DE2221700B2 - Vorrichtung zum Ausüben einer im we senthchen konstanten Kraft auf eine Bohrkolonne, die mit einer Wechselbe wegungen ausgesetzten Installation ver bunden ist - Google Patents

Vorrichtung zum Ausüben einer im we senthchen konstanten Kraft auf eine Bohrkolonne, die mit einer Wechselbe wegungen ausgesetzten Installation ver bunden ist

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Description

40
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausüben einer im wesentlichen konstanten Kraft auf eine Bohrkolonne, die mit einer Wechselbewegungen ausgesetzten Installation verbunden ist, welche durch 4s wenigstens eine Hauptzylinderanordnung getragen ist, mit wenigstens einem ein Gas unter Druck enthaltenden Speicher und einer mit dem Speicher verbundenen Steuerzylinderanordnung, mit wenigstens einem Steuerzylinder, der an einem bezüglich der Installation festen Punkt schwenkbar gelagert ist und auf ein längs einer gegenüber der Installation festen Bahn bewegliches Gelenk eine an die Bohrkolonne angelegte Kraft ausübt, wobei der schwenkbar gelagerte Steuerzylinder während des Verschwenkens bezüglich der Bahn geneigt bleibt.
Im allgemeinen ist das obere Ende der Bohrkolonne fest mit einem, von einem beweglichen FIaschenzugblock getragenen Haken verbunden, wobei der bewegliche Flaschenzugblock über ein der Betii- ho tigung des Bohrgestänges dienendes Kabel an einem Turmrollenblock hängt, der sich am Kopf eines von der schwimmenden Installation getragenen Bohrturms befindet.
Um selbsttätig die Stampfbewegungen der schwim- r>s menden Installation zu kompensieren, w ide bereits vorgeschlagen, einen Hydraulikzylinder zu verwenden, der mit einem seiner Enden an den Kopf des Bohrturms befestigt ist und den Turmrollenblock trägt, wobei dieser Hydraulikzylinder in der Verschiebungsrichtung der schwimmenden Installation, d. h. in einer im wesentlichen vertikalen Richtung, angeordnet ist. Die selbsttätige Kompensation der Bewegung der schwimmenden Installation erhält man, indem man den Zylinder mit einem unter Druck stehenden Fluid speist, welches von einem ölpneumatischen Speicher geliefert wird. Wenn unter dem Einfluß des Stampfens der Kolben sich im Zylinderkörper verschiebt, so variiert der Druck des Speichers und folgt im wesentischen einem polytropen Gesetz P Vs- = const.
Man kann in erster Näherung zeigen, daß die Änderungen von Volumen 1 % und Druck i P0 der Masse des Im Speicher enthaltenen Gases, welche durch die Vertikalbewegungtn der schwimmenden Installation hervorgerufen werden, sich definieren lassen durch die Beziehung
= K
P0
In diesen Formeln ist P^ der Anfangsdruck des Gases im Speicher und somit der Druck des hydraulischen in der Zylinderanordnung enthaltenen Fluids, der es ermöglicht, eine bestimmte Zugkraft auf die Bohrkolonne auszuüben; V0 ist das Volumen des komprimierten Gases und K ist ein Koeffizient, der unter anderem abhängig von dem im Speicher enthaltenen Gas ist.
Nimmt man beispielsweise eine maximale Änderung von 1O0O der in der Bohrkolonne bzw. dem Bohrgestänge ausgeübten Zugkraft an, was einer Änderung von 10% des Druckes im Zylinder entspricht, so muß ein Speicher mit einem Volumen Y, verwendet werden, welches definiert wird durch die Beziehung % > 10 K 1 %.
Da in Praxis die Wahl des Druckes P0 durch die Konstruktionserfordernisse für Speicher und Zylinder und dutch die Amplitude des Stampfens der schwimmenden Installation bestimmt wird, muß man Speicher mit sehr großem Volumen % verwenden, die sehr leuer sind und auf der schwimmenden Installation viel Platz wegnehmen.
Es ist bereits bekannt (britische Patentschrift 1 053 311). dem vertikalen Zylinder zuzuordnen bzw. an Stelle dieses Zylinders vorzusehen: ein oder mehrere Zylinder, die jeweils mit einem Ende am Bohrturm angelenkt sind, wobei das andere Ende den Turmrollenblock trägt. Die Verwendung dieser gegenüber der Verschiebungsbahn des Turmrollenblocks geneigten Zylinder sorgt Tür eine bessere Steuerung der auf die Bohrkolonne ausgeübten Zugkraft und ermöglicht es. in beachtlicher Weise das Gesamtvolumen l£ der benutzten Speicher zu vermindern. Bei dieser bekannten Ausführungsform sind allerdings der Hauptzylinder und der Steuerzylinder dem Druckspeicher parallel geschaltet. Der Druck im Speicher wird also an den Hauptzylinder direkt über eine Leitung gegeben, was die Regelmöglichkeit der Anordnung beachtlich begrenzt.
Die Nachteile solcher bekannter Vorrichtungen zum Ausüben einer im wesentlichen konstanten Kraft sind vor allen Dingen aber in der Tatsache zu sehen, daß einerseits die für die verwendeten Speicher notwendigen Volumina I^ noch recht erheblich sind und daß andererseits das erhöhte Gewicht der am Bohrkopf des Bohrturms befestigten Zylinder die Stabilität der
schwimmenden Installation vermindert und dynamische Beanspruchungen im Bohrturm hervorruft.
Die Nachteile des erhöhten Gewichts am Kopf des Bohrturms und der nicht zufriedenstellenden Regelmöglichkeit zwischen Speicher und Hauptzylinder 5 werden nun erfindungsgemäß dadurch beseitigt, daß bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art die Steuerzylinderanordnung zusätzlich zu dem Stcuerzylinder eine durch das Gelenk mit diesem verbundene Hilfszylinder-änordnung aufweist, welche über eine 10 Flüssigkeitsleitung mit der Hauptzylinueranordnung
verbunden ist. _,,-«,
Eine beispielsweise Ausführungslorm der Erfindung soll nun an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden, die eine Vorrichtung erkennen lassen, um eine 1 im wesentlichen konstante Zugkraft, die auf eine an eiriT Bohrinstallation im Meer hängende Bohrkolonne ausgeübt wird, aufrechtzuerhalten. In den Zeichnungen zeigt
F 1 e. 1 eine Ausführungsform der Anordnung nach :
der Erfindung.
«■ i " ~> und 3 eeben leweils \nderuneen des der HauptzyUnderanordnung gelieferten Arbeitsdruckes ; sowie der auf die Bohrkolonne ausgeübten Spannung als Funktion der Verschiebungen des Kolben- dieser ;s Zylinderanordnung unter dem Einfluß der \ ertikalbewegungen der schwimmenden Installation wieder.
Mit 1 ist eine schwimmende Installation bezeichnet, über der ein Bohrturm oder Derrick aufgebaut ist. Eine nicht dargestellte Bohrkolonne bzw. em nicht w d'ireestellter Bohrstrang ist an die schwimmende Installation über ein Betätigungsorgan angehängt. welches in diesem besonderen Fall durch einen fest mit einem beweglichen Flaschenzug 4 verbundenen Haken 3 gebildet wird, wobei der Flaschenzug über ein Kibel 5 an einem Turmrollenblock 6 hängt. Das Kabel 5 welches zur Betätigung der Bohrkolonne dient läuft über eine keinen Teil der Erfindung bildende Einrichtung die aus Gelenkarmen 7 und 8 und Blockrollen 9 und 10 besteht, die es ermöglichen, den Verschleiß des Kabels zu vermeiden, welcher durch Reibungen an dem Turmrollenblock henorgerufen Eine Leitung 20a verbmdet die 14 mit einem Speicher 20, der eine ko ^
enthält. Der Speicher 20 ist beispielsweise em olp matischer Speicher, dessen Druck mit Jr Relam verschiebungder die Zylinderanordnung f bildenden Elemente variiert, wenn der Punkt 18 sich auf der Bahn 19 verschiebt. .. χ de_
Die Bahn 19 ist derart festgelegt daß die Ände rungen in der Neigung .. der ZyhndOTnordnung ae^nüber der den Verschiebungen des Punkte 18^aul dieser Bahn entsprechenden .ahn sich aIs «ne Änderung des Verhältnisses der durch ^e Rinder anordnung auf seine Komponente entsprechend dieser
den Punkt
Kraft.
