DE2108509A1

DE2108509A1 - Vorrichtung zur Speicherung und Nutzung hydraulischer und/oder pneumatischer Energie, insbesondere für getauchte Bohrlochköpfe

Info

Publication number: DE2108509A1
Application number: DE19712108509
Authority: DE
Inventors: Jacques Jouars Ponchartrain Harbonn (Frankreich)
Original assignee: Institut Francais du Petroie des Carburants et Lubrifiants, Rueil Malmaison (Frankreich)
Priority date: 1970-02-25
Filing date: 1971-02-23
Publication date: 1971-09-16
Also published as: BE762398A; SU450419A3; US3743013A; OA03684A; CA962165A; GB1316381A; NL7102364A; FR2080183A5

Description

INSTITUT FHANCAIS DU PETROL*! DES CARBURANTS ET LUBRIFIANTS Fueil-Walmaison, Frankreich

Vorrichtung zur Speicherung and Nutzung hydraulischer und/oder pneumatischer Energie, Insbesondere für getauchte Bohrlochköpfe

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Speicherung und Nutzung hydraulischer und/oder pneumatischer Energie, insbesondere zur Ausstattung getauchter, z. B. unter- Wasser befindlicher Bohrlochköpfe.

^v'&i dar Durchführung der Bohrungen und insbesondere beim Bohr-ra im Meer muß man am Bohrlochkopf sitzende Organe betätigen ρ insbesondere Ventile, den Verschlußteil des Bohrloches etc»,, Tm allgemeinen werden diese Organe iiydraaltsch gesteuert und im Falle von Bohrungen unter der Meeresoberfläche wird das unter Druck stehende FIuIi]₉ -las säur Betätigung dieser Organe notwendig ist, voei einem Aggregat, das daa Fluid unter Druck setzt, geliefert; welches sieh auf einer Oberflächeninetallation t, von der aus der ftohr'/organg erfolgte

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Eine solche Anordnung führt dazu, hydraulische Leitungen zu installieren, welche die Oberflächeninstallation mit den EU betätigenden Organen verbinden«, Die Erfahrung hat gezeigt_f daß diese hydraulischen Leitungen, abgesehen von ihren erhöhten Kosten, da sie nicht vernachlässigbare Investitionen darstellen, für den Benutzer immer eine Quelle dee Ärgernisses bilden. Diese hydraulischen Leitungen erfordern nämlich eine dauernde Wartung und Überwachung sowie die Verwendung von Vorrichtungen, die so ausgelegt sind, daß sie deren Anschluß an den Bohrlochkopf ermöglichen. Andererseits muß zusätzlich zu der zum Steuern der Organe des Bohrlochkopfes notwendigen Energie die Oberflächeninstallation zusätzliche Energie zur Kompensation der Druckverluste, die sich in den Leitungen einstellen, welche den Bohrlochkopf mit der Oberflächeninstallation verbinden, liefern, wobei diese Druckverluste umso größer sind_? je langer diese Leitungen sind»

Man hat versucht, auf diese hydraulischen Leitungen, wenigstens zum Teil zu verzichten, die im 'Yasser zwischen der Oberflächeninstallation und dem Bohrlochkopf vorgesehen sind und stören» Die vorher bekannten Vorrichtungen ermöglichen es, die Anzahl der hydraulischen Leitungen durch eine besondere Ausbildung der Steuerelemente, bsispielsweiss der hydraulischen und/oder pneumatischen Verteiler an den Bohrlochköpfen zu vermindern? die obengenannten Nachteile konnten aber nicht völlig beseitigt werden α

Bei anderen Vorrichtungen hat man vorgeschlagen, dem Bohrlochkopf eine Einrichtung zur Erzeugung hydraulischer Energie zuzuordnen. Diese Vorrichtungen haben den Vorteil, daß die hydraulischen Steuerleitungen fortfallen, reiche die Hauptonlage mit dem Bohrlochkopf verbindenj. 3iesr

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werden aber nur durch wenigstens ein elektrisches Kabel ersetzt, welches die Speisung eines Motors mit elektrischer Energie von der Oberfläche aus ermöglicht, wobei der Motor die Vorrichtung zur Uhterdrucksetzung dee hydraulischen Fluids betätigt. Das Kabel weist etwa die gleichen Nachteile wie die hydraulischen Leitungen auf (erhöhter Preis, Notwendigkeit eines Wartungs- und Überwachungsdienstes, Behinderungen im Wasser, Bedienungsschwierigkeiten etc...).

