DE2061472A1

DE2061472A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Auf rechterhalten einer Zugspannung an einem Unterwasser Steigrohr

Info

Publication number: DE2061472A1
Application number: DE19702061472
Authority: DE
Inventors: Charles Drovil Houston Tex Cnckmer (V St A )
Original assignee: Joy Manufacturing Co Pittsburgh Pa (V St A )
Priority date: 1969-12-15
Filing date: 1970-12-14
Publication date: 1971-06-16
Also published as: US3643751A; JPS5123921B1; GB1319970A

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Aufi?ecftterhaiten einer Zugspannung an einem Unterwasser-Steigrohr

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufrechterhalten einer Zugspannung an einem axial hin- und herbewegbaren, langgestreckten, im Wasser untergetauchten Steigrohr sowie eine Spannvorrichtung für ein Steigrohr, das in einem Gewässer verwendet wird,

Bohrarbeiten und andere Tätigkeiten am Heeresgrund werden oft von Schiffen oder Schwimmplattformen aus durchgeführt. Derartige Bohrarbeiten, können dui'ch die Verwendung eines Steigrohrs erleichtert werden, das sich von der Plattform bis zu einem Bohrlochkopf erstreckt, der sich am Meeresgrund befindet. Da die Steigrohre eine in bezug auf ihren Trägheitsradius relativ große Länge haben, besitzen sie gegenüber resultierenden Druckkräften, die auf das Rohr ausgeübt werden, nur eine verhältnismäßig

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geringe Festigkeit. Daher muß dafür gesorgt- werden, aaß beim Bohren in großer Wassertiefe auf das Rohr ein Überschuß an Zugkraft ausgeübt wird.

Angesichts des vorstehend angegebenen Problems sind bereits verschiedene Einrichtungen entwickelt worden, mit denen die gewünschte resultierende Zugkraft gewährleistet wird. Beispielsweise hat man an der Plattform Einrichtungen zur Kompensation von Hubbewegungen und zum Ausüben einer Zugkraft vorgesehen oder es wurde das obere Ende des Steigrohrs mit einer Kolbenanordnung versehen, die von einer außen befindlichen Druckquelle derart druckbeaufschlagt wird, daß auf das Steigrohr eine konstante aufwärtsgerichtete Kraft wirkt. Solche Einrichtungen arbeiten zwar mit einem erträglich guten Wirkungsgrad, doch sind sie ziemlich kompliziert * erfordern eine häufige Wartung und sind infolge der großen Anzahl von Bestandteilen öfter unerwarteten Störungen unterworfen. Jedes Versagen der Einrichtungen zum Aufrechterhalten der Zugspannung kann dazu führen, daß das Steigrohr unter Druckbeanspruchung ausknickt· Insgesamt sind die erwähnten Einrichtungen relativ aufwendig."

Beim Bohren von einer Schwimmplattform aus tritt ferner die Schwierigkeit auf, daß die durch den Wellenhub, die Gezeiten und dergleichen verursachten Vertikalbewegung des Schiffes kompensiert werden muß. Dieses Problem kann durch verschiedene Maßnahmen gelöst werden. Beispielsweise hat man eine Gleitverbindung benutzt, die an den Gleitflächen mit Dichtungsmitteln versehen ist. In den derzeit verwendeten Anordnungen dieser Art müssen diese Dichtungsmittel periodisch von Hand ausgewechselt werden, wenn sie so stark abgenutzt sind, daß sie nicht mehr wirksam sind.

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Ein wichtiges Ziel der Erfindung bc?üteht darin, unter Vermeidung der Nachteile der bekannten Ausführungen mit einfachen Mitteln das zuverlässige Aufrechterhalten einer Zugspannung an einem Unterwasser-Steigrohr zu gewährleisten.

Ein "Verfahren der eingangs angegebenen Art ist erfindungsgemäß so ausgestaltet, daß auf eine untergetauchte fläche im unteren, iü'eil des Steigrohrs ständig eine abwartsgerichtete Kraft ausgeübt wird, indem oberhalb dieser Mäche eine Druckflüssigkeit "vorgesehen v/ίϊά, deren hydrostatischer Druck auf die genannte Fläche wirkt, und daß von einer · oberhalb des Wasserspiegels gelegenen Stelle der Druck in einem von außen zugeführten Druckmittel aufrechterhalten wird, das mit einer anderen untergetauchten Fläche im unteren Teil des Steigrohrs derart beaufschlagt wird, daß auf das Steigrohr eine aufwärtsgerichtete Kraft ausgeübt wird, die stets schwächer ist als die abwärtsgerichtete Kraft.

Eine Spannvorrichtung der eingangs genannten Art ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen langgestreckten Körper, in dem eine unregelmäßig axial hin- und herbewegbarer unterer Teil des Steigrohrs angerodnet ist und der diesen unteren Teil umgibt, sich von ihm radial erstreckt und zusammen mit dem unteren Teil des Steigrohrs in allen axialen Relativstellungen zwischen dem Körper und dem unteren Teil des Steigrohrs eine dicht verschlossene Ringkammer begrenzt, durch eine Ringkolbenanordnung, die von dem unteren Teil des Steigrohrs zwischen den axialen Enden dieses unteren Teils getragen ist, axial mit dem Steigrohr bewegbar sowie in der Ringkammer angeordnet ist und sich bei einer Axialbewegung des unteren Teils des Steigrohrs axial in der Ringkamnter verschiebt, so daß in der Kammer ein dicht abgeschlossener oberer Raum und ein dicht abgeschlossener unterer Raum vorhanden sind, durch mindestens einen in dem Körper oder in dem unteren Teil des Steigrohrs vorgesehenen

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Kanal, der eine Verbindung zwischen einer Druckflüssigkeitsquelle und dem dicht verschlossenen oberen Raum herstellt, und durch eine Druckinittelleitung, die eine Verbindung zwischen dem unteren Raum und einer außen angeordneten Druckmittelquelle herstellt.

Die hydrostatische Steigrohr-Spannanordnung gemäß der Erfindung bildet eine relativ unkomplizierte, in sich geschlossene Einheit, die in geringem Abstand über der Bohrlochkopf anordnung angeordnet ist und den unteren Teil des Steigrohrs verschiebbar aufnimmt. An dem in der Spannvorrichtung hin- und herbewegbaren Teil des Steigrohrs ist ein Kolben befestigt· Ein oberhalb des Kolbens unter Druck stehendes Druckmittel übt auf die obere Fläche des Kolbens eine Abwärtskraft aus, die gewährleistet, daß auf das Steigrohr die gewünschte resultierende Zugkraft wirkt. Die Anordnung nach der Erfindung erfordert verglichen mit dem Stand der Technik nur wenig Aufwand und ist so einfach, daß keine ständige Überwachung notwendig und die Gefahr eines unerwarteten Ausfalls weit geringer ist als bei den bekannten Spannvorrichtungen.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß fließfähiges Dichtungsmaterial von außen, z. B. direkt von der Plattform aus, kontinuierlich nachgefüllt werden kann und die untergetauchten Flächen gegenüber anderen Druckwirkungen zu isolieren. Dank dieser Maßnahme ist eine manuelle Erneuerung der Dichtung nicht erforderlich.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Augführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Darin zeigt:

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ii^:i:.J,.;:!^ »it,

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Pig.

!"ig. 1 eine schematisierte Ansicht einer Ausführungsform einer Anordnung zum Bohren am Grunde eines ■ . Gewässers von einer voll schwimmfähigen Plattform aus, unter Verwendung einer hydrostatischen Steigrohr-Spannvorriehtung gemäß der Erfindung,

einen Vertikalschnitt durch eine Ausführungsform der hydrostatischen Steigrohr-Spannvorriehtung gemäß der Erfindung,

j einen Vertikalschnitt durch eine andere Ausführungsform der hydrostatischen Steigrohr-Spannvorriehtung gemäß der Erfindung,

eine schematisierte Ansicht, teilweise im Schnitt, eines Zugkraftreglers zur Verwendung mit einer' hydrostatischen Steigrohr-Spannvorriehtung gemäß der Erfindung und .

einen Vertikalschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer hydrostatischen Steigrohr-Spannvorrichtung gemäß der Erfindung.

Fig.

Pig.

Man erkennt in Pig. 1 eine ζ. Β» vor der Küste liegende Bohrplattform 10, die auf einem Gewässer schwimmt und an dessen Grund verankert ist· Die Plattform 10 besitzt einen zentralen Schacht 12 und einen über diesem aufgestell ten Bohrturm mit Rotary-Bohrmaschinen. Die Bohr- und anderen Arbeiten werden durch ein Steigrohr 16 hindurch durchgeführt, das in dem Schacht 12 angeordnet und auf geeignete Weise, z, B.(nicht gezeigt) mit SiIfe von Seilen oder einem Kardanflansch, an der Plattform 10 befestigt ist.

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Das Steigrohr 16 erstreckt sich von dem Schacht 12 abwärts und greift mit seinem unteren Ende verschiebbar und unverlierbar in eine koaxial angeordnete, vertikal langgestreckte Steigrohr-Spannvorrichtung 18 ein. Auf einer am Grund des Gewässers vorhandenen Formation 22, in die ein Loch gebohrt werden soll, ist ein Bohrlochkopf 20 angeordnet. Dieser besitzt mehrere an sich bekannte, übereinander·- gestapelte Abweiser oder Preventer 23. Ein Verbindungsrohr erstreckt sich von dem obersten Preventer 23 zu dem unteren Ende der Spannvorrichtung 18 und ist an seinen Enden lösbar mit den entsprechenden Enden dieser Teile verbunden. Zwischen seinen axialen Enden besitzt das Verbindungsrohr 24 einen an sich bekannten Ausgleicher 26, der eine begrenzte·Querverschwenkung des Steigrohrs 16 und der Spannvorrichtung gegenüber dem ortsfesten Bohrlochkopf 20 gestattet. Diese begrenzte Querschwenkbarkeit ist erwünscht, weil Querströme und Windkräfte die Plattform 10 aus ihrer Normalstellung bewegen können.

In der vorstehend beschriebenen Ausfühxungsform ist zwischen dem unteren Ende des Steigrohrs 16 und der Spannvorrichtung 18 eine Gleitverbindung vorhanden, so daß die wirksame Länge des Steigrohrs 16, d. h. die Länge seines oberhalb des oberen Endes der Spannvorrichtung 18 befindlichen Teils, verändert werden kann und dadurch eine Kompensation von Vertikalbewegungen der Plattform ermöglicht wird. Derartige Vertikalbewegungen können z. B. durch den Wellenhub und durch die Gezeiten verursacht werden. Die axiale Länge oder der größte Hub der Spannvorrichtung 18 ist daher so gewählt, daß die Plattform zur Kompensation des Wellenhubes und der Gezeiten eine begrenzte Vertikalbewegung von beispielsweise etwa 18 m ausführen kann.

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Die Erfindung bezieht sich auf die Konstruktion und die Arbeitsweise der Spannvorrichtung 18. Die übrigen vorstehend erwähnten Elemente sind in der Technik bekannt und brauchen daher nicht näher beschrieben zu worden, außer soweit dies für das Verständnis des Aufbaues der Spannvorrichtung 18 erforderlich ist,

■ *

Im Betrieb ist ein Steigrohr 16 verschiedenen Kräften ausgesetzt,.'£· B* seine» Eigengewicht, Unterwasserströmungen, Schlagkräften* durch die aufwärts im Steigrohr zurückfließende Spülung erzeugten resultierenden Druckkräften, an der Gleitverbindung des Rohrs auftretenden Reibungskräften, infolge der Bewegung der Spülung gegen die Innenwandung des Rohrs an dieser auftretenden Reibungskräften, auf die Plattform 10 wirkenden und an das Steigrohr 16 übertragenen Windkräften, dem Seewasserdruck una dergleichen. Alle vorstehend angegebenen Kräfte können mit einiger Genauigkeit berechnet werden. Hinsichtlich ihrer Einwirkung auf ein Steigrohr 16 und der Berechnung des diesen Kräften ausgesetzten Steigrohrs gehen {jedoch die Meinungen in der Fachwelt sehr weit auseinander. Theoretische Erörterungen im folgenden dienen daher nur zur Erläuterung einer Möglichkeit zur Erfassung der am Steigrohr wirksamen Kräfte, während die Erfindung in der Konstruktion und dem Betriebsverfahren der hydrostatischen Zugspannvorrichtung 18 für das Steigrohr besteht.

Zur Bestimmung der auf das Steigrohr 16 wirkenden Kräfte kann man das Rohr 16 als Säule auffassen, die oben verstiftet sowie abgestützt und unten geschlossen sowie geführt, aber nicht abgestützt ist. Diese Annahme ist gerechtfertigt, weil vorausgesetzt v/erden kann, daß durch die Befestigung des Steigrohrs 16 an der Plattform 10 das obere Ende gegen eine Vertikalbewegung festgelegt ist und daß durch die Gleitverbindung zwischen dem Steigrohr 16

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.und der Spannvorrichtung 18 das Steigrohr 16 zwar nicht abgestützt, aber derart geführt ist, daß es keine Querbewegung ausführen kann. Die Annahme, daß das Steigrohr 16 am unteren Ende geschlossen ist,beruht auf der Tatsache, daß die Spülung in dem Steigrohr eine ununterbrochene Säule bildet. ;

Zur Analyse der wichtigsten konstanten Kräfte am Steigrohr 16 hinsichtlich seines Eigengewichts, das auf das Rohr eine resultierende Zugkraft ausübt, und des Gewichts der in dem Steigrohr 16 enthaltenen Spülung, wodurch in dem Steigrohr 16 eine resultierende Druckkraft erzeugt wird, kann man annehmen, daß der Druck der oberhalb jedes betrachteten Teils des Steigrohrs befindlichen Spülung eine Kraft erzeugt, die vom Inneren des Steigrohrs auswärtsgerichtet ist. Man erkennt, daß insgesamt eine relativ starke resultierende Druckkraft auf das Steigrohr 16 wirkt.

Die derzeit verwendeten Steigrohre sind oft langer als etwa 91 m und haben gewöhnlich einen Durchmesser von 508 mm. Wenn man ein Steigrohr mit einer Länge von 91 m, einem Druchmesser von 508 mm und einem Trägheitsradius von etwa 17»8 mm betrachtet, erkennt man ohne weiteres, daß eine von dem Schlankheitsgrad (K—l/r) des Steigrohrs abhängige Festigkeit desselben gegenüber einer resultierenden Druckspannung praktisch nicht vorhanden ist. Angesichts der vorstehend erörterten, allgemeinen Analyse ist daher die hydrostatische Spannvorrichtung 18 vorgesehen, die gewährleistet, daß die resultierende Spannung in dem Steigrohr 16 keine Druck-, sondern eine Zugspannung ist. Es ist bekannt, daß die Länge des Steigrohrs keinen Einfluß auf seine Festigkeit gegenüber einer resultierenden Zugspannung hat.

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Die hydrostatische Steißrohr-Spannvorrichtung 18 (Fig. 2) "besitzt einen mittleren Rohrkörper 28, der einen, größeren Durchmesser hat als das Steigrohr 16, sowie einen öfteren und einen unteren zylindrischen Endteil 30 bzw. 32y die annähernd denselben Durchmesser haben wie der Rohrkörper 28 und an seinem oberen bzw. unteren Ende lösbar befestigt sind. Die Teile 30, 32 sind von je einer zentralen Bohrung 31 bzw. 36 durchsetzt, die denselben Durchmesser hat wie das Steigrohr 16, so daß dieses dicht und verschiebbar in der Spannvorrichtung 18 sitzt. Der Teil 32 ist mit seinem unteren Ende lösbar an dem Verbindungsglied 24 befestigt, so daß die Spannvorrichtung 18 gegen 3ede Vertikalbewegung relativ zu dem Bohrlochkopf 20 festgelegt ist. Der Innendurchmesser des Verbindungsgliedes 24 ist etwas größer als der Außendurchmesser des Steigrohrs 16.

im Außenumfang des Steigrohrteils 38 ist zwischen den Enden seines in der Spannvorrichtung 18 hin- und herbewegbaren Bereichs ein ringförmiger Kolben 40 dicht befestigt. Der Außendurchmesser des Kolbens 40 ist im wesentlichen gleich dem Innendurchmesser des Rohrkörpers 28. Mit Hilfe von in Umf angsnuten 44 des Kolbens 40 sitzenden Dichtungen 42 ist der Kolben 40 in dem Rohrkörper 28 dicht und verschiebbar angeordnet.

Der Steigrohrteil 38 hat mehrere um seinen Umfang verteilte Löcher 46, die mit radial auswärts gerichteten . Kanälen 48 des Kolbens 40 korrespondieren. Die Kanäle 48 enden in Kanälen 50, die ebenfalls in dem Koben 40 ausgebildet sind, sich von den Kanälen 48 aufwärts erstrecken und an ihrem oberen Ende in einen oberen Raum 52 der Spannvorrichtung münden. Der Raum 52 wird von dem Ringraum ge-

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bildet, der oberhalb des Kolbens 40 zwischen dem Außenumfang des Steigrohrteils 38 und dem Innenumfang des Rohrkörpers 28 vorhanden ist. In einer Uinfangsnut 56 am Innenumfang des Teils 30 befindet sich eine Dichtung 54, mibderen Hilfe der ßteigrohrteil 38 dichb und verschiebbar in dem Teil 30 angeordnet und der Raum 52 gegenüber dem Einfluß des Außendruckes isoliert ist.

Der Steigrohrteil 38 kann außerdem anstatt aus einem einzigen Stück aus einem langgestreckten oberen und einem langgestreckten unteren Stück bestehen. Bei einem derartigen, aus zwei Stücken zusammengesetzten Steigrohrteil 38 ist das untere Stück mit seinem oberen Endteil und das obere Stück mit seinem unteren Endteil in den Kolben 40 eingeschraubt, wobei die einander benachbarten Stirnflächen der Stücke des Steigrohrteils 38 entweder aneinander oder sehr nahe beieinander liegen. Bei einem Abstand zwischen den Stirnflächen der Stücke des Steigrohrteils 38 in dem Kolben 40 sind die Löcher 46 nicht erforderlich, v/eil die Kanäle 48 mit dem Zwischenraum korrespondieren können, so daß die Spülung direkt darin eintreten kann.

Ein unterer Raum 58 wird in der Spannvorrichtung von dem Ringraum gebildet, der unterhalb des Kolbens 40 zwischen dem Außenumfang des Steigrohrteils 38 und dem Innenumfang des Rohrkörpers 28 vorhanden ist. In diesem unteren Raum wird ein atmosphärischer Druck mit Hilfe eines Druckausgleichschlauches oder -rohres 60 aufrechterhalten, der bzw. das sich von dem Wasserspiegel abwärts erstreckt und mit einem Kanal 62 gekuppelt ist, der durch den Teil 32 in den Raum 58 führt. Gegenüber anderen Druckwirkungen ist der Raum 58 durch eine Dichtung 63 isoliert-, die in einer Umfangsnut 64 am Innenumfang des Teils 32 sitzt und dafür sorgt, daß der Steigrohrteil 38 dicht und verschiebbar in dem Teil 32 angeordnet ist.

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Es sind Dichtungshalteringe 66 und 68 vorgesehen, deren Innendxirchmesser im wesentlichen gleich dem Außendurchmesser des Steigrohrteils 38 ist und die je einen lösbar in eine der Nuten 56 und 64 eingreifenden Teil "besitzen, so daß jede VertikalverSchiebung der Dichtungen •verhindert wird.

Die zurückkehrende Spülung strömt durch den Bohrlochkopf 20, die Prevent ei· 23, das Verbindungsglied 24, durch die Spannvorrichtung, in der die Spülung aus den Löchern 46 austritt und den oberen Raum 52 der Spannvorrichtung füllt, und durch das Steigrohr 16, aus dem die Spülung in einen geeigneten, von der Plattform 10 gehaltenen Spülungsbehälter eintritt. Infolge des im Steigrohr 16 oberhalb der Spannvorrichtung befindlichen Spülung ist oberhalb des Kolbens 40 ein Druck vorhanden. Wenn daher der Raum 52 vollständig mit Spülung gefüllt ist, wirkt auf die .wirksame Kolbenfläche A, des Steigrohrs 16 eine abwärtsgerichtete, d. h. im Sinne einer Zugspannung wirkende Kraft F, die annähernd durch den Ausdruck IP«?P,, · H,. · A-, bestimmt wird. Dabei ist P,. die Dichte der Spülung, IL· die Länge der Säule der Spülung oberhalb des Bohrlochkopfes 40 und A, die wirksame obere Kolbenfläche des Kolbenkopfes 40.·

Im unteren Raum 58 wird Atmospharendruck durch den Druckausgleichssc^Hauch 60 aufrechterhalten, der den Raum 58 mit der Atmosphäre verbindet, so daß die auf die untere Kolbenfläche des Kolbens 40 wirkende Druckkraft, die mit A,¹ mal dem atmosphärischen Druck berechnet werden kann, der abwärtsgerichteten Kraft P^. ·EL-A, nur einen vernachlässigbar kleinen Widerstand entgegensetzt. Dabei ist A,¹ gleich der wirksamen unteren Kolbenfläche des Kolbens 40.

Als Beispiel sei die Zugkraft berechnet, die eine Spannvorrichtung 18 mit einem Durchmesser vom 838 mm in einer Tiefe von 121,9 m unter dem Wasserspiegel auf ein

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Steigrohr 16 ausübt, das einen Außendur chines.« ei- von 508 mm nat, wenn eine Spülung mit einem spezifischen Gewicht von etwa 1,92 g/cnr verwendet wird. Bei den oben angegebenen Werten.erhält man für die auf die obere Fläche des Kolbens 40 wirkende, abwärtsgerichtete Kraft P^«EL ·A^ einen Wert von etwa 8165 kp. Diese von der Zugspannvorrichtung ausgeübte Zugkraft von 8165 kp gewährleistet, daß auf das Steigrohr 16 eine gewünschte resultierende Zugkraft wirkt, wenn alle vorstehend beschriebenen Kräfte berücksichtigt werden.

