываемого элемента 11 в случае его вращения в охватывающем элементе. U-образные уплотняющие элементы 60 имеют радиально направленные лапы 62, которые, под воздействием уплотняющей жидкости, сжимаются для динамического уплотнения у кольцевого элемента 33 и кольцевой канавки 61, соответственно.

Эластомерные уплотнительные элементы 57 и 60 на практике обычно имеют заделанные опорные кольца для предотвращения выдавливания материала уплотнительного элемента между взаимно примыкающими уплотняющими поверхностями под воздействием давления уплотняющей жидкости.

Другие статические уплотняющие средства 42 и 51, расположенные в верхней части 38 охватываемого элемента 11 и во внутреннем элементе 43 ротационной муфты 22, соответственно, сконструированы таким же образом, что и статическое уплотняющее средство 34.

Когда охватываемый и охватывающий элементы находятся в соединенном положении, кольцеобразные элементы 33 должны самоцентрироваться в охватывающем элементе, как уже отмечалось, при этом кольцевые элементы могут свободно двигаться в радиальном направлении. Уплотняющая жидкость (например, гидравлическое масло или вода) находится под давлением, и давление уплотняющей жидкости вынуждает статические уплотнительные элементы 57 расширяться у уплотняющей поверхности охватывающего элемента и блокировать кольцевые элементы или обоймы уплотнений в их положении. Что касается динамического уплотнения, то охватываемый элемент и уплотнительный элемент совместно гидравлически уравновешены. Небольшая щель между уплотняющими поверхностями кольцеобразного элемента 33 и кольцевой канавки 32 направляет уплотняющую жидкость в динамическое уплотнение. Перепад давлений между уплотняющей жидкостью и технологической жидкостью приводит динамическое уплотнение в прочный контакт с уплотняющей поверхностью кольцевого элемента.

Таким образом, при приведении в действие уплотняющих средств 34 и 35 статические уплотнительные элементы 57 блокируют кольцеобразные элементы 33 в охватывающем элементе за счет трения, тогда как кольцеобразные элементы 33 и примыкающие боковые стенки кольцеобразных канавок 32 образуют взаимно перемещающиеся скользящие поверхности, которые уплотняются посредством динамических уплотнительных элементов 60. Для осуществления уплотнительной функции статического уплотнения решающее значение имеет обеспечение прочного и сильного фрикционного заклинивания между уплотнительным элементом и уплотняемой поверхностью охватывающего элемента. Перемещение между уплотнительным элементом и охватывающим элементом вызовет протечки вследствие большого перепада давления через уплотнение. Давление и коэффициент трения должны быть решающими факторами, и в качестве материала уплотнения следует выбирать эластомерный материал, дающий наибольшее возможное трение. Для динамического уплотнения, с другой стороны, следует выбирать эластомерный материал, дающий низкое трение между скользящими поверхностями для обеспечения хорошего уплотнения с низким трением.

При разъединении охватываемого элемента и охватывающего элемента друг от друга давление уплотняющей жидкости сбрасывается, так что кольцеобразные элементы 33 уже больше не заблокированы в их положении. Охватываемый элемент теперь может быть вытянут из охватывающего элемента. Даже если уплотнения в процессе этой операции ослаблены, они все еще находятся в контакте с их уплотняемыми поверхностями.

Вследствие использования уплотняющей жидкости, имеющей давление, более высокое, чем давление жидкости, которую необходимо уплотнить (например, давление на 10 бар выше), обеспечивается регулируемый жидкостный тракт из чистой в "загрязненную" среду. Можно контролировать направление протечки, и уплотняемые поверхности могут быть защищены посредством обеспечения протечки очень малого количества уплотняющей жидкости в местную технологическую жидкость. Таким образом, путем регулирования объема и/или давления уплотняющей жидкости в течение всего времени можно непрерывно и постоянно управлять уплотнениями поворотного соединения.

Второй вариант системы, выполненный согласно изобретению, изображен на фиг. 8 - 10. Этот вариант и вариант согласно фиг. 2 - 4 соответствуют друг другу в отношении охватывающего элемента и всаживаемой части охватываемого элемента поворотного устройства, но конструктивное решение отличается в отношении устройства для манипулирования охватываемым элементом и средств переноса технологических жидкостей между поворотным устройством и системой трубопровода судна.

