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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtung zum oberseitigen Anschluss eines Rohrstrangs einer Tiefbohrung mit einem Gehäuse, das eine Durchgangsöffnung aufweist, und einem innerhalb der Durchgangsöffnung in dem Gehäuse angeordneten Rohranschlusselement. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Reduzierung von axialen Spannungen in einem Rohrstrang, insbesondere einem Rohrstrang einer Tiefbohrung.
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Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtungen für den oberseitigen Anschluss eines Rohrstrangs einer Tiefbohrung sind aus der Praxis bekannt und somit Stand der Technik. Eine Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtung ist ein Element einer in der Fachsprache als „Wellhead“ bezeichneten Einrichtung, welche eine fluidale Verbindung zwischen einem Rohrstrang und einem Rohrleitungssystem einer oberirdischen Verarbeitungsanlage zur Verarbeitung von durch den Rohrstrang zu fördernden Medien herstellt. Ein Wellhead mit einer Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtung ist regelmäßig auf der Erdoberfläche oder auf dem Grund eines Gewässers oberhalb eines Bohrlochs (engl. „well“) einer Tiefbohrung installiert. In dem Bohrloch der Tiefbohrung ist der Rohrstrang angeordnet und zumeist unterirdisch einzementiert. Ein derartiger Rohrstrang ist dementsprechend durch ein langes Rohr oder eine Mehrzahl axial miteinander verbundener Rohre gebildet. Der Rohrstrang kann durch das Bohrloch mehrere hundert Meter und auch mehr als 1.000 Meter in das Erdinnere reichen. In der Regel werden verschiedene Medien, beispielsweise Gase oder Flüssigkeiten durch den Rohrstrang einer Tiefbohrung gefördert. Insbesondere werden natürliche Gase, Wasser und/oder Öl gefördert. Natürliche Gase werden zum Beispiel für die Extraktion der Gase aus natürlichen Gasvorkommen oder für das Speisen und Entleeren künstlicher Kavernen gefördert. Derartige Kavernen können insbesondere durch Ausspülen unterirdischer Salzschichten geschaffen werden.
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Für das Herstellen einer fluidalen Verbindung zwischen einem in einem Bohrloch befindlichen Rohrstrang und einer Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtung weist die Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtung ein Rohranschlusselement auf, welches im Wesentlichen die Geometrie eines Rohrstücks aufweist und in axialer Richtung fluidal durchströmbar mit dem oberseitigen Ende des Rohrstrangs verbunden ist. Das Rohranschlusselement und der Rohrstrang weisen regelmäßig einen identischen oder im Wesentlichen identischen Durchmesser auf.
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Eine Verbindung zwischen dem Rohranschlusselement und dem Rohrstrang wird in der Regel hergestellt, indem in einem ersten Schritt das Gehäuse der Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtung (in der Fachsprache auch als „Tension spool“ bzw. „tubing / casing Head“ bezeichnet) mit der Durchgangsöffnung derart um den aus dem Bohrloch hinausragenden Rohrstrang positioniert wird, dass das oberseitige Ende des Rohrstrangs vollständig von der Durchgangsöffnung aufgenommen ist, wenn das Gehäuse in seiner bestimmungsgemäßen Position ist. Die Durchgangsöffnung in dem Gehäuse verläuft insofern koaxial zu der Hauptausdehnungsrichtung des Rohrstrangs. Diese Richtung wird hier und im Folgenden als „axiale Richtung“ bezeichnet. Die Durchgangsöffnung kann zylindrisch mit in axialer Richtung konstantem Durchmesser oder mit in axialer Richtung variablem Durchmesser ausgebildet sein. Der Durchmesser ist dabei immer etwas größer als der Durchmesser des Rohrstrangs. Da der Rohrstrang und die Durchgangsöffnung regelmäßig vertikal ausgerichtet sind, kann das Positionieren des Gehäuses um den Rohrstrang durch Absetzen oben erfolgen. In einem zweiten Schritt wird das Rohranschlusselement von oben in die Durchgangsöffnung eingeführt und oben auf dem Rohrstrang abgesetzt. In einem weiteren Schritt werden das Rohranschlusselement und der Rohrstrang verbunden. Das Verbinden des Rohranschlusselements und des Rohrstrangs erfolgt regelmäßig durch stoffschlüssiges Fügen. Es alternativ oder in Ergänzung dazu aber auch form- und/oder kraftschlüssig realisiert sein, insbesondere durch Verkeilen oder Verspannen. Es ist zusätzlich möglich, den Rohrstrang vor oder nach dem Verbinden mit dem Rohranschlusselement in axialer Richtung elastisch zu dehnen, wodurch sich anwendungsspezifische Vorteile ergeben können.
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Das in der Durchgangsöffnung des Gehäuses angeordnete Rohranschlusselement ist bei den aus dem Stand der Technik bekannten Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtungen in radialer Richtung durch die Gehäuseinnenwand fixiert. Die radiale Richtung ist hier und im Folgenden jede, zu der axialen Richtung orthogonal orientierte Richtung. In axialer Richtung ist das Rohranschlusselement zumindest nach unten, also in axialer Erstreckungsrichtung des Rohrstrangs, gelagert. Beispielsweise kann das Rohranschlusselement - bedingt durch sein Eigengewicht und das zusätzliche Gewicht des daran befestigten Rohrstrangs - auf einer in der Durchgangsöffnung radial nach innen ausgebildeten Schulter des Gehäuses oder auf sogenannten Landebolzen (über ein Gewinde eindrehbare Bolzen) aufsitzen. In diesem Fall ist der Außendurchmesser des Rohranschlusselements etwas größer als der Außendurchmesser des Rohrstrangs. Eine derartige Befestigung des Rohranschlusselements basiert auf einem in der Fachsprache als „mandrel hanger“ bezeichneten Rohranschlusselement.
