Защитная конструкция для сбора текучей среды, вытекающей в водное пространство - RU2555178C2

Чертежи

Описание

Область изобретения

Данное изобретение относится к защитному устройству для предотвращения утечки текучих сред, будь то газообразных или жидких, неуправляемым образом в водное пространство, например, из разлома на дне водного пространства или из поврежденного трубопровода ствола скважины.

Описание известного уровня техники

Противовыбросовые превенторы (ВОР) представляют собой запорные клапаны, плотно установленные непосредственно над стволом скважины. В настоящее время противовыбросовые превенторы применяют в случае повреждения оборудования для разработки месторождения, чтобы предотвратить попадание выходящей текучей среды в окружающую среду неуправляемым образом.

Катастрофа в Мексиканском заливе показала, впрочем, что в этом отношении до сих пор не существует какого-либо быстро развертываемого рабочего механизма, чтобы эффективно предотвращать неуправляемое вытекание газов и жидкостей или контролировать утечку текучих сред.

Потеря текучей среды, с одной стороны, и, что здесь гораздо более важно, загрязнение окружающей среды с последующими авариями и повреждениями, с другой стороны, представляют собой недостатки.

Цель изобретения

В основе настоящего изобретения лежит цель собрать текучую среду, которая вытекает в водном пространстве или суспендирована в водном пространстве и плотность которой равна или меньше плотности воды, отделить ее от воды и доставить ее для дальнейшей переработки или удаления. Такими текучими средами являются, например, нефть или газ, которые вытекают или вытекли из ствола скважины.

Краткое описание сущности изобретения

Эта цель достигается настоящим изобретением, содержащим характерные признаки согласно независимому пункту формулы изобретения. Преимущественные улучшения настоящего изобретения описаны в зависимых пунктах формулы изобретения. Настоящим все пункты формулы изобретения включены в данное описание посредством ссылки.

Защитное устройство для сбора текучей среды, вытекающей в водное пространство, согласно настоящему изобретению содержит мембрану, по возможности куполообразную, выполненную из подходящего материала, такого как, например, пленка или ткань, которая является непроницаемой для текучей среды. Мембрана может быть изготовлена, например, из пленки из пластика, которая, со своей стороны, может быть снабжена, например, металлическим слоем, нанесенным осаждением из паровой фазы, в качестве защиты от разрушения текучей средой. Альтернативно, мембрана может быть выполнена, например, из ткани с металлической оплеткой, которая изолирована покрытием из пластика.

Подходящим материалом является гибкий материал, стойкий к текучей среде, т.е. физические свойства которого не изменятся при контакте с текучей средой. Также является возможным использование текстильного материала, например, углеродных волокон или ткани с металлической оплеткой, которая покрыта подходящим веществом с целью изоляции, по возможности пластиком, полимером на растительной основе или биополимером. Также подходящими являются определенные пленки из пластика или пленки, выполненные из полимера на растительной основе и, по возможности, биополимеров.

Форма мембраны и ее размер предпочтительно адаптированы к необходимым условиям посредством механизмов, например, риф-лееров, кнопочных механизмов, застежек-молний или автоматически регулируемых соответствующим образом тросов.

Объект, такой как, например, мембрана, в общем именуемый как куполообразный, если каждая из поверхностей объекта представляет собой поверхность части выпуклого тела. Под частью тела понимается неполное тело, все точки которого лежат на одной и той же стороне замкнутой поверхности, например, плоскости. Таким образом, уплощенный купол является частью тела вращения, которая была получена путем усечения конуса. Сферический купол является частью сферы. Предпочтительно мембрана имеет форму уплощенного купола или части выпуклого многогранника.

Для того чтобы позиционировать и стабилизировать мембрану, предпочтительно к мембране прикрепляют плавучие устройства. Эти плавучие устройства могут быть управляемыми индивидуально, т.е. каждое само по себе, во всех направлениях. Позиционирование плавучих устройств может быть обеспечено либо автоматически, т.е. программно-управляемым способом, либо дистанционно. Дистанционно управляемые аппараты (ROV) или автономные подводные аппараты (AUV) являются подходящими для применения в качестве плавучих устройств согласно настоящему изобретению.

Использование тонкой, гибкой мембраны, которую удерживают только плавучие устройства, дает защитным устройствам согласно настоящему изобретению возможность быть выполненными практически в любом размере. В частности, являются возможными мембраны очень больших размеров.