Erfindungsgemäß soll nun eine neuartige Vorrichtung zum Speichern und Nutzen, insbesondere von hydraulischer | Energie vorgeschlagen werden, wodurch die obengenannten Nachteile vermieden werden; insbesondere soll es möglich werden, nur die Bohrschiaramumwälz- oder Zirkulationsleitungen zwischen der Oberflächeninstallation und dem Bohrlochkopf beizubehalten und jede andere Verbindung zwischen dieser Oberflächeninstallation und diesem Bohrlochkopf, abgesehen selbstverständlich von der Bohrkolonne, in Portfall kommen zu lassen.

Erreicht wird dies erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung zum Speichern und Nutzen hydraulischer und/oder pneumatischer Energie mit einem Behälter für ein hydraulisches λ oder pneumatisches Fluid, Einrichtungen zum Unterdruck- ™ setzen dieses Fluids und Hinrichtungen zum Speichern und Nutzen dieses unter Druck stehenden Fluids dadurch, daß diese Einrichtungen zum UnterdruckBetzen des hydraulischen Fluids betätigt werden über ein unter Druck stehendes Hilfsfluid.

Einer der Vorteile der erfindungsgemäßen Maßnahme ist darin zu sehen, daß jede Verbindung zwischen Bohrlochkopf und Oberflächeninstallation - abgesehen von der

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Bohrleitung und den Bohrspülumwälzleitungen in Portfall kommt·

Ein weiterer Vorteil ist darin zu eehen, daß an der Oberflacheninstallation jegliche Vorrichtung fortfällt, die allein zur Energieerzeugung für die Steuerung der Organe dee Bohrlochkopfes beetimmt wäre.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung soll anhand der beiliegenden Figur näher erläutert werden.

Im folgenden soll lediglich alB AusfUhrungsbeispiel auf die Verwendung einer Vorrichtung nach der Erfindung in Zuordnung zu einem Erdölbohrlochkopf eingegangen werden, wobei beide sich im getauchten Zuetand befinden.

In dieser Figur ist der Bohrlochkopf nicht dargestellt; das Bezugszeichen 1 steht für einen ölpneumatisehen Sammler oder Speicher an eich bekannter beliebiger Art, beispielsweise mit Kolben oder mit verformbarer Membran. Dieser Sammler ist über eine Leitung 2 und Ventile 3a» 3b mit hydraulischen AntrlebBeinriehtungen 4a bzw. 4b verbunden j diese Antriebseinrichtungen betätigen nicht dargestellte Organe, die am Bohrlochkopf vorgesehen sind, beispielsweise Verschlußorgane« Ventile, Schieber etc. Die Steuerung der Ventile 3a, 3b kann von der Oberflächeninstallation aus durch irgendeine bekannte Einrichtung, insbesondere mittels einer nicht dargestellten ferngesteuerten Vorrichtung vorgenommen werden, die dem Bohrlochkopf zugeordnet ist, wobei die Fernsteuerung beispielsweise von der Oberflächeninstallation aus vermittele akustischer Wellen vorgenommen werden kann.

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In der Figur sind lediglich zwei Antriebeeinrichtungen 4a, 4b sowie deren jeweilige'Ventile 3a, 3b dargestellt; diese Anzahl ist jedoch nicht als begrenzend anzusehen und hängt allein von der Anzahl der den Bohrlochkopf ausrüstenden zu steuernden Organe ab. Diese Antriebseinrichtungen sind über eine Leitung 5 mit einem Behälter 6 verbunden, welcher als Speisebehälter für den hydraulischen Kreis fungiert„ Ein Rückschlagventil 7 ermöglicht die Zirkulation des hydraulischen Fluids nur in der Richtung von der Antriebseinrichtung zum Behälter oder Speicher 6. Eine Leitung 8 verbindet den Speicher 6 mit dem Sammler 1 über ein Rückschlagventil 9 und verhindert so den Austrag dee Sammlers 1 in den Behälter Ein Frei- oder Schwimmkolben 10 kann im Körper 11 dee Behälters 6 verechieblich gelagert sein und dicht den unteren Teil gegen den oberen Teil dieses Behälters 6 trennen, Dieser Kolben kann in Anschlag gegen eine Schulter 12 im oberen Teil des Behälters 6 kommen.

Über dem Behälter 6 ist eine zylindrische Kammer 13 angeordnet, in der ein Kolben 14 gleitverschieblich gelagert ist, der auf seiner dem Behälter 6 zugewendeten Seite eine Stößelstange 15 trägt. Ein· Feder 16 hält den Kolben 14 in oberer Lage in der Kammer 13*

Im unteren Teil wird die Kammer 13 in Verbindung mit dem äußeren umgebenden Medium 17 über ein oder mehrere Öffnungen 18 gesetzt. Im betrachteten Fall besteht dieses umgebende äußere Medium aus Meereswaseer, in das die Vorrichtung taucht.

In ihren oberen Teil steht die Kammer 13 einerseits mit dem Außenmedium 17 Über eine Reinigungeleitung 19

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und ein Schieberventil 20, andererseits mit einer Leitung 21 über eine Leitung 22 und ein Schieberventil 23 in Verbindung.

Die Schieberventile 20 und 23 bestehen beispielsweise aus hydraulischen Schiebern, welche durch einfach wirkende Kolben 26 und 27 gegen die Wirkung von Rückstelleinrichtungen gesteuert werden. Die Kolben 26 und 27 werden jeweils Über die Leitungen 24a und 24b gespeist, die mit der Leitung 2 verbunden sind.

Erfindungsgemäß ist die Leitung 21 mit einer Bobrepülungsumwälzleitung 25 verbunden» Diese kann entweder von der auf dem Fachgebiet unter dem Ausdruck "choke line^M oder ¹IcIIl line¹¹ bekannten Art sein.

Erf« idungsgemäß nützt man also, da bei der Durchführung von Bohrungen, insbesondere bei Meeresbohrungen, der Bohrlochkopf notwendigerweise mit der Oberflächeninstallation über Bohrfluidepül- oder Zirkulationeleitungea verbunden ist, den Druck ebendieses Bohrfluids aus, um für den Betrieb der Vorrichtung zur Erzeugung hydraulischer Energie zu sorgen, wie weiter unten genauer dargelegt werden wird₀ Auf dieee Weise verhindert man, daß der Bohrlochkopf mit der Oberflächenzirkulation über ein Kabel oder eine Spezialleitung verbunden wird, um die zur Betätigung der Organe des Bohrlochkopfes notwendige Energie zu liefern.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung wird im folgenden beschrieben.

Ee wird angenommen, daß der Druck im Saranter 1 einen Wert Pg hat (Betriebsdruck zwischen einem Minimalwert P_min und einem Maximalwert P_nöJ, der größer als der Wert des Druckes

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P_Rf der im Behälter 6 herrecht, iet.

Die Vorrichtung befindet sich dann also in dem in der Figur gezeigten Zustand, sämtliche Ventile, wie zum Beispiel 3a, 3b sind geschlossen.

Will man nun ein Organ des Bohrlochkopfes betätigen, so überträgt man über eine nicht dargestellte Fernsteuereinrichtung einen Befehl, der für das öffnen des Ventils sorgt, wodurch die entsprechende Antriebseinrichtung gespeist wird. Beispielsweise öffnet man das Ventil 3a und das hydrauli- M sehe Fluid strömt, unter Betätigung der Antriebseinrichtung 4a aus dem Sammler 1 zua Behälter oder Speicher 6 über die Leitung 2, das Ventil 3a, die Antriebseinrichtung 4a, die Leitung 5 und das Ventil 7 aus.