Mir die Bestimmung der gewünschten wirksamen oberen Kolbenfläche des Kolbens 40 ist zunächst die Zugkraft wichtig, mit der gewährleistet werden kann, daß unter praktisch allen Bedingungen eine resultierende Zugkraft auf das Steigrohr 16 ausgeübt wird. Da Veränderungen der Bedingungen dazu führen können, daß die Zugkraft viel stärker ist als erforderlich, ist es unter derartigen Umständen zweckmäßig, die von der Spannvorrichtung 18 ausgeübte Zugkraft durch eine geeignete Einrichtung zu regeln. Ein geeigneter Regler ist in Fig. 4 mit 70 bezeichnet und umfaßt einen hermetisch dichten Behälter 72, der in dem Druckausgleichsschlauch 60 zwischen dessen Enden angeordnet ist, eine mit dem Behälter 72 in Verbindung stehende Pumpe 74 und eine Pumpsteuerleitung 76, die von der Plattform 10 zur Pumpe 74 führt. Man erkennt, daß der Regler 70 auch mit anderen, nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen der Zugspannvorrichtung verwendet werden kann.

Wenn die auf den Kolben 40 abwärt«wirkende Kraft aus den vorstehend angegebenen Gründen verringert werden soll, wird im Betrieb des Reglers 70 dem Schlauch 60 am Wasserspeigel ein Druckmittel zugeführt, das durch den Schlauch in den Raum 58 strömt und den Raum 58 vollständig füllt, so daß auf die untere Fläche des Kolbens 40 eine AufwärtR-kraft wirkt, die der auf die obere Fläche des Kolbens abwärtswirkende Kraft entgegenwirkt. Der Wert der auf den

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Eolben 40 wirkenden Aufwärtskraft ist praktisch immer von dem Druck der Druckmittel säule in dem Schlauch 60 und dem Behälter 72 abhängig. Wenn, der Widerstand gegen die auf den Eolben 4-0 abwärtswirkende Kraft herabgesetzt werden soll· Zieht man mit Hilfe der Pumpe 74 Druckmittel aus dem Raum 58 ,iⁿ den. Behälter γ2 ab, aus dem das Druckmittel gegebenenfalls durch den Schlauch 60 nach oben abgelassen wer- ' den kann. Das aus dem Raum 58 abgezogene Druckmittel kann gegebenenfalls auch unter dem Meeresspiegel in das Wasser abgelassen werden. Man kann auch eine Pumpe» z. B. die Pumpe 74, zur Abgabe von unerwünschtem Druckmittel verwenden, das in den unteren Raum 58 der Spannvorrichtung eingedrungen sein kann.

Der Raum 58 läßt sich auch dadurch mit Druckmittel füllen, daß man über ein geeignetes Absperrorgan 73 eine Verbindung zwischen dem Inneren des Behälters 72 und dem umgebenden Seewasser herstellt. Dieses Absperrorgan wird über eine Steuerleitung 75 gesteuert, die vcn der Plattform Ί0 zu dem Absperrorgan 73 führt. Wenn in einer derartigen Anordnung der Raum 58 mit Druckmittel gefüllt werden soll, wird das Absperrorgan 73 geöffnet und strömt das Seewasser durch den Behälter 72 und schließlich in den Raum 58. Der natürliche Druck des umgebenden Seewassers genügt zum Füllen des Raums 58.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer hydrostatischen Steigrohr-Spannvorrichtung 18' gemäß der Erfindung. Diese Vorrichtung ist mit einer Einrichtung zum Nachfüllen von Dichtungsmaterial von der Plattform 10 aus direkt zu den Dichtungsstellen der Zugspannvorrichtung 18' versehen, so daß die Dichtungen nicht manuell erneuert zu werden brauchen. Da die his? dargestellte Ausführungsform der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ähnlich ist, werden für ähnliche Teile dieselben, gegebenenfalls apostrophierten Bezugsziffern verwendet.

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Die hydrostatische Steigrohr-Spannvorrichtung 18' besitzt einen mittleren Rohrkörper 28', der einen größeren Durchmesser hat als das Steigrohr 16, und einen oberen sowie einen unteren zylindrischen Endteil 30' bzw. 32', deren Außendurchmesser annähernd gleich dem Durchmesser des Rohrkörpers 28' ist und die an ihrem oberen bz\f. unteren Ende lösbar an dem Rohrkörper 28' befestigt sind. Der Teil 32' ist von einer zentralen Bohrung 36 durchsetzt, die denselben Durchmesser hat wie das Steigrohr 16, so daß das Steigrohr in der Spannvorrichtung 18' ebenso wie in der vorstehend beschriebenen Spannvorrichtung 18 dicht und verschiebbar angeordnet ist.

Zum Ausgleich einer Vertikalbewegung der Plattform 10 kann die wirksame Längedes Steigrohrs 16 verändert werden. Zu diesem Zweck ist ein unterer Steigrohrteil 38 in cLei* Zugspannvorrichtung 18' hin- und herbewegbar angeordnet. An dem Außenumfang des Steigidarteils 38 ist zwischen den Enden des in der Zugspannvorrichtung 18' hin- und herbewegbaren Bereich ein ringförmiger Kolben 40' dicht befestigt. Der Außendurchmesser des Kolbens 40' ist im wesentlichen gleich dem Innendurchmesser des Rohrkörpers 28'. In einer Umfangsnut 44' des Kolbens 40' ist eine aus nachfüllbarem Dichtungsmaterial bestehende Dichtung 80 angeordnet, die bewirkt, daß der Kolben 40' in dem Rohrkörper 28' dicht und verschiebbar angeordnet ist. Ein freies Fließen des Dichtungsmaterials der Dichtung 80 zwischen dem Kolben 40' und dem Rohrkörper 28' wird durch geeignete Haltedichtungen 83 und 85 verhindert, die in Umfangsnuten angeordnet sind, welche sich im Kolben 40' knapp oberhalb bzw. knapp unterhalb der Nut 44* befinden.

Ein oberer Bereich des Steigrohrteils 38 ist koaxial von einer Hülse 82 umgeben, die von der oberen Fläche des

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Kolbens 40* aufwärts zu einem Kupplungsring 84 reicht und deren Durchmesser zwischen dem des Rohrkörpers 28' und dem des ßteigrohrteils 38 liegt. Die Hülse 82 ist mit ihrem unteren Ende dicht an dem Kolben 40* und mit iHrem oberen Ende lösbar sowie dicht an einem radial auswärtsgerichteten Teil des Kupplungsringes 84 befestigt. Mit Hilfe des Kupplungsringes 84 ist das obere Ende des Steigrohrteils 38 dicht mit dem darüberliegenden Teil des Steigrohrs 16 verbunden.

Zwischen dem Innendurchmesser der Hülse 82 und dem Außendurchmesser des Steigrohrteils 38 erstreckt sich über die axiale Länge der Hülse 82 ein Leitungsstück für Dichtungsmaterial. Dieses Leitungsstück besteht aus einem Rohr 86, dessen unteres Ende in einem Dichtungsmaterialkanal 88 angeordnet ist, der im Kolben 40' vom unteren Ende des Rohrs 86 bis zu der Hut 44* führt. Das obere Ende des Rohrs 86 ist in einem Kanal 90 angeordnet, der in dem Kupplungsring 84 ausgebildet ist und mit einem biegsamen Schlauch für Dichtungsmaterial in Verbindung steht. Letzterer erstreckt sich von der Plattform 10 über eine solche Länge abwärts, daß das Steigrohr 16 unter der Wirkung des Wellenhubes und dergleichen eine hin- und hergehende Bewegung ausführen kann. Bei dieser Anordnung des Schlauches 92, der Kanäle 90 und 88 und des Rohrstücks 96 wird ein fließfähiges Dichtungsmaterial, z. B. ein geeignetes plastisches Dichtungsmaterial oder dergleichen, zum Nachfüllen der Dichtung 80 direkt der Nut 44' zugeführt, wenn diese Dichtung durch reibungsbedingten Verschleiß und dergleichen Material verloren hat.

Der Endteil 30' der Spannvorrichtung ist von einer zentralen Bohrung 96 durchsetzt, die im wesentlichen denselben Durchmesser hat wie die Hülse 82, so daß diese in

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der Spannvorrichtung 18 verschiebbar ist. Vorstehend wurde angegeben, daß die Hülse-82 an ihrem oberen Ende fest mit dem Steigrohrteil 38 verbunden ist, so daß sie sich mit diesem Teil hin- und herbewegt.

In der anhand der Spannvorrichtung 18 erläuterten Weise wird die* erforderliche Abwärtskraft durch die Spülung erzeugt, Daher sind für den oberen und den unteren Raum 52' bzw. 58' der Spannvorrichtung Dichtungen erforderlich, damit diese gegenüber unerwünschten Druckeinwirkungen isoliert sind. Aus diesem Grund ist am Irmenumfang des Teils 30' eine Umfangsnut 56' vorgesehen, die eine Dichtung 98 aus nachfüllbarem Material enthält, so daß der Teil 30' dicht und verschiebbar in der Hülse 82 angeordnet ist. Ferner ist am Innenumfang des Teils 32' eine Umfangsnut 64'vorhanden, die eine Dichtung 100 aus nachfüllbarem Material enthält, so daß der Steigrohrteil 38 dicht und verschiebbar in dem Teil 32' angeordnet ist. Von der Plattform 10 führt ein Schlauch 102 für Dichtungsmaterial abwärts, der über einen Dichtungsmaterialkanal 104 in dem Teil 30' mit der Nut 56' in Verbindung steht. Ein weiterer Schlauch 106 für Dichtungsmaterial steht über einen Dichtungsmaterialkanal 108 in dem Endteil 32' mit der Nut 64' in Verbindung. Bei dieser Anordnung mit den Schläuchen 102, 106 und den Kanälen 104, 108 wird ein fließfähiges Dichtungsmaterial, z. B. ein geeignetes plastisches Dichtungsmaterial oder dergleichen, zum Nachfüllen der Dichtungen 98 und 100 direkt den Nuten 56' bzw. 64' zugeführt , wenn diese Dichtungen durch reibungsbedingten Verschleiß und dergleichen Material verloren haben.

Andere in Fig. 3 gezeigte und vorstehend nicht beschriebene Teile entsprechen in ihrem Aufbau und ihrer Wirkungsweise den in Fig.2 mit denselben Bezugszeichen bezeichneten und anhand der Fig. 2 beschriebenen Teilen.

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Fig. 5 zeigt eine .weitere Ausführungsform der .· Erfindung mit einer hydrostatischen Steigrohr-Spannvorrichtung 18"· In dieser Spannvorrichtung wird der Druck des darüberliegenden Wassers dazu verwendet, in dem Steigrohr 16 eine resultierende Zugspannung zu erzeugen. Da die hifl? . gezeigte ^usführungsform der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ähnelt, werden für gleiche Elemente dieselben Bezugsziffern.und für ähnliche Elemente dieselben, jedoch doppelt apostrophierten Bezugsziffern (") verwendet.

Die vorstehende Beschreibung der Elemente der Spannvorrichtung 18 gilt auch für die gleichen und ähnlichen Elemente der Spannvorrichtung 18", bis auf den Unterschied, daß die Spannvorrichtung 18 unter der Wirkung des Druckes der darüber befindlichen Spülung gewährleistet, daß das Steigrohr 16 einer resuliterenden Zugkraft ausgesetzt ist, während die Spannvorrichtung 18" diese resultierende Zugkraft infolge der Wirkung des Druckes des oberhalb des Kolbens befindlichen Wassers sicherstellt. Infolgedessen bestitzt die Spannvorrichtung 13" keine Kanäle, die vom Innenumfang des Steigrohrteils 38 zum oberen Raum 52" der Spannvorrichtung führen, sondern mehrere Axialbohrungen 110, die in der Umfangsrichtung um den oberen Endteil 30" herum angeordnet sind und diesen durchsetzen. Durch die Bohrungen 110 steht der Kaum 52" mit dem darüber befindlichen Umgebunswasser in Verbindung, so daß sich der Kaum 52" vollständig mit Wasser füllt und auf die wirksame Kolbenfläche A," des Steigrohrs 16 eine Abwärtskraft F" wirkt, die eine Zugspannung erzeugt und annähernd durch den Ausdruck

F^ P₁ "-H₁ "«A,"

bestimmt wird. Dabei ist P^." die Dichte des umgebenden Wassers, H₁" die Tiefe des Kolbens 40" unter dem Wasserspiegel und

A-," die wirksame obere Kolbenfläche des Kolbens 40". 0

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In der unteren Kammer 58 wird ständig Atmosphärendruck oder in der anhand der Spannvorrichtung 18 beschriebenen Weise ein veränderlicher Druck aufrechterhalten.

Da das Wasser im allgemeinen eine geringere Dichte hat als die Spülung, muß die obere Fläche des Kolbens 40" proportional größer sein als die obere Fläche des Kolbens 40, damit unter gegebenen Bedingungen dieselbe Zugkraft erzeugt wird. Der Kolben 40" hat daher im allgemeinen- einen größeren Durchmesser als der Kolben 40. Infolgedessen müssen auch der Rohrkörper 28" und die Endteile 30" und 32" im Durchmesser größer sein als die entsprechenden Elemente der Spannvorrichtung 18. Ferner sei darauf hingewiesen, daß vorstehend, die Spannvorrichtung 18" als Abänderung der Spannvorrichtung 18 beschrieben wurde, man die Spannvorrichtung 18" aber auch dadurch erhalten kann, daß man die Zugspannvorrichtung 18' ähnlich wie vorstehend beschrieben abändert.

Außerdem ist zu beachten, daß der Steigrohrteil 38¹' nicht wie in den zuvor beschriebenen Spannvorrichtungen 18 und 18' aus einem Stück, sondern aus einem langgestreckten oberen und einem langgestreckten unteren Stück besteht. Bei der Verwendung eines derartigen zweistückigen Steigrohrteils 38" werden der obere Endteil des unteren Stückes und der untere Endteil des oberen Stückes in den Kolben 40" eingeschraubt, wobei die einander benachbarten Stirnflächen dieser Stücke im Abstand voneinander angeordnet sind. Wie bereits angegeben wurde, kann zusammen mit den Spannvorrichtungen 18 und 18' anstatt des im Zusammenhang damit beschriebenen Steigrohrteils 38 auch der Steigrohrteil 38" verwendet werden.

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Die vorstehende Beschreibung betrifft eine erfindungsgemäße Spannvorrichtung für Uhterwasserbolirarbeiten. Man kann diese Spannvorrichtung aber auch bei anderen Unterwasserarbeiten verwenden, bei denen in einem langen untergetauchten Bohrstrang eine resultierende Zugkraft aufrechterhalten werden soll. Daher gilt der Ausdruck Steigrohr nicht nur für derartige in Bohranlagen verwendete Rohre, sondern auch, für ein - hin- und hergehendes oberes Eohr in einer anderen ühterviasservorrichtung. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Spannvorrichtung in einer Anlage der in der USA-Patentschrift 3 4-72 OJ2 beschriebenen Art verwendet werden, die zur Förderung aus Bohrlöchern vor der Meeresküste und zur Lagerung des geförderten Erdöls dient, und zwar zusammen mit dem oberen Eohr dieser Anlage, wenn dieses Eohr axial hin- und herbewegbar ist.

Durch die Anwendung des Erfindungsgedarikens lassen sich die vorstehend angegebenen Effekte auch mit Ausführungen erzielen, die gegenüber den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen baulich abgeändert sind. Beispielsweise können iPeile, von denen vorstehend angegeben ist, daß sie lösbar befestigt sind, oft auch dauerhaft befestigt werden, ohne daß dies auf die mit der bevorzugten Ausführungsform erzielten Ergebnisse eine nachteilige Wirkung hat. Man kann auf der Plattform 10 eine Pumpe vorsehen, die mit dem Druckausgleichsschlauch 60 verbunden wird, wenn in dem unteren Baum 58. der Spannvorrichtung ein anderer als Atmosphärendruck erwünscht ist. Man kann anstatt von einer Schwimmplattform 10 auch von einer ortsfesten Plattform aus bohren. In diesem Jail braucht der Hub der Spannvorrichtung nur so lang zu sein, daß Bodenverschiebungen, starke Ströme, Tempera turschwankungen und dergleichen ausgeglichen werden können. Da die Spannvorrichtung 18" für das darüber befindliche Umgebungswasser offen ist, kann man die Dichtung 54- gegebenenfalls weglassen·

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Die Erfindung ist daher nicht auf die vorstehenden Angaben hinsichtlich des Aufbaus und des Betriebsverfahrens von Ausführungsbeispielen eingeschränkt.

Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung, hervorgehenden Merkmale und Vorteile der Erfindung einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten können sowohl für sich als auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlieh sein.

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Claims

206H72 Patentansprüche

1. Verfahren zum Aufrechterhalten einer Zugspannung an einem axial hin- und herbewegbaren, langgestreckten, im Wasser untergetauchten Steigrohr, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine untergetauchte Fläche im unteren Teil des Steigrohrs ständig eine abwärtsgerichtete Kraft ausgeübt wird, indem oberhalb dieser Fläche eine Druckflüssigkeit vorgesehen wird, deren hydrostatischer Druck auf die genannte Fläche wirkt, und daß von einer oberhalb des Wasserspiegels gelegenen Stelle der Druck in einem von außen zugeführten .Druckmittel aufrechterhalten wird, mit dem eine andere untergetauchte Fläche des Steigrohrs derart beaufschlagt wird, daß auf das Steigrohr eine aufwärtsgerichtete Kraft ausgeübt wird, die stets schwächer ist als die. abwärtsgerichtete Kraft,

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erstgenannte untergetauchte Fläche durch eine Abdichtung gegenüber anderen Druckwirkungen als der Druckwirkung des Druckmittels isoliert ist.

3· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die andere untergetauchte Fläche durch eine Abdichtung gegenüber anderen Druckwirkungen ä.s der Druckwirkung des von außen . zugeführten Druckmittels isoliert ist,

4. Verfahren nach Anspruch 3? dadurch gekennzeichnet, daß von einer außen angeordneten Dichtungcmaterialquelle kontinuierlich ein fließfähiges Dichtungsmaterial zugeführt bzw. nachgefüllt wird, um die untergetauchten Flächen gegenüber anderen Druckwirkungen zuisolieren.

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5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, " daß die Druckflüssigkeit die in desi Steigrohr fließende) Spülung ist.

6. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckflüssigkeit des die erstgenannte untergetauchte Fläche umgebende Wasser ist.

7. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in dem von außen zugeführten Druckmittel im wesentlichen der Atmosphärendruck ist.

8. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das.von außen zugeführte Druckmittel eine Druckflüssigkeit ist.

9. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufrechterhalten des Druckes wahlweise eine Druckflüssigkeit oder ein Gas verwendet wird.

10. Spannvorrichtung für ein Steigrohr, das in einem Wasserkörper verwendet wird, gekennzeichnet durch einen langgestreckten Körper (28; 28¹, 28")» in dem ein unregelmäßig axial hin- und herbewegbarer unterer Teil (38; 38', 38") des Steigrohrs (16) angeordnet ist und der diesen unteren Teil umgibt, sich von ihm radial erstreckt und zusammen mit dem unteren Teil des Steigrohrs in allen axialen Relativstellungen zwischen dem Körper (28; 28¹, 28") und dem unteren Teil (38; 38',38") des Steigrohrs eine dicht verschlossene Ringkammer (52, 58, 52', 58', 52", 58") begrenzt, durch eine Ringkolbenanordnung (40; 4O')_f die von dem unteren Teil (38; 38'; 38") des Steigrohrs zwischen den Enden dieses unteren Teils getragen ist, axial mit dem Steigrohr bewegbar sowie in der Ringkammer angeordnet ist und sich bei einer

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Axialbewegung des unteren Teils (38; 38' , 38") des Steigrohrs .axial in der Ringkommer verschiebt, so daß in der Ringkaramer ein dicht verschlossener oberer Raum (52, 52' , 52") und ein dicht verschlossener unterer Raum (5Ö; 58'» 58") vorhanden sind, durch mindestens einen in dem Körper (28; 28', 28") oder in dem unteren Teil (38; 38', 38") des Steigrohrs vorgesehenen Kanal (4-6; 110), der eine Verbindung zwischen einer Druckflüssigkeitsquelle und dem dicht verschlossenen oberen Raum (52; 52', 52") herstellt, und durch eine Druckmittelleitung (60), die eine Verbindung zwischen dem unteren Raum (58; 58', 58") und einer außen angeordneten Druckmittelquelle herstellt.

11. Spannvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckflüssigkeitsquelle im Inneren des unteren Teils (38; 38') des Steigrohrs angeordnet ist.

12. Spannvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckflüssigkeitsquelle das Gewässer ist, in der die Zugspannvorrichtung (18") angeordnet ist.

13. Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, gekennzeichnet durch mindestens einen Kanal (88, 90), der eine Verbindung zwischen dem Innenumfang des Körpers (28') und einer anderen Druclanittelleitung (86, 92) herstellt, die mit einer außen angeordneten Dichtungsmaterialquelle in Verbindung steht.

14·. Spannvorrichtung nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsmaterialquelle oberhalb des Speigels des Wasserkörpers angeordnet ist.

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15. Spannvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die außen angeordnete Druckmittelquelle die Atmosphäre ist. ■

16. Spannvorrichtung wenigstens nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen dicht verschlossenen Behälter (72), der außerhalb des dichrb verschlossenen unteren Raums (58) in der Druckmittelleituug (60) angeordnet und dessen Fassungsvermögen mindestens annähernd ebensogroß ist wie das des dicht verschlossenen unteren Raums (58), und durch eine doppeltwirkende Pump einrichtung (74·)» die zwischen dem dicht verschlossenen Behälter (72) und dem dicht verschlossenen unteren Raum (58) in der Druckmittelleitung (60) angeordnet ist.

17. Spannvorrichtung wenigstens nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine wahlweise betätigbare Absaugpumpeinrichtung (7^;+)» die zum Absaugen von Druckmittel aus dem dicht verschlossenen unteren Raum (58) mit diesem in Verbindung steht.

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