Внизу мембрана может оканчиваться краем, который имеет или может иметь соответствующую форму. Вместо плавучих устройств к краю могут быть прикреплены грузы, т.е. элементы, плотность которых превышает плотность воды. Предпочтительно, тем не менее, чтобы мембрана свободно плавала на заранее определенной глубине, расположение мембраны было обеспечено исключительно плавучими устройствами.

Предпочтительно мембрану опускают в водное пространство в сложенном состоянии. Если необходимо собрать текучие среды, которые суспендированы в водном пространстве и плотность которых равна плотности воды, плавучие устройства предпочтительно разворачивают мембрану над суспендированными текучими средами. После этого мембрану опускают. В результате плавающие текучие среды окружены мембраной и, таким образом, собраны.

Если текучая среда вытекает из источника, например, негерметичного ствола скважины, в водное пространство и если плотность текучей среды меньше, чем плотность воды, плавучие устройства предпочтительно располагают мембрану в сложенном состоянии над источником. Затем поднимающаяся текучая среда достигает мембраны и затекает в мембрану. В результате мембрана разворачивается вследствие подъемной силы текучей среды.

Чтобы облегчить обращение, т.е. управление, позиционирование и стабилизацию мембраны при помощи плавучих устройств, плотность мембраны предпочтительно равна или меньше плотности воды. Это может быть следствием способа производства или может быть достигнуто за счет соответствующего удельного веса или, по возможности, за счет соответствующих газовых или твердых включений.

В случае очень больших объемов стенка может состоять из компонентов, которые производят по-разному в соответствии с удельным весом, в зависимости от глубины. Другими словами, мембрана состоит, по меньшей мере, из двух сегментов с отличающейся плотностью. В этом случае плотность первого, по меньшей мере, из двух сегментов предпочтительно меньше, чем плотность второго, по меньшей мере, из двух сегментов, если первый, по меньшей мере, из двух сегментов или его центр подъемной силы расположен выше относительно водной поверхности, т.е. ближе к водной поверхности, чем второй, по меньшей мере, из двух сегментов или его центр подъемной силы. Следовательно, сегменты, которые расположены выше, создают большую подъемную силу, чем сегменты, которые расположены ниже. Это упрощает расположение мембраны при помощи грузов и/или плавучих устройств.

Для того чтобы обеспечить нормальную работу защитного устройства, предусмотрена установка сенсоров и/или камер слежения. Оказалось выгодным также оборудовать камерами плавучие устройства.

К мембране прикреплены один или более выпускных шлангов. Через эти шланги текучую среду извлекают в направлении водной поверхности. Если плотность текучей среды меньше, чем плотность воды, насос для этой цели не требуется. Клапан на граничной поверхности между выпускным шлангом и мембраной предотвращает неуправляемое вытекание текучей среды. Клапан может быть дистанционно управляемым. Альтернативно, клапан может быть приведен в действие автоматически, управляемый датчиками уровня.

Выпускной шланг должен быть выполнен из гибких материалов, плотность которых предпочтительно равна или меньше плотности воды. Это может предотвратить повреждение мембраны выпускным шлангом. Более того, упрощены позиционирование и стабилизация выпускного шланга.

Для того чтобы позиционировать и стабилизировать выпускной шланг, к выпускному шлангу прикреплены плавучие устройства типа, описанного выше (следовательно, индивидуально управляемых).

В зависимости от глубины водного пространства необходим выпускной шланг различной длины. Предпочтительным, тем не менее, является выпускной шланг, состоящий из множества сегментов шланга, присоединенных один к другому.

В случае повреждения выпускного шланга существует риск протекания извлеченной текучей среды из поврежденного участка в водное пространство. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения это предотвращено при помощи, по меньшей мере, одного обратного клапана, который расположен в выпускном шланге, так что он может удерживать протекание текучей среды из мембраны в направлении водной поверхности. В случае повреждения выпускного шланга скорость течения текучей среды, вытекающей из мембраны через выпускной шланг, возрастает или направление ее потока изменяется. Как только скорость течения превышает пороговое значение или направление потока изменяется на обратное, обратный клапан закрывается. С другой стороны, если скорость течения ниже порогового значения, обратный клапан открыт.

Чтобы осуществить вышеописанное, с одной стороны, обычный механический обратный клапан может быть установлен в одном направлении потока. С другой стороны, обратный клапан, который поджат пружиной и который может выдерживать поток текучей среды только вплоть до определенной скорости течения, может быть установлен противоположно направлению потока. Поджатие пружиной может держать клапан открытым только вплоть до этой скорости течения, после которой клапан закрывается потоком или счетчиком давления, связанным при этом с поджимающей пружиной.