В варианте согласно фиг. 8 - 10 поворотное устройство 71 содержит охватывающий элемент 72, который как показано на фиг. 9, должен быть закреплен, к, - и более характерно, вмонтирован в - центральном элементе 73 буя 70, закрепленного с возможностью высвобождения в приемной камере судна. Показанный схематический буй содержит наружный плавучий элемент 74, в котором посредством пары радиальных подшипников 75, 76 и осевого подшипника 77 смонтирован центральный элемент 73. Охватывающий элемент 72 содержит пару жидкостных трактов 78 и 79, соединенных с соответствующими вертикальными стояками 80, 81, введенными в буй.

Охватываемый элемент 82 жестко закреплен на свободном конце кронштейна 83 и его жидкостные тракты 84, 85 (см. фиг. 10) соединены с соответствующими трубопроводами 86 (показан только один трубопровод), проходящими вдоль кронштейна 83 к внутренним жидкостным трактам в соединяющем элементе (муфте) или через штепсельную колодку 87, которая жестко прикреплена к установленному с возможностью поворота концу кронштейна. Охватываемый элемент также имеет занимающее центральное положение соединение, содержащее занимающий центральное положение штепсель 88, предназначенный для соединения с занимающим центральное положение стояком 89, также соединяемым с буем 70. Занимающий центральное положение или управляющий кабель содержит все необходимые управляющие электрические и гидравлические линии, которые соединены с электрическими контактами прокладками 90 и гидравлическими муфтами (не показаны) у нижнего конца штепселя 88.

Следует отметить, что занимающие центральное положение соединения, имеющие соответствующие штепсельные элементы, на практике обычно соединены с поворотным соединением, выполненным в соответствии с вариантом согласно фиг. 2 - 4. Штепсель тогда должен быть расположен у нижнего края охватываемого элемента для соединения в соответствующих соединительных точках охватывающего элемента.

Также следует отметить, что вариант, показанный на фиг. 9, сконструирован таким образом, что вертикальные стояки вместе с охватывающим элементом 72 могут быть вытащены вверх через центральный элемент буя в судно. Это благоприятствует техническому обслуживанию устройства.

Система дополнительно содержит устройство для подъема кронштейна 83 с охватываемым элементом 82 и соединительным элементом 87, которые выполнены в виде единого блока, и для вращения упомянутого блока в поднятом положении, так что охватываемый элемент может быть повернут между положением у боковой стороны приемной камеры судна и положением сцентрированным над буем. В нижнем или опущенном положении, в котором охватываемый элемент 82 соединен с охватывающим элементом 72, соединительный элемент 87 помещается в соединительное звено, выполняемое в виде соединительной муфты 91, предназначенной для соединения внутренних жидкостных трактов (не показаны) соединительного элемента с системой трубопроводов 92 для технологических жидкостей, выполненных на судне.

В поворотном устройстве 71 охватываемый элемент 72 имеет выполненные известным способом периферийные каналы 93, 94 (фиг. 9) для образования кольцевых зазоров для сообщения с жидкостными трактами 84, 85 охватываемого элемента (см. фиг. 10). В соединительной муфте 91 соответствующим образом выполнены кольцевые зазоры (не показаны), образующие соединение между жидкостными трактами соединительного элемента 87 и системы трубопроводов 92 судна. Как показано на фиг. 10, жидкостные тракты 84, 85 охватываемого элемента 82 разграничены внутри концентрических трубчатых элементов 95, 96, при этом эти жидкостные тракты сообщены с соответствующими кольцевыми зазорами 93, 94 охватывающего элемента посредством отверстий в стенках трубы. Жидкостные тракты соединительного элемента 87 могут быть образованы соответствующим образом.

Как ясно из рассмотрения фиг. 10, длина и диаметр охватываемого элемента могут быть значительно уменьшены если перемещают только одну среду.

Для подъема, опускания и поворота кронштейна 83 с охватываемым элементом 82 и соединительным элементом 87 кронштейн на установленном с возможностью вращения конце имеет вертикальный вал 97, установленный с возможностью вращения и скольжения по оси в подшипниках 98. Подшипник 96 расположен на стойке 99, соответствующим образом закрепленной на судне. Для подъема и опускания кронштейна и поддерживаемых им элементов вал 97 соединен с манипулятором 100 с гидравлическим приводом, при этом манипулятор может иметь предварительно заданную величину перемещения "вверх/вниз". Для горизонтального вращательного или поворотного движения кронштейна можно соответствующим образом расположить отдельный исполнительный механизм (не показан), например поршневой гидроцилиндр, подобный исполнительному механизму 56 на фиг. 5, 6.