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Alternativ ist es auch möglich, die Befestigung des Rohranschlusselements auf der Grundlage eines in der Fachsprache als „slip-type hanger“ (Keil-Hänger) bezeichneten Rohranschlusselements zu realisieren.
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Wenn das Rohranschlusselement wie vorstehend beschrieben gelagert und der Rohrstrang axial elastisch vorgedehnt ist, strebt der Rohrstrang eine elastische Kompression in axialer Richtung an. Eine derartige Kompression wird jedoch durch die unterirdische Einzementierung des Rohrstrangs und die Lagerung des mit dem Rohrstrang verbundenen Rohranschlusselements in dem Gehäuse der Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtung unterbunden. Der Rohrstrang ist insofern durch eine Zugbeanspruchung belastet und damit vorgespannt. Bei den aus der Praxis bekannten Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtungen wird der Rohrstrang zusätzlich gegen Verschieben in axialer Richtung nach oben gesichert, so dass das Rohranschlusselement starr in dem Gehäuse gelagert ist.
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Die Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtung und der Rohrstrang müssen spezielle, anwendungsspezifische Anforderungen erfüllen. Insbesondere sind eine hohe funktionale Sicherheit der Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtung sowie eine hohe mechanische Belastbarkeit der Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtung erforderlich. Diese Anforderungen ergeben sich aus der vorstehend beschriebenen starren Lagerung des Rohranschlusselements sowie aus in dem Rohranschlusselement auftretenden mechanischen Spannungen. Mechanische Spannungen können beispielsweise durch das vorstehend beschriebene elastische Vordehnen des Rohrstrangs entstehen. Zusätzlich oder alternativ können derartige Spannung durch Temperaturschwankungen in dem Rohrstrang entstehen, beispielsweise wenn das zu fördernde Medium aus großer Tiefe an die Erdoberfläche gefördert wird und Wärme von dem Rohrstrang aufnimmt oder Wärme an den Rohrstrang abgibt. Bei einer Zunahme der Temperatur des Rohrstrangs dehnt sich dieser aus und bei einer Temperaturabnahme zieht er sich zusammen. Aufgrund der großen Länge des Rohrstrangs kann bereits eine geringe Temperaturveränderung zu einer verhältnismäßig großen Längenänderung des gesamten Rohrstrangs führen. Die regelmäßig vorgenommene oberirdische und unterirdische Fixierung des Rohrstrangs unterbindet eine Längenänderung jedoch, so dass hohe thermisch induzierte Spannungen in dem Rohrstrang und in dem Rohranschlusselement in axialer Richtung entstehen. Besondere Anforderungen ergeben sich für die Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtung und den Rohrstrang auch aus geologischen Gegebenheiten. Beispielsweise können Erdbewegungen eine Verschiebung des Rohrstrangs und/oder eine zusätzliche Krafteinwirkung auf den Rohrstrang verursachen, insbesondere wenn es zu einem unterirdischen Absacken von Erdschichten kommt. Auch durch solche unterirdischen Erdbewegungen können Spannungen in axialer Richtung in dem Rohrstrang und in dem Rohranschlusselement entstehen, wenn das Rohranschlusselement an der Erdoberfläche in axialer Richtung starr fixiert ist. Derartige Spannungen können zu unerwünschten Beschädigungen des Rohrstrangs und/oder der Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtung führen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtung bereitzustellen, die dazu geeignet ist, axial wirkende Spannungen in einem Rohranschlusselement und in einem an das Rohranschlusselement angeschlossenen Rohrstrang zu reduzieren und die eine verbesserte funktionale Sicherheit aufweist. Ferner soll ein Verfahren zur Reduzierung von axialen Spannungen in einem Rohrstrang zur Verfügung gestellt werden.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Eine erfindungsgemäße Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtung zum oberseitigen Anschluss eines Rohrstrangs einer Tiefbohrung umfasst ein Gehäuse, das eine Durchgangsöffnung aufweist, und ein innerhalb der Durchgangsöffnung in dem Gehäuse angeordnetes Rohranschlusselement.
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Das Rohranschlusselement ist zum Ausgleich von Axialspannungen im bestimmungsgemäßen Betrieb in dem Gehäuse axial verschiebbar angeordnet. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist das Rohranschlusselement derart gelagert, dass seine Position in der Längsrichtung der Durchgangsöffnung (also seine axiale Position innerhalb der Durchgangsöffnung) in dem Gehäuse im bestimmungsgemäßen Betrieb variabel ist. Das Rohranschlusselement ist dementsprechend nur radial in dem Gehäuse gelagert und sitzt - in einer besonders einfachen Ausführungsform - in axialer Richtung beweglich auf dem Rohrstrang auf. Es weist also einen zusätzlichen Freiheitsgrad gegenüber Rohranschlusselementen von aus der Praxis bekannten Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtungen auf. Wenn sich der Rohrstrang in axialer Richtung ausdehnt, zusammenzieht oder dieser vollständig verschoben wird, wird das Rohranschlusselement in dem Durchgang des Gehäuses entsprechend verschoben. Dadurch ergibt sich eine Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtung, die im bestimmungsgemäßen Betrieb axial wirkende Spannungen in dem Rohranschlusselement und in dem daran angeschlossenen Rohrstrang durch eine axiale Verschiebung des Rohranschlusselements reduziert, indem sie diese Spannungen vollständig kompensiert. Hierdurch sinkt die auf den Rohrstrang und das Rohranschlusselement wirkende mechanische Last gegenüber bekannten Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtungen mit starr gelagertem Rohranschlusselement, so dass die vorliegende Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtung eine höhere Sicherheit gegen mechanische Schäden aufweist, insbesondere gegen ein Abreißen des Rohrstrangs aufgrund zu hoher axialer Spannungen. Die axiale Verschiebung kann passiv erfolgen. Eine aktive Handlung zum Kompensieren von axialen Spannungen ist also in diesem Fall nicht notwendig. Hierdurch ist die funktionale Sicherheit der Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtung weiter erhöht.