Для рыбы и, в случае соответствующего размера мембраны, также для подводных аппаратов, присутствующих внутри мембраны, входящая текучая среда создает опасность. Ввиду этого предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения защитного устройства содержит отверстия, так называемые шлюзы для рыбы или шлюзы для судов, через которые рыба и/или подводные аппараты могут выйти из мембраны в водное пространство.

Шлюзы для рыбы или шлюзы для судов могут быть выполнены как замыкаемые зазоры в мембране, которые наклонены в направлении дна водного пространства. Из-за наклона шлюзов для рыбы или шлюзов для судов текучая среда, затекающая в мембрану, направляется мимо шлюзов для рыбы или шлюзов для судов. Следовательно, до тех пор, пока уровень текучей среды, присутствующей внутри мембраны, остается над шлюзами для рыбы или шлюзами для судов, вряд ли любая текучая среда сможет вытекать в водное пространство через шлюзы для рыбы или шлюзы для судов. Если внутри мембраны будет накоплено так много текучей среды, что уровень текучей среды дойдет до шлюзов для рыбы или шлюзов для судов, шлюзы для рыбы или шлюзы для судов будут закрыты.

Альтернативно, каждый из шлюзов для рыбы или шлюзов для судов выполнен как горлышко. Первое из двух отверстий горлышка присоединено к мембране вдоль кромки зазора в мембране. Предпочтительно горлышко выполнено из того же материала, что и мембрана. Кольцеобразная арматура вдоль горлышка предотвращает разрушение горлышка.

Для того чтобы позиционировать и стабилизировать горлышко, к горлышку прикреплены плавучие устройства такого типа, как описано выше. Для того чтобы никакая текучая среда не смогла вытечь из горлышка, плавучие устройства расположены и выравнивают горлышко так, что второе из двух отверстий горлышка, которое обращено в направлении водного пространства, расположено ниже уровня текучей среды, находящейся внутри мембраны.

Шлюзы для рыбы или шлюзы для судов дополнительно могут служить для компенсации воздействия потоков на мембрану.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения второй конец выпускного шланга прикреплен к станции на поверхности для промежуточного хранения и откачивания текучей среды. Для того чтобы нагрузка на станцию на поверхности, возникающая вследствие веса выпускного шланга, была настолько мала, насколько это возможно, плотность выпускного шланга должна быть равна или меньше плотности воды.

Оказалось выгодным, что станция на поверхности не прикреплена, например, якорем, ко дну водного пространства. Вместо этого станция на поверхности свободно плавает по водной поверхности и поэтому может следовать движениям мембраны, которая также является свободно плавающей. Предпочтительно станция на поверхности содержит один или более контролируемых или управляемых узлов привода для позиционирования и стабилизации. Для защиты от повреждений, возникающих вследствие неблагоприятных метеоусловий, или для защиты от военных нападений станция на поверхности вместе с присоединенным баком может также удерживаться под водой на определенной глубине при помощи соответствующих плавучих устройств и уравновешивающих устройств.

Текучую среду, выходящую из выпускного шланга в станции на поверхности, предпочтительно собирают в куполообразный бак, расположенный на станции на поверхности, при этом бак выполнен, например, наподобие ангара с консольной крышей или закреплен в таком ангаре соответствующими устройствами. В этом случае нижнее отверстие бака расположено на или ниже водной поверхности. Текучая среда, поступающая в бак, соответственно плавает на водной поверхности внутри бака. Таким образом, водные компоненты, возможно содержащиеся в текучей среде, отделены от текучей среды без использования специальных средств и возвращены в водное пространство.

На граничной поверхности между текучей средой и водой может происходить конвекция текучей среды в воде. Барьерный слой между текучей средой и водой предпочтительно предотвращает это явление. Этот барьерный слой может быть образован жидкостью, которая налита в бак и плотность которой выше, чем плотность текучей среды, и меньше, чем плотность воды. Он также может быть применен как мембрана, выполненная из подходящего материала - пленки или гибкого материала.

Для того чтобы предотвратить неконтролируемую утечку большого количества текучей среды в случае повреждения станции на поверхности, бак предпочтительно разделен на множество секций.