В изображенном варианте ось 101 вращения вала 97 совместно с кронштейном 83 расположена концентрично относительно продольной оси соединительного элемента 87 и таким образом совместно с соединительной муфтой 91. Такое коаксиальное расположение может быть полезным, когда соображения, относящиеся к геометрии и/или размерам, диктуют размещение вращающего вала на противоположном относительно охватываемого элемента 82 конце кронштейна. Однако также возможно размещение оси вращения кронштейна в подходящем месте между охватываемым элементом и соединительным элементом, так это может дать выгодное уравновешивание или балансировку кронштейна и поддерживаемых им элементов и вместе с этим уменьшить нагрузочные моменты и нагрузочные усилия на, например, подшипники 98.

Поворотное устройство 71 в системе, выполненной согласно фиг. 8 - 10, сконструировано в соответствии с ранее описанным вариантом, как в отношении радиально подвижных кольцевых элементов для поглощения относительно больших допускаемых зазоров и отклонений центра, так и в отношении статических и динамических уплотняющих средств, приводимых в действие уплотняющей жидкостью, давление которое выше давления окружающей среды. Поэтому здесь сделана отсылка на предыдущее описание как с точки зрения основной конструкции и функционирования этих средств, так и полученных преимуществ.

Во втором варианте также кольцеобразный элемент в совокупности с комплектами уплотнений расположены в охватываемом элементе для помещения на каждой стороне кольцеобразных зазоров 93 и 94 охватывающего элемента 72, при введении охватываемого элемента в охватывающий элемент. На фиг. 10 эти комплекты изображены только схематически как блоки 102. Уплотняющая жидкость для этих комплектов подается через не показанный подающий канал, сообщенный с трубопроводом 103 для подачи уплотняющей жидкости, показанном на фиг. 8. (Этот трубопровод, как показано, частично совпадает с занимающим центральное положение трубопроводом 104, присоединенном у верха охватываемого элемента 82). Уплотняющая жидкость подается также через не показанный подающий трубопровод к статическому уплотняющему средству, расположенному в соединительном элементе 87, в принципе, таким же образом, как и в верхнюю часть 38 охватываемого элемента 11 в варианте выполнения согласно фиг. 2 - 4.

Альтернативный вариант кольцеобразного элемента и комплекта уплотнений изображен на фиг. 11. На чертеже для ясности зазоры между отдельным элементами частично изображены сильно увеличенными. В этом варианте радиально подвижный кольцевой элемент 104 расположен в периферийной кольцеобразной канавке 105 в трубчатом элементе 95 охватываемого элемента. В кольцеобразном элементе размещено статическое уплотнение в форме уплотнительного элемента 106 с U-образной кромкой, выступы которого направлены в сторону примыкающей уплотняемой поверхности охватывающего элемента 72. Уплотняющая жидкость подается через канал 107 в демпферное пространство у дна кольцеобразной канавки 105. Когда уплотняющая жидкость находится под давлением, выступы уплотнения выжимаются наружу для фрикционного блокирующего зацепления с противолежащей уплотняемой поверхностью охватывающего элемента.

Динамическое уплотняющее средство содержит пару уплотнительных элементов 108, которые плотно заделаны в соответствующих кольцеобразных канавках 109 на каждой стороне кольцеобразного элемента 104 в герметичном уплотнении с примыкающими уплотняемыми поверхностями кольцеобразного элемента. Как показано, каждая кольцеобразная канавка 109 соединена с каналом 107 для подачи уплотняющей жидкости и в донной части кольцеобразной канавки также помещена нажимная пружина 110, воздействующая на уплотнительный элемент в дополнение к давлению уплотняющей жидкости. Каждый уплотнительный элемент 108 также подвергается воздействию и удерживается O-образным кольцом 11, помещенным в кольцевой канавке. При соответствующем выборе диаметра O-образного кольца, нажимной пружины и т.п. давление уплотнения может быть сбалансировано таким образом, чтобы обеспечить оптимальное функционирование динамического уплотнения.

Как можно понять, способ действия и функциональные характеристики варианта на фиг. 11, по существу, такие же, как и в описанных ранее вариантах, и с этой точки зрения целесообразно сослаться на приведенное ранее описание.

В описанных ранее вариантах противоположный поворотному устройству конец кронштейна системы соединен либо с ротационной муфтой, либо с соединительным штепсельным элементом, которые специально сконструированы и выполнены с жидкостными трактами для обеспечения соединения между трубопроводами кронштейна и системой трубопроводов судна. Альтернативное решение для обеспечения упомянутого соединения показано на фиг. 12 и 13. Вариант в принципе соответствует варианту согласно фиг. 2 - 4, за исключением ротационной муфты 22, и соответствующие элементы поэтому обозначены теми же номерами позиций, что и на фиг. 2 - 4. В этом варианте кронштейн содержит множество труб 115, которые на их установленных с возможностью вращения концах имеют соответствующие фланцевые соединения 116 для разъемного соединения с соответствующими соединителями 117 на концах труб, соединяющих с системой трубопроводов 21 судна. Соединители 117 могут быть коммерчески доступного типа, например, так называемые соединители "Collet". Трубы 115 поддерживаются подходящими опорными средствами 118 и установлены с возможностью вращения вокруг центра вращения 119. Посредством не показанного исполнительного механизма трубы 115 с охватываемым элементом 11 и другими элементами могут поворачиваться в сторону позиции, показанной пунктирной линией на фиг. 13, при отсоединении труб от соединителей.

Формула изобретения

1. Система для добычи углеводородов в открытом море, содержащая судно с открытой вниз затопленной приемной камерой, а также буй, выполненный с наружным плавучим элементом для введения в приемную камеру и закрепления с возможностью отсоединения в ней и с центральным элементом, установленным с возможностью вращения в наружном элементе, закрепленным якорем к морскому дну и подсоединенным по меньшей мере к одному стояку, проходящему снизу вверх к бую, и расположенное у верхнего конца буя поворотное устройство для перемещения технологической жидкости между стояком и системой трубопроводов на судне, отличающаяся тем, что поворотное устройство выполнено с охватывающим элементом и охватываемым элементом, выполненными с возможностью аксиального введения одного в другой или аксиального выведения одного из другого, при этом один из этих элементов закреплен на центральном элементе буя, а другой элемент присоединен к расположенному на судне исполнительному механизму для соединения или разъединения друг от друга охватывающего и охватываемого элементов, причем в соединенном состоянии последние располагаются коаксиально и ограничивают кольцеобразные зазоры, сообщенные с соответствующими им жидкостными трактами в охватывающем и охватываемом элементах для перемещения технологической жидкости, при этом на каждой стороне кольцеобразных зазоров предусмотрены уплотнительные средства, приводимые в действие с образованием уплотнения между кольцеобразными зазорами и ослабляемые при разъединении охватывающего и охватываемого элементов.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что на каждой стороне каждого из кольцеобразных зазоров в одном из элементов поворотного устройства выполнена периферийная кольцеобразная канавка для приема движущегося радиально кольцеобразного элемента, при этом каждое уплотнительное средство выполнено со статическим уплотнительным средством для уплотнения кольцеобразного элемента со вторым элементом поворотного устройства и динамическим уплотняющим средством для уплотнения между кольцеобразным элементом и боковыми стенками периферийной кольцеобразной канавки, при этом в элементе поворотного устройства, выполненном с периферийными кольцеобразными канавками, выполнен подводящий канал для подвода к статическому и динамическому уплотнительному средствам уплотняющей жидкости под давлением, превышающим давление окружающей среды и обеспечения гидравлического действия уплотнительного средства.

3. Система по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что охватываемый элемент смонтирован на одном конце кронштейна, установленного с возможностью поворота на судне для перемещения охватываемого элемента между позицией у боковой стороны приемной камеры судна и позицией, в которой охватываемый элемент сцентрирован над буем для подъема и опускания относительно буя.

4. Система по п.3, отличающаяся тем, что охватываемый элемент смонтирован на конце кронштейна посредством закрепленной на этом конце направляющей втулочной муфты, в которой этот элемент установлен с возможностью скольжения, при этом охватываемый элемент выполнен с нижней всаживаемой частью и верхней частью, располагаемой в направляющей втулочной муфте при введении всаживаемой части в охватывающий элемент, при этом верхняя часть и направляющая втулочная муфта ограничивают общие кольцеобразные зазоры, посредством которых соответствующие жидкостные тракты охватываемого элемента сообщены с соответствующими каналами, проходящими вдоль кронштейна и сообщенными с трубопроводной системой на судне.

5. Система по п. 4, отличающаяся тем, что верхняя часть охватываемого элемента выполнена с гидравлически приводимыми в действие статическими уплотнениями на каждой стороне общих кольцеобразных зазоров для уплотнения между верхней частью и направляющей втулочной муфтой.

6. Система по п.4 или 5, отличающаяся тем, что снабжена у конца кронштейна поддерживаемым направляющей втулочной муфтой корпусом для размещения верхней части охватываемого элемента при подъеме последнего из охватывающего элемента.