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Zusätzlich oder alternativ kann in dem Gehäuse ein funktional mit dem Rohranschlusselement zusammenwirkender Fluidraum vorgesehen sein, welcher derart angeordnet ist, dass die axiale Position des Rohranschlusselements im bestimmungsgemäßen Betrieb in funktionaler Verbindung mit der Fluidmenge und/oder dem Fluiddruck in dem Fluidraum steht. Demgemäß kann die axiale Position des Rohranschlusselements aktiv verändert werden, wenn die Menge und/oder der Druck des Fluids in dem Fluidraum verändert wird/werden. Der Fluidraum kann beispielsweise aktiv durch eine Pumpe mit einer Flüssigkeit oder einem Gas befüllbar und entleerbar sein. Indem die axiale Position des Rohranschlusselements aktiv einstellbar ist, können auch die axialen Spannungen in dem Rohranschlusselement und dem Rohrstrang aktiv gesteuert werden. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn eine konstante axiale Spannung aufrechterhalten werden soll. Wie oben beschrieben, kann der Rohrstrang vor oder nach dem Verbinden mit dem Rohranschlusselement elastisch vorgedehnt werden. Diese elastische Vordehnung entspricht einer axialen Zugspannung in dem Rohrstrang, welche beispielsweise im Fall einer Temperaturerhöhung des Rohrstrangs durch dessen Ausdehnung reduziert wird oder im Fall einer Temperaturreduktion des Rohrstrangs durch dessen Zusammenziehen erhöht wird. Die Veränderung der axialen Spannung kann durch das Erhöhen der Menge und/oder des Drucks des Fluids in dem mit dem Rohranschlusselement im bestimmungsgemäßen Betrieb in funktionaler Verbindung stehenden Fluidraum kompensiert werden. Selbstverständlich kann auch dann, wenn der vorstehende Fluidraum vorgesehen ist, die Verschiebung des Rohranschlusselements passiv erfolgen. Hierfür kann das Fluid frei in den Fluidraum einströmen oder aus dem Fluidraum herausströmen, anstatt aktiv hineingefördert oder entnommen zu werden.
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In einer ebenfalls geeigneten Weiterbildung der Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtung ist an einem axialen Ende des Gehäuses ein Gehäusedeckel angeordnet. Der Gehäusedeckel kann insbesondere oberseitig der Durchgangsöffnung gasdicht und positionsfest mit dem Gehäuse der Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtung verbunden sein. In dieser Position kann der Gehäusedeckel insbesondere so ausgebildet sein, dass er die axiale Verschiebbarkeit des Rohranschlusselements beschränkt. Alternativ oder in Ergänzung dazu kann der Gehäusedeckel in axialer Richtung fluidal durchströmbar ausgebildet sein, so dass das durch den Rohrstrang geförderte Medium den Deckel passieren und in den Wellhead strömen kann.
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In der Praxis kann das Rohranschlusselement mindestens einen radial außenseitig ausgebildeten Führungsabschnitt aufweisen, und der mindestens eine Führungsabschnitt ist außenseitig von einem Lagerelement umgeben. Durch den Führungsabschnitt ist das Rohranschlusselement derart in dem Lagerelement gelagert, dass das Rohranschlusselement in radialer Richtung unbeweglich, aber axial verschiebbar ist. Der Führungsabschnitt und/oder das Lagerelement können jeweils speziell behandelte Oberflächen, beispielsweise eine glatte und/oder verschleißfeste Oberfläche aufweisen, welche ein Verschieben des Rohranschlusselements erleichtern und/oder die Lebensdauer der Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtung verlängert.
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Wenn das Rohranschlusselement mindestens einen Führungsabschnitt gemäß der vorstehenden Beschreibung aufweist, kann der mindestens eine Führungsabschnitt in einer praktischen Ausführungsform als radial hervorragender Kragen über einen Teil der axialen Länge des Rohranschlusselements ausgebildet sein. Mit anderen Worten ausgedrückt, kann das Rohranschlusselement in axialer Richtung einen Abschnitt mit einem vergrößerten Durchmesser aufweisen, welcher als Führungsabschnitt dient. Die Ausbildung des Führungsabschnitts als Kragen ermöglicht eine präzise Positionierung des Rohranschlusselements in dem Gehäuse in axialer und radialer Richtung und reduziert die Reibungsfläche mit dem Lagerelement gegenüber einem Rohranschlusselement mit einem über die gesamte Länge des Rohranschlusselements gebildeten Führungsabschnitt. Der den Kragen aufweisende Abschnitt des Rohranschlusselements kann gegenüber dem übrigen Rohranschlusselement durch eine größere Wandstärke gekennzeichnet sein. Der Innendurchmesser des Rohranschlusselements in axialer Richtung ist dann auch bei Vorliegen des nach außen ragenden Kragens konstant. Dadurch wird die Strömung des durch das Rohranschlusselement hindurchströmenden Mediums möglichst wenig gestört. Sofern erforderlich, können Bohrungen in axialer Richtung durch den Kragen geführt sein. Diese können beispielsweise als Leitung oder für ein Hindurchführen von Leitungen oder Kabeln (sogenannten „control lines“) verwendet werden.