Дополнительные детали и характерные признаки раскрыты в последующем описании предпочтительных вариантов осуществления в сочетании с зависимыми пунктами формулы изобретения. При этом каждый из характерных признаков может быть реализован отдельно по одному либо по несколько, в комбинации друг с другом. Возможности для достижения цели не ограничены примерными вариантами осуществления.

На фигурах схематически представлены примерные варианты осуществления. Идентичные номера ссылок в отдельных фигурах обозначают элементы, которые являются идентичными или имеют сходную функцию либо которые аналогичны друг другу в соответствии с их функциями. Подробно,

на фиг.1 изображено защитное устройство согласно данному изобретению, содержащее выпускной шланг и станцию на поверхности; и

на фиг.2 изображено защитное устройство согласно данному изобретению, содержащее шлюз для рыбы.

На фиг. 1 изображено защитное устройство 10, мембрана 12 которого была развернута над разломом 14 на дне 15 водного пространства, из которого вытекает текучая среда, или над поврежденным трубопроводом 16, из которого вытекает текучая среда. Индивидуально управляемые плавучие устройства 17 позиционируют мембрану 12 так, что она располагается над разломом 14 или над поврежденным трубопроводом 16. Если плотность текучей среды меньше, чем плотность воды, текучая среда поднимается и собирается в мембране 12.

Для придания мембране 12 устойчивости к подъемным силам текучей среды и морским течениям она снабжена укрепляющими стойками 18. Укрепляющие стойки 18 также могут быть выполнены, например, из армированного стеклопластика или волокнистого композиционного материала. Мембрана 12 может быть аналогично стабилизирована при помощи напорных линий.

Переходник 100, который прикреплен к высшей точке мембраны 12, присоединяет мембрану 12 к выпускному шлангу 102. Переходник 100 содержит клапаны и механизмы управления, а также необходимое измерительное и регулирующее оборудование. Плавучие устройства (не показаны) позиционируют переходник 100. Камеры и сенсоры контролируют состояние и работу переходника 100.

Аналогично индивидуально управляемые плавучие устройства 17 удерживают выпускной шланг 102 в требуемом положении.

Если необходимо, клапан в переходнике 100 выпускает текучую среду, собранную внутри мембраны 12. В результате эта текучая среда течет через выпускной шланг 102 в станцию 104 на поверхности. Здесь текучую среду собирают в куполообразный бак 106. Последний может быть изготовлен из подходящих материалов, из пленки или текстильного материала, а также, например, из твердых материалов, таких как сталь.

Станция 104 на поверхности содержит все необходимые технические соединительные устройства 105 для соединения с танкерами, чтобы экологически приемлемым образом удалить текучую среду или направить ее на последующую переработку.

Станция 104 на поверхности свободно плавает на водной поверхности 107, так что вода может поступать снизу в бак 106. Текучая среда держится на воде внутри бака 106. Над текучей средой, равно как и в баке 106, находится воздух.

Плавучесть станции 104 на поверхности может быть уравновешена путем изменения объема воздуха. Альтернативно, станция 104 на поверхности содержит один или более поплавков 108.

Анкерная кромка 110, проходящая по всему периметру, окаймляет отверстие бака 106. Анкерная кромка 110 предотвращает утечку текучей среды в сторону.

Мембрана 12, изображенная на фиг.2, содержит шлюз 20 для рыбы - замыкаемые отверстия, наклоненные в направлении дна 15 водного пространства. Наклон шлюза 20 для рыбы предотвращает утечку в водное пространство текучей среды 22, вытекающей из разлома 14 на дне 15 водного пространства, до тех пор, пока количество текучей среды в мембране все еще достаточно мало. Однако рыба 24 может выплыть из мембраны 12 через шлюз 20 для рыбы.

Ссылки

Реферат

Настоящее изобретение относится к защитному устройству для предотвращения утечки текучих сред, вытекающих в водное пространство. Защитное устройство содержит куполообразную мембрану, непроницаемую для текучей среды. Кроме того, оно содержит индивидуально управляемые плавучие устройства, прикрепленные к мембране для того, чтобы позиционировать и стабилизировать мембрану. Для извлечения текучей среды на мембране установлен выпускной шланг. Выпускной шланг также содержит индивидуально управляемые плавучие устройства, чтобы позиционировать и стабилизировать выпускной шланг. При этом индивидуально управляемые плавучие устройства являются подводными аппаратами. Изобретение обеспечивает повышение точности и облегчение позиционирования устройства. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула