DE1237964B - Vorrichtung zum Messen von seitlichen Beanspruchungen in einem sich von einem Schiffbeim Bohren von Unterwasserbohrloechern im Kuestenvorland erstreckenden Rohrstrang - Google Patents

Description

DEUTSCHES PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 5 a - 7/12

Nummer: 1 237 964

Aktenzeichen: P 35587 VI a/5 a

1237964 Anmeldetag: 30. November 1964

Auslegetag: 6. April 1967

Es ist bereits eine Vorrichtung zum Messen von seitlichen Beanspruchungen in einem sich von einem Schiff beim Bohren von Unterwasserbohrlöchern im Küstenvorland erstreckenden Rohrstrang bekannt, bei der Abweichungen des Rohrstranges von der Senkrechten mit dem Ziel gemessen werden, unzulässige Beanspruchungen des Rohrstranges zu vermeiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfachere Vorrichtung für den gleichen Zweck zu schaffen, die auf dem Bohrlochkopf angeordnet ist und gestattet, die Biegebeanspruchung direkt zu messen.

Eine Vorrichtung zum Messen von seitlichen Beanspruchungen in einem sich von einem Schiff beim Bohren von Unterwasserbohrlöchern im Küstenvorland erstreckenden Rohrstrang hat deshalb erfindungsgemäß an dem Bohrlochkopf angebrachte und auf seitliche Verstellungen des Rohres ansprechende Fühlelemente, die mechanisch oder elektrisch mit Anzeigemitteln auf dem Bohrschiff verbunden sind.

Vorzugsweise enthalten die Fühlelemente Zylinder und Kolben, die um das Rohr herum angeordnet sind, wobei eine Verschleißhülse zwischen den Fühlelementen und dem Rohr vorgesehen ist.

Es kann eine an sich bekannte Gelenkverbindung zwischen den Fühlelementen und dem Schutzrohr vorgesehen sein, welches sich zur Wasseroberfläche erstreckt.

In den Zeichnungen ist die

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines schwimmenden Bohrschiffes über einem unter Wasser gelegenen Bohrloch mit der Einrichtung nach der Erfindung,

F i g. 2 ein senkrechter Schnitt durch ein Element, das eine elektrische Fühleinrichtung nach der Erfindung aufweist,

F i g. 3 ein Schnitt durch ein typisches elektrisches Fühlelement,

F i g. 4 ein Schaltplan einer elektrischen Einrichtung, die zusammen mit dem Fühlelement nach der F i g. 3 verwendet wird und

F i g. 5 ein senkrechter Schnitt durch ein Element, das eine hydraulische Fühleinrichtung nach der Erfindung aufweist.

Die F i g. 1 zeigt ein schwimmendes Bohrschiff 11, das mit Hilfe von Kabeln 12 und (nicht dargestellten) Ankern am Meeresboden verankert ist, so daß das Schiff 11 über einer Bohrung 13 im Boden 14 unterhalb des Meeresspiegels schwimmt. Mit dem Schiff 11 ist mittels der Kabel 17 od. dgl. eine Rohranordnung 16 verbunden, wobei das Rohr sich vom Schiff aus nach unten durch das Wasser zu einer in der Nähe des Bohrloches gelegenen Stelle erstreckt. Wie üblich, Vorrichtung zum Messen von seitlichen
Beanspruchungen in einem sich von einem
Schiff beim Bohren von Unterwasserbohrlöchern im Küstenvorland erstreckenden Rohrstrang

Anmelder:

Pan American Petroleum Corporation,
Tulsa, Okla. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. H. Ruschke und Dipl.-Ing. H. Agular,
Patentanwälte, München 27, Pienzenauer Str. 2

Als Erfinder benannt:

Renic P. Vincent, Tulsa, Okla. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 7. Februar 1964 (343 294)

erstreckt sich ein Standrohr 18 durch eine Grundplatte 19 bis zu einer geeigneten Tiefe in den Boden 14 hinein, ist in diesem befestigt und verankert das untere Ende des Rohres 16 am Bohrloch. Das Standrohr 18 ist am oberen Ende mittels eines geeigneten Verbinders 19 a mit einem Doppelpreventer 21 verbunden, der vom Bohrschiff aus hydraulisch betätigt wird.

Oberhalb des Preventers befindet sich ein rohrförmiges Element 22, das einen Teil der Rohranordnung 10 bildet, und an dem eine Fühleinrichtung 23 angebracht ist, die später noch beschrieben wird. Am oberen Ende des Elementes 22 ist mit Hilfe der Verbindung 24 ein rohrförmiges Gelenkstück 26 angebracht, das eine seitliche Bewegung des oberen Endes des Rohres 16 zuläßt, während dessen unseres Ende festgehalten wird. Daher kann das obere Ende des Rohres 16 sich frei bewegen, wenn das Schiff aus seiner Position oberhalb der Bohrlochstelle seitlich verschoben wird, ohne daß das untere Ende des Rohres beschädigt wird, an dem das größte Biegemoment auftritt. Das Gelenkstück 26 kann aus einer der vielen Ausführungen bestehen, die für diesen Zweck hergestellt werden. Das Gelenkstück besteht jedoch vorzugsweise aus der mit Ausschnitten versehenen Ausführung (wie in Fig. 1 mit unterbrochenen Linien dargestellt), die mit einer flüssigkeitsdichten und biegsamen Gummihülle versehen ist. Im Rohr wird vor-

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zugsweise oberhalb des Gelenkstückes und nahe an der Wasseroberfläche eine Schiebeverbindung 27 vorgesehen, die aus einem äußeren rohrförmigen Element

27 a und einem inneren Element 27 b besteht, das im äußeren rohrförmigen Element senkrecht gleitbar ist und Änderungen der Wassertiefe infolge der Gezeiteri u. dgl. ausgleicht. SolcheSchiebeverbindungen sind an sich bekannt und stehen in verschiedenen Ausführungen zur Verfügung.

Auf dem Schiff selbst ist der übliche Bohrturm mit dem Hebezeug, dem Drehtisch, der Antriebseinheit für diesen und mit der sonstigen zum Bohren erforderlichen Ausrüstung aufgestellt. Da diese Ausstattung im einzelnen keinen Teil der Erfindung bildet, so ist sie in den Zeichnungen nicht dargestellt und braucht daher auch nicht weiter beschrieben zu werden. Während des Bohrens wird ein Bohrgestänge 28 normalerweise vom Bohrschiff getragen und erstreckt sich nach unten durch den Drehtisch 30, durch das Rohr 16 und in das Bohrloch 13 hinein. Das Bohrgestänge ist am unteren Ende mit einem Bohrmeißel 29 versehen. Wie üblich, wird eine Spülflüssigkeit im Bohrgestänge

28 hinunter, durch den Bohrmeißel 29 hindurch und nach oben durch den Ringraum zwischen dem Bohrloch und dem Bohrgestänge und dann nach oben zwischen dem Bohrgestänge und dem Rohr zu einer Schlammgrube an der Wasseroberfläche in Umlauf gesetzt.

Bei einer vorherbestimmten seitlichen Verdrängung des Schiffes aus seiner Position oberhalb der Bohrlochstelle wird auch das obere Ende des Rohres 16 verschoben. Das Gelenkstück 26 krümmt sich, während die anderen Elemente der Rohrleitung unterhalb des Gelenkstückes, d. h. das rohrförmige Element 22, der Preventer usw., ortsfest bleiben. Das obere Ende des Rohres 16 kann daher innerhalb eines begrenzten Bogens um das Gelenk 26 herumschwenken, während die Ausrüstung unterhalb des Gelenkstückes ortsfest bleibt, da sie am Meeresboden verankert ist. Das Bohrgestänge 28 im Rohr 16 sucht gleichfalls eine Schwenkung um den Drehpunkt, d. h. das Gelenk, auszuführen, wobei das Bohrgestänge unterhalb des Gelenkstückes sich gegen die Innenwandung des ortsfesten rohrförmigen Gliedes 22 bewegt und seitlich gegen die Kraftfühleinrichtung drückt, die am rohrförmigen Glied 22 angebracht ist. Nach der Erfindung wird das Ausmaß und die Richtung der Versetzung des Schiffes in der Weise bestimmt, daß die Versetzung mit der Kraft in Beziehung gesetzt wird, mit der das innere rohrförmige Element, z. B. das Bohrgestängerohr, gegen das Rohr 16 drückt. Zum Ermitteln und Anzeigen dieser seitlich wirkenden Kraft können verschiedene Einrichtungen verwendet werden, von denen einige bevorzugte Ausführungen beschrieben werden.

Normalerweise können sich das Schiff und das obere Ende des Rohres 16 innerhalb einer vorherbestimmten Strecke von einer Position direkt oberhalb des Bohrloches aus seitlich bewegen, ohne daß die vom Schiff herabhängenden rohrförmigen Elemente übermäßig stark beansprucht werden. Zum Beispiel wird die Beanspruchung im Bohrgestänge 28 bestimmt von der Entfernung des rohrförmigen Elementes 22 vom Drehtisch, von der seitlichen Versetzung des Schiffes, von der Wandstärke und dem Durchmesser des Bohrgestänges, von der Spannung im Bohrgestänge am rohrförmigen Element 22 usw. Sind diese Veränderlichen bekannt, so kann die zulässige Ver-

setzung für jeden Fall mit Hilfe an sich bekannter Verfahren berechnet werden. Wie in den F i g. 2 und 5 dargestellt, ist zwischen dem Bohrgestänge 28 und der Verschleißbuchse 31 ein geeigneter Abstand vorgesehen, wenn diese Elemente senkrecht stehen. Bewegt sich das Schiff 11 über eine vorgewählte Strecke z. B. nach links, so schwenkt das Bohrgestänge 28 nach links und drückt seitlich gegen die Buchse 31, die den seitlichen Druck auf die Fühleinrichtungen 23 überträgt. Dieser seitliche Druck wird in Beziehung gesetzt zu dem Ausmaß der Versetzung des Schiffes, und der Ort, an dem das Rohr gegen die Buchse drückt, wird in Beziehung gesetzt zur Richtung der Versetzung.
Im rohrförmigen Element 22 werden vorzugsweise mehrere Fühlelemente 23 verwendet, und zwar üblicherweise vier solcher Fühlelemente, die nach Norden, Süden, Osten und Westen ausgerichtet sind. Wie in den F i g. 2 und 5 dargestellt, ist im rohrför» migen Element 22 eine zylindrische Verschleißbuchse 31 angeordnet. Die Verwendung einer solchen Verschleißbuchse ist vorzuziehen, um die Abnutzung am rohrförmigen Element zu vermindern, weiche Buchse zugleich ein geeignetes Mittel darstellt, das den Druck des Bohrgestänges auf die Fühlmittel überträgt. Die Verschleißbuchse 31 wird vorzugsweise an der Gebrauchsstelle arretiert und kann durch geeignete Werkzeuge entfernt werden, wie an sich bekannt. Üblicherweise wird die Verschleißbuchse aus weichem Kohlenstoffstahl oder aus einem anderen geeigneten Material hergestellt.

Nach der Darstellung sind um das rohrförmige Glied 22 herum in gleichen Abständen vier Fühlelemente 23 angeordnet, die mit der Außenseite der Verschleißbuchse 31 in Berührung gelangen, wenn das Bohrrohr seitlich gegen die Innenseite der Verschleißbuchse drückt. Üblicherweise sind die Fühlelemente belastungsfrei, wenn das Schiff sich direkt über dem Bohrloch befindet, und eine seitliche Versetzung des Schiffes über eine vorherbestimmte Strecke hinaus bewirkt, daß das Bohrgestänge gegen die eine Seite der Buchse drückt und bei den betreffenden Fühlelementen eine Druckbelastung erzeugt. Wie in der F i g. 2 dargestellt, weisen die Fühlelemente ein Stopfenglied 33 auf, das in einen Ansatz 34 an der Wandung des rohrförmigen Elementes flüssigkeitsdicht eingeschraubt ist. Jedes Fühlelement weist ferner ein inneres Druckübertragungsglied 36 auf, das mit der Verschleißbuchse 31 in Berührung steht und den Druck auf ein Glied 37 überträgt, an dem ein oder mehrere elektrische Widerstandsmesser 38 vorgesehen sind. Diese Widerstandsmesser können aus der Drahtgitteroder Halbleiterausführung bestehen, die bei Piezowiderstandsmaterialien, z. B. Silikon- oder Germaniumkristalle, verwendet werden. Die Widerstandsmesser sind durch elektrische Leiter 39 mit einer geeigneten elektrischen Schaltung verbunden. In den Fühlelementen müssen geeignete wasserfeste Widerstandsmesser verwendet werden, um einen Kurzschluß zu vermeiden und um mit Sicherheit eine genaue Messung zu erzielen, wie an sich bekannt. An den Fühlelementen ist eine äußere Abdeckung 41 mit den flüssigkeitsdichten Dichtungsringen 42 vorgesehen, die Feuchtigkeit, Schmutz u. dgl. fernhält. Die elektrischen Leiter 39 werden üblicherweise durch die Rohrleitung 43 hindurchgeführt, und diese Leitungen verlaufen durch eine einzelne Leitung 40 längs des Rohres 16 zu den geeigneten Anzeigegeräten 40 a auf dem Schiff 11.

Claims (1)

Jedes Fühlelement wird üblicherweise mit zwei elektrischen Widerstandsmessern an der Außenseite des Gliedes 37 versehen, das die Druckbelastung als Folge der seitlich gerichteten Kraft mißt, die auf das Glied 37 ausgeübt wird, wenn das Bohrgestänge 28 gegen die Buchse 31 drückt. Wie aus der F i g. 4 zu ersehen ist, sind die von jedem Beanspruchungsmesser abgehenden elektrischen Leiter 39 in einen Briikkenkreis 44 eingeschaltet, an den ein Verstärker 46 und eine Anzeigevorrichtung 47 (oder eine Aufzeichnungsvorrichtung, wenn gewünscht) angeschlossen ist, die so geeicht ist, daß das Ausmaß der Abweichung des Schiffes von dem Stand genau über dem Bohrloch direkt angezeigt wird. Eine Stromquelle 48 versorgt die am Fühlelement angebrachten Beanspruchungsmesser mit elektrischer Energie. Normalerweise brauchen Temperaturänderungen in den Beanspruchungsmessern nicht berücksichtigt zu werden. Wie dargestellt, können in der Brückenschaltung zwei Nord-Meßeinrichtungen 38 und zwei Süd-Meßeinrichtungen 38 verwendet werden. Bei dieser Anordnung werden am Gerät nur zwei Anzeigeeinrichtungen verwendet, von denen eine Anzeigerichtung die Nord-Süd-Ausrichtung und die andere Anzeigerichtung die Ost-West-Ausrichtung anzeigt. Wird jedoch eine Temperaturkompensation gewünscht, so kann die Anlage in an sich bekannter Weise auch für diesen Zweck abgeändert werden. Wie aus der F i g. 5 zu ersehen ist, können an Stelle der oben beschriebenen Beanspruchungsmesser auch andere Fühlmittel verwendet werden.Bei dieser Einrichtung werden mehrere Fühlelemente verwendet, von denen jedes Element einen in einem hydraulischen Zylinder 52 gleitbar gelagerten Kolben 51 aufweist, welche Zylinder an der Wandung des rohrförmigen EIementes 22 axial aufeinander ausgerichtet angeordnet sind. Eine hydraulische Leitung 53 verbindet den Zylinder 52 mit einem Druckmesser 54, der üblicherweise auf dem Schiff 11 angeordnet ist. Die Leitung 53 und der Druckmesser 54 sind mit einer geeigneten Flüssigkeit, z. B. Öl, gefüllt. Steht das Bohrgestänge senkrecht, so ist der Druck in den Leitungen stabil. Wird jedoch das Schiff seitlich versetzt, so drückt das Bohrgestänge gegen die Buchse 31 in der Richtung der Versetzung, wobei der Druck in den Leitungen sich entsprechend dem Ausmaß und der Richtung der Versetzung verändert. Drückt das Bohrgestänge 28 gegen die Verschleißbuchse 31, wie oben beschrieben, so wird der seitliche Druck auf den betreffenden Kolben übertragen, der in seinem Zylinder nach außen bewegt wird, so daß der Flüssigkeitsdruck in der Leitung erhöht wird. Diese Druckveränderungen werden an dem betreffenden Druckmesser angezeigt. Jeder Druckmesser 54 wird vorzugsweise in Werten der Versetzung des Schiffes 11 von dem gewünschten Standort aus direkt über der Bohrlochstelle geeicht. Wie bereits erwähnt, können um das rohrförmige Element 22 herum in gleichen Abständen an der Nord-, Süd-, Ost- und West-Stelle insgesamt vier hydraulische Zylinder und Kolben vorgesehen werden. Die entsprechenden vier Druckmesser auf dem Schiff zeigen daher das Ausmaß und die Richtung der Versetzung des Schiffes an. Um die Druckmesser 54 oder die Anzeigeeinrichtungen 47 der Belastungsmesser so zu eichen, daß sie das Ausmaß und die Richtung der Versetzung des Schiffes genau anzeigen, müssen