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In einer praktischen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtung mit mindestens einem als Kragen ausgebildeten Führungsabschnitt kann der Fluidraum unmittelbar an den Kragen angrenzen. In diesem Fall kann eine den Kragen begrenzende Absatzfläche mit einer radial orientierten Erstreckungsrichtung als Wirkfläche für den auf das Rohranschlusselement wirkenden Druck im Fluidraum dienen. Mit anderen Worten ausgedrückt, kann die Absatzfläche des Kragens eine quer zu der axialen Richtung des Rohranschlusselements orientierte Wandung des Fluidraums darstellen. Durch eine Veränderung der Menge des Fluids in dem Fluidraum oder des Drucks des Fluids in dem Fluidraum wird ein hydrostatischer Druck in dem Fluidraum erzeugt. Dieser Druck wirkt unmittelbar auf die Absatzfläche des Kragens. Durch eine aktive Änderung der Fluidmenge oder des Fluiddrucks kann somit eine Veränderung der axialen Position des Rohranschlusselements und/oder eine Veränderung der axialen Spannungen in dem Rohranschlusselement und dem daran angeschlossenen Rohrstrang aktiv herbeigeführt werden.
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In einer weiteren praktischen Ausbildung der Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtung mit mindestens einem Führungsabschnitt ist das Gehäuse und/oder der Gehäusedeckel innenseitig als Lagerelement ausgebildet. Das Lagerelement ist dann insbesondere eine radial nach innen weisende Oberfläche oder ein Oberflächenabschnitt der Durchgangsöffnung und/oder des Gehäusedeckels. Eine derartige Ausbildung kann kostengünstig realisiert sein, da keine zusätzlichen Elemente erforderlich sind.
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Wenn der Gehäusedeckel ein Lagerelement aufweist, kann der Gehäusedeckel beispielsweise als Rohranschlussstück ausgebildet und derart an das Gehäuse angeflanscht sein, dass das Rohranschlusselement mit dem Lagerelementen fluchtet. Wenn ein Lagerelement in dem Gehäuse und in dem Gehäusedeckel vorgesehen ist, kann das Rohranschlusselement präzise gelagert und axial geführt werden.
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Zusätzlich oder alternativ kann in dem Gehäuse und/oder in dem Gehäusedeckel mindestens eine als Lagerelement dienende Lagerhülse gehäusefest angeordnet sein. Die Lagerhülse kann aus einem anderen Material bestehen als das Gehäuse und somit besonders geeignete Lagereigenschaften aufweisen, welche durch einen in dem Gehäuse oder in dem Gehäusedeckel ausgebildeten Führungsabschnitt nicht realisierbar sind. Gewünschte Lagereigenschaften sind insbesondere eine hohe Verschleißbeständigkeit und eine geringe Haftreibung und/oder Gleitreibung auf der radial nach innen orientierten Lagerseite. Beispielsweise kann die gehäusefeste Positionierung der Lagerhülse in dem Gehäuse durch eine Presspassung und/oder durch eine in der Durchgangsöffnung radial nach innen weisende Schulter realisiert sein.
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Bei einer geeigneten Weiterbildung einer Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtung mit einer in dem Gehäuse angeordneten Lagerhülse kann die Lagerhülse ein- oder mehrteilig ausgebildet sein. Die Position der Lagerhülse in dem Gehäuse kann in axialer Richtung durch Landebolzen und/oder durch Halteschrauben vorgegeben sein. Die Landebolzen und die Halteschrauben sind Elemente mit im Wesentlichen zylindrischer Form. Die beschriebene Ausführung als Bolzen und/oder Schraube ist nur als beispielhaft zu verstehen. Es können auch andere Elemente bzw. Geometrien verwendet werden, welche die Funktion der Landebolzen und/oder Halteschrauben im Sinne der Erfindung erfüllen. Die Landebolzen und/oder Halteschrauben können beispielsweise derart in radialen Bohrungen in dem Gehäuse angeordnet sein, dass sie zumindest partiell in die Durchgangsöffnung hineinragen. Dafür können die Landebolzen und/oder Halteschrauben insbesondere von außen durch diese Bohrungen geführt und auf geeignete Weise darin verankert sein.
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Wenn Landebolzen vorgesehen sind, kann die ein- oder mehrteilige Lagerhülse mit einer in die axiale Richtung weisenden Oberfläche an einem in die Durchgansöffnung ragenden Abschnitt der Landebolzen anliegen und dadurch in axialer Richtung abgestützt sein. Wenn Halteschrauben vorgesehen sind, können diese gegen eine in die radiale Richtung weisende Oberfläche der Lagerhülse drücken.
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Durch die Verwendung von Landebolzen und/oder Halteschrauben ist die Montage der Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtung besonders einfach und flexibel realisierbar. Auch eine reparaturbedingte Demontage ist hierdurch auf günstige Weise möglich.
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Zusätzlich oder alternativ kann bei der Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtung in der Praxis mindestens eines der folgenden Mittel vorgesehen sein:
- a) Mittel zur Messung des hydrostatischen Drucks in dem Fluidraum und/oder
- b) Mittel zur Erkennung der axialen Position des Rohranschlusselements innerhalb des Gehäuses und/oder
- c) Mittel zur passiven Dämpfung der Rohranschlusselementverschiebung.