7. Система по п.6, отличающаяся тем, что исполнительный механизм выполнен в виде гидравлического привода, расположенного на верхней части корпуса.

8. Система по любому из пп.4 - 7, отличающаяся тем, что шарнирная опора кронштейна выполнена с ротационной муфтой, содержащей неподвижный внутренний элемент и установленный на нем с возможностью вращения наружный элемент, закрепленный к кронштейну, при этом наружный и внутренний элемент ограничивают общие кольцеобразные зазоры, посредством которых каналы кронштейна через жидкостные тракты во внутреннем элементе сообщены с системой трубопроводов судна.

9. Система по п.8, отличающаяся тем, что внутренний элемент выполнен с гидравлически приводимыми в действие статическими уплотнениями на каждой стороне общих кольцеобразных зазоров для уплотнения между внутренним и наружным элементами ротационной муфты.

10. Система по п.5 или 9, отличающаяся тем, что верхняя часть охватываемого элемента и внутренний элемент ротационной муфты выполнены с подающими каналами подвода уплотняющей жидкости к статическим уплотнениям на этих элементах для приведения в действие этих уплотнений.

11. Система по любому из пп.8 - 10, отличающаяся тем, что кронштейн содержит трубы, концы каждой из которых закреплены соответственно в направляющей втулочной муфте и к наружному элементу ротационной муфты.

12. Система по любому из пп.4 -7, отличающаяся тем, что кронштейн содержит трубы, каждый из поворотно установленных концов которых выполнен с фланцевым соединением для разъемного соединения с соответствующим соединителем на конце трубы трубопроводной системы судна.

13. Система по п.3, отличающаяся тем, что она снабжена устройством для подъема-опускания и вращения в поднятом положении кронштейна, при этом кронштейн выполнен с проходящими вдоль него трубопроводами и жестко закрепленным на некотором расстоянии от жестко соединенного с концом этого кронштейна охватываемого элемента соединительным элементом, размещаемым при опущенном положении кронштейна в соединителе для соединения внутренних жидкостных трактов, выполненных в соединительном элементе и сообщенных трубопроводами с жидкостными трактами охватываемого элемента, с системой трубопроводов судна.

14. Система по п.13, отличающаяся тем, что соединительный элемент расположен концентрично с осью вращения кронштейна.

15. Система по п.13 или 14, отличающаяся тем, что устройство для подъема-опускания и вращения кронштейна в поднятом положении выполнено в виде манипулятора с гидравлическим приводом, имеющим заранее заданную величину перемещения "вверх/вниз".

16. Система по любому из пп.13 - 15, отличающаяся тем, что она содержит гидравлическое цилиндропоршневое средство для горизонтального поворота кронштейна.

17. Система по любому из пп.13, 15 и 16, отличающаяся тем, что охватываемый и соединительный элементы расположены на соответствующих концах кронштейна, а ось вращения кронштейна расположена между этими элементами.

18. Система по п. 2, отличающаяся тем, что статическое уплотнительное средство содержит уплотнение с U-образной кромкой, установленное в периферийной кольцевой канавке кольцеобразного элемента с расположением лапок этой кромки в осевом направлении с возможностью выжимания наружной лапки под воздействием уплотняющей жидкости наружу для фрикционного блокирующего зацепления с противолежащим элементов поворотного устройства.

19. Система по п.2 или 18, отличающаяся тем, что динамическое уплотняющее средство содержит пару эластомерных уплотнений, каждое из которых выполнено с U-образной кромкой, установленных в соответствующих кольцевых канавках боковых стенок периферийной кольцеобразной канавки с расположением лапок в радиальном направлении с возможностью сжатия под воздействием уплотняющей жидкости до динамического уплотнения кольцеобразного элемента в периферийной кольцеобразной канавке.

20. Система по п. 2, отличающаяся тем, что динамическое уплотняющее средство содержит пару уплотнительных элементов, плотно размещенных в соответствующих кольцеобразных канавках на каждой стороне кольцеобразного элемента, при этом нижняя часть каждой кольцеобразной канавки сообщена с подающим каналом для подачи уплотняющей жидкости, и в этой нижней части размещена механическая пружина для воздействия на улотняющей элемент в дополнение к давлению уплотняющей жидкости.

21. Система по любому из пп.2 - 20, отличающаяся тем, что она содержит средство для управления давлением и/или объемом уплотняющей жидкости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13