die Fühlelemente am Rohr genau ausgerichtet werden, und diese Ausrichtung muß aufrechterhalten werden, wenn die Rohr- anordnung an den Preventern angebracht wird. Das Rohr wird normalerweise an Bord des Schiffes 11 zusammengesetzt und dann durch eine geeignete Ausrüstung zur Bohrlochstelle hinabgelassen, wobei die unteren Verbindungen beim Hinablassen der Ausrüstung selbsttätig hergestellt werden können, oder es kann ein Taucher verwendet werden, der die Herstellung der Verbindung unterstützt. In jedem Falle muß die genaue Ausrichtung der Fühlelemende aufrechterhalten werden. Ferner muß die Wassertiefe genau bekannt sein oder genauer die Entfernung des Drehtisches von der Stelle, an der sich das Gelenk und das rohrförmige Element 22 befindet, sowie die Kenndaten des im Bohrgestängestrang 28 verwendeten Bohrgestänges, da diese Faktoren zusammen mit der Zugbelastung des Bohrgestänges und des Rohres 16 den Grad beeinflußt, mit dem das Bohrgestänge 28 bei einer seitlichen Versetzung des Schiffes in bezug auf den gewünschten Standort beansprucht wird. Zu diesem Zweck können geeignete Unterlagen oder Tabellen auf Grund vorher angestellter Berechnungen zusammengestellt werden, die die zulässige seitliche Versetzung des Schiffes bei den vorliegenden Bedingungen anzeigen. Wenn die Instrumente anzeigen, daß das Schiff sich von der gewünschten Stelle direkt über dem Bohrloch aus seitlich über eine vorgewählte Strecke hinaus entfernt hat, so kann das Schiff durch Nachspannen der betreffenden Verankerungskabel oder durch eine Fabrt in der entsprechenden Richtung in den Bezirk einer vorherbestimmten waagerechten Entfernung von der Stelle des Bohrloches zurückgeführt werden, so daß die Beanspruchung des Bohrgestänges gering gehalten wird. Die Fühleinrichtung kann auch an einer Stelle längs des Steigrohres anstatt unmittelbar unterhalb des Gelenkstückes angeordnet werden, wie oben beschrieben, obwohl alle Anordnungsstellen nicht mit Notwendigkeit die gleichen Ergebnisse zeitigen. In gewissen Fällen kann es vorteilhaft sein, die Fühleinrichtung entweder oberhalb des Wasserspiegels, z. B. in der Drehtischanordnung, oder an einer in geringer Entfernung unterhalb des Drehtisches gelegenen Stelle anzuordnen, um eine Anzeige der Beanspruchungen im Bohrgestänge auf Grund einer seitlichen Versetzung des Schiffes aus dessen Position oberhalb des Bohrloches zu erhalten. Es kann erwünscht sein, die Fühleinrichtung im Rohr nahe an dessen oberen Ende anzuordnen. Bei dieser Anordnung der Fühleinrichtung brauchen keine Unterwasserverbindungen zwischen der Fühleinrichtung und der Anzeigeeinrichtung vorgesehen zu werden, und die Bauelemente sind für die Wartung leichter zugänglich. Die in der F i g. 5 dargestellten und als hydraulische Einrichtung beschriebenen anderen mechanischen Fühlmittel können ohne weiteres für eine pneumatische Einrichtung abgeändert werden, wobei im wesentlichen dieselben Elemente verwendet werden können. Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Messen von seitlichen Beanspruchungen in einem sich von einem Schiff beim Bohren von Unterwasserbohrlöchern im Küstenvorland erstreckenden Rohrstrang, gekennzeichnet durch an dem Bohrlochkopf angebrachte und auf seitliche Verstellungen des Rohres (28) ansprechende Fühlelemente (23), die