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Wenn mindestens ein Mittel zur Messung des hydrostatischen Drucks in dem Fluidraum vorgesehen ist, kann zusätzlich zum Verändern der axialen Position des Rohranschlusselements durch das in dem Fluidraum befindliche Fluid der umgekehrt von dem Rohranschlusselement auf das Fluid wirkende Druck gemessen werden. Über den hydrostatischen Druck des Fluids können dann die axialen Spannungen in dem Rohrstrang und dem Rohranschlusselement berechnet werden. Wenn diese axialen Spannungen einen Soll-Bereich durch über- bzw. unterschreiten einer oberen bzw. unteren zulässigen Spannungsgrenze verlassen, kann die Position des Rohranschlusselements aktiv durch Einbringen von Fluid in den Fluidraum bzw. oder Ablassen von Fluid aus dem Fluidraum verändert werden. Hierdurch kann sich der Rohrstrang ausdehnen oder zusammenziehen und die axialen Spannungen können aktiv und gezielt eingestellt werden, insbesondere kompensiert werden. Da der Druck in dem Fluid hydrostatisch ist, kann das Fluid aus dem Gehäuse der Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtung herausgeführt werden und das mindestens eine Mittel zur Messung des hydrostatischen Drucks dort angeordnet sein. Beispielsweise kann dieses mindestens eine Druckmessmittel an einem Bypass einer Fluidleitung, über welche der Fluidraum mit dem Fluid gespeist wird, angeordnet sein. Somit steht für eine derartige Druckmessung ausreichend Raum zur Verfügung. Ferner kann ein fehlerhaftes Druckmessmittel leicht repariert oder ausgetauscht werden.
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Wenn zusätzlich oder alternativ mindestens ein Mittel zur Erkennung der axialen Position des Rohranschlusselements innerhalb des Gehäuses vorgesehen ist, ist es möglich zu kontrollieren, ob der Rohrstrang axial gedehnt, gestaucht bzw. verschoben ist. Ein derartiges Mittel kann beispielsweise ein optisches Messmittel sein. Wenn außer dem Mittel zur Erkennung der axialen Position des Rohranschlusselements nicht zusätzlich mindestens ein Mittel zur Messung des hydrostatischen Drucks in dem Fluidraum vorgesehen ist, kann zumindest auf Grundlage des Messergebnisses des Positionsmessers entschieden werden, ob der Fluidraum aktiv mit zusätzlichem Fluid zu speisen ist oder ob Fluid aktiv aus dem Fluidraum abgelassen werden sollte. Wenn zusätzlich zu dem Positionsmesser mindestens ein Mittel zur Messung des hydrostatischen Drucks in dem Fluidraum vorgesehen ist, kann eine Entscheidung, den Fluidraum zusätzlich mit Fluid zu speisen oder Fluid aus dem Fluidraum abzuführen, auf der Grundlage von zwei verschiedenen Messergebnissen getroffen werden. Dadurch können Messfehler und/oder Defekte eines der Messmittel erkannt und die funktionale Sicherheit der Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtung weiter erhöht werden.
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Wenn weiterhin zusätzlich oder alternativ Mittel zur passiven Dämpfung der Rohranschlusselementverschiebung vorgesehen sind, können plötzliche auf das Rohranschlusselement und/oder das Gehäuse wirkende mechanische Beanspruchungen passiv reguliert werden. Ein Mittel zur passiven Dämpfung kann beispielsweise ein Drosselrückschlagventil sein, das in der Fluidleitung angeordnet ist, über welche der Fluidraum mit dem Fluid gespeist wird. Das Drosselrückschlagventil begrenzt die Strömungsgeschwindigkeit des dem Fluidraum zuströmenden oder daraus ausströmenden Fluids. Somit ist eine plötzliche - d.h. schlagartig eintretende - axiale Positionsveränderung des Rohranschlusselements nicht möglich, und das Rohranschlusselement kann nicht durch ein disruptives Ereignis, beispielsweise eine unterirdische Erdbewegung, gegen das Gehäuse schlagen. In einfacher Weise kann auch ein kompressibles Fluid ein Mittel zur passiven Dämpfung der Rohranschlusselementverschiebung sein, da ein kompressibles Fluid mit zunehmender Kompression einen steigenden, der Kompression entgegenwirkenden Gegendruck ausübt.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Reduzierung von axialen Spannungen in einem Rohrstrang, der fest mit einem Rohranschlusselement verbunden ist, wobei ein funktional mit dem Rohranschlusselement zusammenwirkender Fluidraum gemäß der vorstehenden Beschreibung vorgesehen ist. Das Verfahren umfasst die Verfahrensschritte
- a) Positionieren des Rohranschlusselements in dem Gehäuse derart, dass sich das Rohranschlusselement in einer mittleren Lage befindet und sich der Fluiddruck innerhalb eines Soll-Bereichs befindet;
- b) kontinuierliches oder zumindest regelmäßiges Messen des hydrostatischen Drucks des Fluids;
- c) sofern der Druck den Soll-Bereich verlässt oder durch Erreichen eines Randbereichs zu verlassen droht, Erhöhen oder Reduzieren der Menge des in dem Fluidraum befindlichen Fluids, um durch axiale Verschiebung des Rohranschlusselements den hydrostatischen Druck möglichst innerhalb des Soll-Bereichs zu halten bzw. den hydrostatischen Druck wieder in den Soll-Bereich zu bringen.
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Durch ein derartiges Verfahren ist es möglich, auf den Rohrstrang und auf das Rohranschlusselement wirkende axiale Spannungen zu überwachen und die Spannungen gezielt zu regulieren, insbesondere zu reduzieren oder sogar vollständig zu kompensieren. Auf weitere Vorteile im Zusammenhang mit diesem Verfahren wird auf die vorstehend genannten Vorteile der erfindungsgemäßen Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtung hingewiesen.