Das Volumen an hydraulischem im Behälter 6 enthaltenen Fluid nimmt zu und der Kolben 10 wird angehoben und verdrängt über die Öffnung 18 das Außenfluid 17, d. h, das die Vorrichtung umgebende Wasser, welches im oberen feil des Behälters 6 enthalten ist. Die Betätigung der Organe wird fortgesetzt, bis der Kolben '10 in Anlage gegen die Schultern 12 kommt (gestrichelt in Figur dargestellte Stellung). * Es herrscht also im Sammler 1 ein Druck P„ von einem Wert w gleich einem vorbestimmten Minimalwert Pmin.

Für diesen Wert des Betriebsdrucks im Sammler können die Kolben 26 und 27 nicht mehr die Schieber 20 und 23 in ihrer in Fig. 1 dargestellten Lage halten»

RUokstelleinrichtungen 28 bringen den Schieber 20 in die die Leitung 19 verschließende Stellung und Rückatelleinrichtungen 29 bringen den Schieber 23 in seine öffnunge-

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stellung, wodurch die Leitungen 22 und 21 in Verbindung gesetzt werden. Der Bohrschlamm bzw. die Bohrspülung der sich auf dem Druck P« befindet, beaufschlagt über die Leitungen 25, 21 und 22 den Körper 13, wo er auf die Oberfläche des Kolbens 14 eine Kraft ausübt, die für das Herabgehen in der Kammer 13 gegen die Wirkung der Feder 16 sorgt.

Während seiner Abwärtsbewegung übt der Kolben 14 auf den Kolben 10 über die Stößelstange 15 eine Druckkraft auf das im Behälter 6 enthaltene Fluid aus. Der Kolben 10 geht erneut im Körper 11 des Behälters 6 nach unten und verdrängt das hydraulische Fluid in den Sammler 1 über die Leitung 8 und das Ventil 9.

Befindet sich der Kolben 10 in seiner unteren, strichpunktiert angedeuteten Lage im Behälter 6, so erreicht der Druck im Sammler 1 seinen Maximalwert Pmax,

Die Kolben 26 und 27 der Schieber 20 und 23 drücken dann die Schieber in die in Fig, 1 dargestellte Lage zurück und sorgen für das öffnen der Reinigungsleitung 19 und die Unterbrechung der Speisung des Körpers 13 mit Bohrschlamm oder Bohrspüle infolge Schließen des Ventils 23.

Die Feder 16, die vorher komprimiert wurde, entspannt Bich und sorgt für das nach oben Gehen des Kolbens 14, welcher den Bohrechlamm oder die Bohrspüle, die im oberen Teil der Kammer 13 vorhanden ist, Über die Reinigungsleitung 19 austreibt.

Der Betrieb wird entsprechend dem gerade beschriebenen Arbeitszyklus fortgesetzt.

Der durch das äußere Medium 17 auegeübte Druck ist der

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hydrostatische Druck auf der Tauchtiefe der Vorrichtung. Es ist also klar, daß entsprechend der Betriebsweise der Vorrichtung der minimale Druck Pmin im Sammler 1 gleich oder größer dem hydrostatischen Druck P_n auf der betrachteten Tiefe gewählt wird.

Bezeichnet man mit S die Oberfläche des Kolbens 14, auf den der Druck P^ der Bohrspülung wirkt,und mit s den Querschnitt des Kolbens 10, so wird der Maximaldruck Pmax im Sammler 1 gleich

Pmax » P^ χ -^

Die Abmessungen der Kolben 10 und 14 werden also als Punktion des Druckes P^ der benutzten Bohrspülung und des gewählten Druckes Pmax bestimmt. Der Druck Pmax wird größer als der Druck Pmin gewählt und hängt von der Anzahl der an den Organen ohne Nachfüllung des Sammlers vorzunehmenden Operationen ab.

Selbstverständlich kann es sich bei dem benutzten Fluid um ein hydraulisches Fluid oder tin Gas, wie zum Beispiel Luft, handeln.

Paten tansprüchet

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Claims

Patentansprüche :

1. Vorrichtung zur Speicherung und Nutzung der Energie eines unter Druck stehenden ArbeitsfluidB mit wenigstens

- einem dieses Arbeitsfluid enthaltenden Behälter} Ein-, richtungen zur Uhterdrucksetzung dieses Fluids in diesem Behälter und Einrichtungen zum Speichern und Nutzen dieses Fluids unter Druck, welche mit diesem Behälter verbunden sind, dadurch gekennzeich net, daß diese Einrichtungen zur Unterdrücktetzung des

. . Artoeitsfluids über ein unter Druck

stehendes Hilfefluid betätigbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, in Zuordnung zu einem getauchten Bohrlochkopf, dadurch gekennzeichnet, daß das HiIfsfluid das Bohrfluid oder die Bohrspülung ist.

3. Vorrichtung zum Speichern und Nutzen der Energie eines unter Druck stehenden Arbeitsfluids an einem getauchten mit Bohrspülungszirkulationsie itungen versehenen Bohrlochkopf, wobei diese Vorrichtung umfaßt: wenigstens einen diesesArbeitsfluid enthaltenden Behälter, Einrichtungen zum Unterdrucksetzen dieses Fluides in diesem Behälter und mit diesem Behälter verbundene Einrichtungen zum Speichern und Nutzen dieses unter Druck stehenden Fluids, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtungen zum ünterdruckeetzen des Arbeitsfluids mit wenigstens einer Bohrspülungsumwälzleitung bzw. Bohrspülungsleitung, derart, daS sie durch den*Druck dieser Bohrspülung betätigbar sind , verbunden sind.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß diese Einrichtungen zum Unterdruckseteen des Bohrfluids mit wenigstens einer Bohrspülungszuführungsleitung (25) verbunden sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß diese Einrichtungen zum Unterdrucksetzen des Arbeitsfluids mit wenigstens einer Bohrepülungsrückführungsleitung (19) verbunden sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- ι zeichnet , daß der Behälter (6) von zylindri- " scher Gestalt ist und mit einem Frei- oder Schwimmkolben (10), der in dem Behälterkörper (11) gleitverschieblich gelagert ist, versehen ist, wobei die Enden dee Behälters jeweils mit wenigstens einem Sammler (1) für das unter Druck stehende Fluid und mit Einrichtungen (4a, 4b) zum UhterdruckBetzen des Fluide verbunden sind, die so ausgelegt sind, daß sie diesen Schwimmkolben verschieben und das hydraulische Fluid aus diesem Behälter zu diesem unter Druck stehenden Fluid-sammler drücken.

ο Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn- d

zeichnet _f daß diese Einrichtungen zum Onterdrucksetzan des Fluids bestehen aus einem mit einer Stößelstange (15) versehenen Kolben (14), der in einer oberhalb dieses Behälters (11) angeordneten Kammer (13) gleitend gelagert ist, wobei dieser Kolben (14) unter dem Einfluß dieses unter Druck stehenden Hilfsfluids und gegen die Wirkung von Rückstelleinrichtungen (16) verschiebbar ist, um vermittels der Stößelstange (15) die Verschiebung des Schwimmkolbens (10) in der Richtung

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hervorzurufen, in der die Überführung des hydraulischen Fluids aus dem Behälter in den hydraulischen Sammler (1) veranlaßt wird, wobei d Kammer (13)

mit einer Hilfsfluidsuführungsleitung und einer Entleerungsleitung verbunden ist, wobei diese Leitungen durch wenigstens einen Schieber steuerbar sind, der diese Entleerungsleitung blockiert und die Fiuidsuführungsleitung bei einem Druck im Innern des Sammlers (1) kleiner als ein erster bestimmter Wert (P ·> öffnet und der diese Hilfsfluidzuführungsleitung blockiert und diese Entleerungsleitung öffnet bei einem Wert des Druckes im Sammler, welcher wenigstens gleich einem zweiten vorbestimmten 'Vert (P- , } irfc.

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