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Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1A eine erfindungsgemäße Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtung in einer Vertikalschnittdarstellung mit einem Rohranschlusselement in einer ersten Position;
- 1B die Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtung aus 1A in einer Vertikalschnittdarstellung mit dem Rohranschlusselement in einer zweiten Position;
- 2 die Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtung aus 1A in einer Horizontalschnittdarstellung entlang der Schnittebene A-A.
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Die 1A und 1B zeigen eine Ausführungsform der vorliegenden Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtung 10 in unterschiedlichen Positionen in der gleichen Vertikalschnittdarstellung. Die Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtung 10 weist ein im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse 12 mit einer in axialer Richtung orientierten und im Wesentlichen konzentrischen, zylindrischen Durchgangsöffnung 14 auf.
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Die Durchgangsöffnung 14 kann alternativ auch in einer anderen Geometrie ausgebildet sein (nicht dargestellt).
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Die Wandstärke des Gehäuses 12 ist im Vergleich zu dem Durchmesser der Durchgangsöffnung 14 groß, um die im bestimmungsgemäßen Betrieb hoben mechanischen Lasten aufnehmen zu können. An dem axial unteren Ende ist das Gehäuse 12 radial außenseitig zu einem Flanschstutzen 15 ausgebildet, über welchen das Gehäuse 12 fest an einem Untergrund befestigt werden kann. Alternativ, aber in den Figuren nicht dargestellt, kann das Gehäuse 12 auch auf andere geeignete Art und Weise mit dem Untergrund verbunden werden, beispielsweise durch Verschweißen. Radial innenseitig weist das Gehäuse 12 an dem unteren Ende eine erste Gruppe von Nuten 16 für Dichtringe (nicht dargestellt) auf. Die Dichtringe wirken mit dem Gehäuse 12 und einem von unten in die Durchgangsöffnung 14 des Gehäuses 12 hineinragenden Rohrstrang (nicht dargestellt) zusammen, so dass die Durchgangsöffnung 14 gegenüber einer Umgebung nach unten gasdicht abgedichtet ist.
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In der Durchgangsöffnung 14 ist ein Lagerelement in Gestalt einer hohlzylindrischen, mit einer Mantelfläche an der Innenwand des Gehäuses 12 anliegenden, zweiteiligen Lagerhülse 18 vorgesehen.
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Die Lagerhülse 18 bestehet aus einem unteren Hülsenelement 20 und einem oberen Hülsenelement 22. Die Hülsenelemente 20, 22 grenzen in axialer Richtung aneinander an und bilden auf der Innenseite der Lagerhülse 18 eine gemeinsame, im Wesentlichen durchgängige Oberfläche 24, welche als Lagerfläche bzw. Gleitfläche dient. An einem in axialer Richtung nach unten weisenden Ende des unteren Hülsenelements 20 ist ein radial nach innen gerichteter Absatz 26 vorgesehen. Auch an dem in axialer Richtung nach oben weisenden Ende des oberen Hülsenelements 22 ist ein radial nach innen gerichteter Absatz 28 ausgebildet. Der Absatz 26 erstreckt sich vollumfänglich entlang der Innenseite des unteren Hülsenelements 20. Der Absatz 28 ist abschnittsweise entlang der Innenseite des oberen Hülsenelements 22 ausgebildet. Zwischen dem unteren Hülsenelement 20 und dem Gehäuse 12 sind Dichtringe (nicht dargestellt) vorgesehen, die in eine zweite Gruppe von Nuten 30 in dem Gehäuse 12 eingebracht werden.
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Die Hülsenelemente 20, 22 sind gehäusefest in dem Gehäuse 12 befestigt, d.h. positionsfest angeordnet. Diese Befestigung erfolgt in radialer Richtung durch ein Abstützen der Lagerhülse 18 gegen die Innenwand des Gehäuses 12. In axialer Richtung ist das untere Hülsenelement 20 mit einer nach unten weisenden Fläche des Absatzes 26 gegen eine Mehrzahl von Landebolzen 32 gelagert. Nach oben ist das untere Hülsenelement 20 gegen das obere Hülsenelement 22 gelagert. Das obere Hülsenelement 22 ist durch eine Mehrzahl von radial von außen gegen das obere Hülsenelement 22 drückende und in dem Gehäuse 12 verankerte Halteschrauben 34 fixiert. Für diese Fixierung weist das obere Hülsenelement 22 an der Mantelfläche Vertiefungen auf, von denen zumindest eine Teilmenge durch die Halteschrauben 34 in bestimmungsgemäßer Position des oberen Hülsenelements 22 in Eingriff genommen wird.
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Die Landebolzen 32 und die Halteschrauben 34 sind vorliegend in radial in dem Gehäuse 12 vorgesehenen Bohrungen angeordnet. Die Bohrungen, die Landebolzen 32 und die Halteschrauben 34 sind in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt. Sie sind ferner im Wesentlichen rotationssymmetrisch bezüglich ihrer jeweiligen Längsachse ausgebildet. Die Landebolzen 32 weisen vorliegend zusätzlich einen im Querschnitt polyedrischen - insbesondere einen quadratischen - Abschnitt 33 auf, welcher aus den Bohrungen in die Durchgangsöffnung 14 hervorragt und auf deren ebenen, horizontal ausgerichteten Seitenflächen das untere Hülsenelement 20 mit der Unterseite des Absatzes 26 aufliegt.
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In der Lagerhülse 18 ist axial verschiebbar ein Rohranschlusselement 36 angeordnet. In den 1A, 1B ist das Rohranschlusselement 36 horizontal zertrennt dargestellt. Das Rohranschlusselement 36 ist als im Wesentlichen rotationssymmetrisches Rohrstück ausgebildet und dazu vorgesehen, an einer axial unteren Seite mit einem Rohrstrang verbunden zu werden. Insofern weist das Rohranschlusselement 36 näherungsweise den gleichen Durchmesser auf, wie ein bestimmungsgemäß angeschlossener Rohrstrang. In der axialen Richtung, ungefähr mittig weist das Rohranschlusselement 36 einen als Führungsabschnitt dienen, radial hervorragenden Kragen 38 auf. Im Bereich des Kragens 38 ist die Wandstärke des Rohranschlusselements 36 lokal erhöht. Mit der in radialer Richtung nach außen weisenden Kragenfläche 40 kann das Rohranschlusselement 36 an der Oberfläche 24 der Lagerhülse 18 in axialer Richtung entlanggleiten bzw. verschoben werden. Der Verschiebeweg des Kragens 38 sowie des Rohranschlusselements 36 ist in axialer Richtung durch die Absätze 26, 28 begrenzt. Mit dem Absatz 26 des unteren Hülsenelements 20 gelangt eine den Kragen 38 begrenzende untere Absatzfläche 42 mit einer radial orientierten Erstreckungsrichtung in Anlage, wenn das untere Ende des Verschiebewegs des Kragens 38 erreicht ist, wie in 1A dargestellt. Alternativ gelangt eine den Kragen 38 begrenzende obere Absatzfläche 44 mit einer radial orientierten Erstreckungsrichtung mit dem Absatz 28 des oberen Hülsenelements 22 in Anlage, wenn das obere Ende des Verschiebewegs des Kragens 38 erreicht ist, wie in 1B dargestellt.
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Wie ebenfalls in 1B erkennbar ist, ist zwischen dem Rohranschlusselement 36 und der Lagerhülse 18 in axialer Richtung unterhalb des Kragens 38 ein als Fluidraum 46 dienender gasdichter Hohlraum ausgebildet, wenn sich die untere Absatzfläche 42 nicht mit dem unteren Absatz 26 in Anlage befindet. Der Fluidraum 46 ist über eine in dem Kragen 38 vorgesehene Speisebohrung 48 und/oder eine fluidal damit verbundene Fluidleitung 50 mit einem Fluid befüllbar. Über diesen Weg kann das Fluid auch aus dem Fluidraum herausfließen. Der Fluidraum 46 ist durch Dichtringe (nicht dargestellt), die in einer dritten Gruppe von Nuten 52 in dem unteren Hülsenelement 20 eingebracht sind und mit dem Rohranschlusselement 36 zusammenwirken, gasdicht verschlossen.
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Die Fluidleitung 50 ist an dem in axialer Richtung oberen Ende des Gehäuses 12 um das Rohranschlusselement 36 spiralförmig herumgelegt. In den 1A, 1B ist diese Anordnung durch die zertrennte Darstellung des Rohranschlusselements 36 zu erkennen. Zusätzlich oder alternativ können auch mehr als die eine gezeigte Wicklung der Leitung 50 um das Rohranschlusselement 36 vorgesehen sein und/oder weitere Leitungen und/oder Kabel (bspw. „control lines“, nicht dargestellt) um das Rohranschlusselement 36 gelegt sein. Für eine sichere Aufnahme dieser Leitung/Leitungen und/oder Kabel ist der Durchmesser der Durchgangsöffnung 14 an dem in vertikaler Richtung oberen Ende des Gehäuses 12 lokal vergrößert. Durch eine Bohrung 54 in diesem Bereich sind die Fluidleitung 50 sowie etwaig vorhandene Kabel (nicht dargestellt) aus dem Gehäuse 12 hinaus in die Umgebung geführt. Die Fluidleitung 50 ist dort mit einer Pumpe (nicht dargestellt) verbunden und mündet in einem mit dem zu fördernden Fluid gefüllten Vorratsbehältnis (nicht dargestellt).
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Wenn das Fluid aktiv in den Fluidraum 46 gepumpt wird, übt es einen Druck auf die untere Absatzfläche 42 des Kragens 38 aus und das Rohranschlusselement 36 wird in axialer Richtung angehoben. Wenn das Rohranschlusselement 36 bestimmungsgemäß mit einem unbeweglichen Rohrstrang verbunden ist, es also nicht einfach angehoben werden kann, und dennoch das Fluid in den Fluidraum 46 gepumpt wird, werden axiale Zugspannungen auf das Rohranschlusselement 36 und den damit verbundenen Rohrstrang ausgeübt. Wenn demgegenüber die Menge des Fluids in dem Fluidraum 46 reduziert wird, sinkt das von dem Fluid getragene Rohranschlusselement 36 mit der Füllstandshöhe des Fluids ab, falls das Rohranschlusselement 36 in axialer Richtung beweglich ist. Wenn das Rohranschlusselement 36 unbeweglich ist, beispielweise weil der Rohrstrang, mit dem es verbunden ist, starr ist, kann das Rohranschlusselement 36 nicht absinken. Dementsprechend werden axiale Zugspannungen in dem Rohranschlusselement 36 und dem damit verbundenen Rohrstrang reduziert, bzw. es werden axiale Druckspannungen eingebracht, wenn dennoch Fluid aus dem Fluidraum 46 aktiv abgelassen wird. Der Fluidraum 46 wirkt also funktional mit dem Rohranschlusselement 36 derart zusammen, dass die axiale Position des Rohranschlusselements 36 im bestimmungsgemäßen Betrieb in funktionaler Verbindung mit der Fluidmenge und/oder dem Fluiddruck in dem Fluidraum 46 steht.
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In axialer Richtung ist oberseitig auf dem Gehäuse 12 ein Gehäusedeckel (auch als „packoff“ bezeichnet) 56 angeordnet. Der Gehäusedeckel 56 ist im Wesentlichen als ein Rohrstück ausgebildet, das einen Flanschstutzen 58 an dem zu dem Gehäuse 12 orientierten unteren Ende aufweist. Über den Flanschstutzen 58 ist der Gehäusedeckel 56 positionsfest und lösbar mit dem Gehäuse 12 verbunden. Oberseitig ist der Gehäusedeckel 56 mit dem übrigen Wellhead (nicht dargestellt) verbunden. In dem Gehäuse 12 und der daran anliegenden Fläche des Gehäusedeckels 56 ist gegenüberliegend eine vierte Gruppe von Nuten 60 vorgesehen, in welche Dichtungen (nicht dargestellt) eingebracht werden können. Der Gehäusedeckel 56 weist eine axial eine zylindrische Bohrung 62 auf, dessen Durchmesser ungefähr dem Durchmesser der Durchgangsöffnung 14 entspricht. Die axiale, zylindrische Bohrung 62 und die Durchgansöffnung 14 sind konzentrisch angeordnet.
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In der Bohrung 62 des Gehäusedeckels 56 ist eine weitere Lagerhülse 64 eingebracht, die in axialer Richtung oberseitig gegen eine Schulter 66 des Gehäusedeckels 56 gelagert ist. Zwischen dem Gehäusedeckel 56 und der darin gelagerten Lagerhülse 64 sind Dichtringe vorgesehen, welche in eine fünfte Gruppe von Nuten 68, die in dem Gehäusedeckel 56 vorgesehen ist, eingelegt werden können. Der Innendurchmesser der in dem Gehäusedeckel 56 angeordneten Lagerhülse 64 entspricht dem Außendurchmesser des in axialer Richtung oberen Abschnitts des Rohranschlusselements 36. Somit kann der obere Abschnitt des Rohranschlusselements 36 von der Lagerhülse 64 aufgenommen werden. Auf der Innenseite der in dem Gehäusedeckel 56 angeordneten Lagerhülse 64 ist eine sechste Gruppe von Nuten 70 vorgesehen, in welche Dichtmittel zum Abdichten der Kontaktfläche zwischen dem Rohranschlusselement 36 und der in dem Gehäusedeckel 56 angeordneten Lagerhülse 64 eingebracht werden können.
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Durch die beschriebene Konstruktion und die genannten Dichtungen ist der Innenraum des Rohrstrangs bzw. des Rohranschlusselements 36 nach außen gasdicht abgedichtet. Ferner ist der Fluidraum 46 gegenüber der Durchgangsöffnung 14 gasdicht abgedichtet, und die Durchgansöffnung 14 ist gasdicht gegenüber der das Gehäuse 12 umgebenden Umgebung abgedichtet. Hierdurch ist die funktionale Sicherheit der Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtung 10 erhöht, da ein zu förderndes Medium nicht einfach aus der Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtung 10 austreten kann. Zusätzlich kann in der abgedichteten Durchgansöffnung 14 ein Druck überwacht und ein Warnsignal ausgegeben werden, wenn der Druck in der Durchgansöffnung einen Soll-Bereich verlässt.
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In 2 ist die Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtung 10 in einer Horizontalschnittdarstellung entlang der in 1 eingetragenen Schnittebene A-A dargestellt. Von der Durchgangsöffnung 14 führen tangential durch das Gehäuse 12 die Bohrungen 54 nach außen zur Umgebung. Durch die Bohrungen 54 ist eine Mehrzahl der oben beschriebenen, mit Mitteln 72 zur Messung des hydrostatischen Drucks in dem Fluidraum verbundenen Fluidleitungen 50 gelegt. Der 2 sind ferner die gleichmäßig um den Umfang des Gehäuses 12 angeordneten Halteschrauben 34, die gleichmäßig verteilten Landebolzen 32, der radial nach innen gerichtete und abschnittsweise ausgebildete Absatz 28 des oberen Hülsenelements 22 sowie das Rohranschlusselement 36 zu erkennen.
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Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Sie kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Bohrlochkopf-Anschlussvorrichtung
- 12
- Gehäuse
- 14
- Durchgangsöffnung
- 15
- Flanschstutzen am Gehäuse
- 16
- erste Nuten
- 18
- zweiteiligen Lagerhülse im Gehäuse
- 20
- unteres Hülsenelement
- 22
- oberes Hülsenelement
- 24
- Gleitfläche, Oberfläche
- 26
- Absatz des unteren Hülsenelements
- 28
- Absatz des oberen Hülsenelements
- 30
- zweite Nuten
- 32
- Landebolzen
- 33
- quadratischer Abschnitt der Landebolzen
- 34
- Halteschrauben
- 36
- Rohranschlusselement
- 38
- Kragen des Rohranschlusselements
- 40
- radial nach außen weisende Kragenfläche
- 42
- untere Absatzfläche des Kragens
- 44
- obere Absatzfläche des Kragens
- 46
- Fluidraum
- 48
- Speisebohrung in dem Kragen
- 50
- Fluidleitung
- 52
- dritte Nuten
- 54
- Bohrung am oberen Ende des Gehäuses
- 56
- Gehäusedeckel („packoff“)
- 58
- Flanschstutzen am Gehäusedeckel
- 60
- vierte Nuten
- 62
- axiale Bohrung im Gehäusedeckel
- 64
- Lagerhülse im Gehäusedeckel
- 66
- Schulter des Gehäusedeckels
- 68
- fünfte Nuten
- 70
- sechste Nuten
- 72
- Mittel zur Messung des hydrostatischen Drucks