dem,
Der Turmrollenblock 6 ist an das Ende der Stange eines Zylinderträgers 11 gehängt, der fest mit dem Bohrturm 2 verbunden ist und die Aufhängeeinnchtung für Bohrkolonne bzw. Bohrgestänge bildet. Dieser Zylinder ist im wesentlichen in der Richtung der Stampfbewegung der schwimmenden Installation angeordnet, d. h. im wesentlichen in einer vertikalen so Richtung. Der Zylinderträger 11 ist über eine Leitung 12 mit einer Steuereinrichtung verbunden. Diese Einrichtung liefert eine Kraft, die in der weiter unten angegebenen Weise das den Zylinderlager 11 speisende Arbeitsfluid unter einem festgelegten Druck hält.
■; z
anzusehen wäre. Die Vorrichtung umlabt einen /.·■ finder 14, von dem eines der ihn bildenden ti» beispielsweise der Zünderkörper, um cmc lesu StLg 15 gelenkig is,. Hm Punkt ^s anderen ihn bildenden Elements, be.sp.elswe.se derPunk IX der Stange der Zylinderanordnung, wird gc/xyiny-n. skh langfeiner festgelegten Bahn 19 so zu vcrsch.eben. daß diegAchse der /.vlindcranordnung 14 emon Ne,-gungswinkel .« gegenüber der Bahn 19 b.lda.
Beziehung:
S COS Ί
S cos ,<
Die Werte dieses Druckes, welche den extremen Stellungen (ß und H) der beweglichen Gelenkanordnung 18 auf der Führungsbahn 19 entsprechen (Fig. 1), ergeben sich jeweils zu:
COS a„
COS ß„
(2) Setzt man
Beziehung (5) her:
V11- VB =
1 K so leitet man aus der
ρ.λ"1
ρ JL c£i".'i
Η S cos ß„
(3)
wobei die Indizes B und H die von den verschiedenen Variablen Pa. P, -; und rf der Beziehung (1) für die Stellung ß und H der beweglichen Gelenkverbindung 18 angenommenen Werte bezeichnen.
In Praxis wählt man beispielsweise die Werte Pu8 und Pu1, des Drucks Pu. über die man im Zylinderträger 11 zu verfugen wünscht und die den Extremstellungen des beweglichen Elements der Zylinderanordnung 11 entsprechen. (Diese Werte von Pun und Pm,, können gegebenenfalls unterschiedlich sein.)
Die Werte PuB und Pun werden als Funktion der Bedingungen jeder in Betracht gezogenen Benutzung gewählt.
Nach dem betrachteten Benutzungsbeispiel für diesen Druck werden in einem Zylinderträger zur Regelung der an eine Bohrkolonne gelegten Spannung bzw. Zugkraft T die Werte von PuB und Pu1, beispielsweise festgelegt, iä dem der Einfluß einer Flaschenzuganordnung berücksichtigt ist. welche zwischen Bohrkolonne und Zylinderträger 11 zwischengeschaltet ist.
Man wählt Versuchswerte für die Konstruktionsparameter der Regelanordnung, wobei diese Parameter (Fig. 1) die Werte von du und dlh sind (jeweilige Entfernungen der Gelenkpunkte i5 und 16 von der Achse der Führungsbahn 19) sowie die Extremwerte mh, uB und ß„, ßB der Winkel α und β und die Werte der Querschnitte von s und S der Zylinder 14 bzw. 16.
Aus den Beziehungen (2) und (3) leitet man für PuB 4<; und Pu„ erhaltene Werte, die Werte PB und P11 des Drucks des Hilfsfluids im Speicher 20 als Funktion der Werte aB. <iH, ßB, rfH (F i g. 1), die man sich vorgegeben hat, her.
Diese Bestimmung der Werte von P„ und P1, erinöglicht es, das für den Speicher 20 notwendige Volumen zu berechnen.
Der Druck P in diesem Speicher variiert im wesentlichen entsprechend einem physikalischen Gesetz der Form: PV* = Konstant, wobei K ein Koeffizient ist, dessen Wert unter anderem von der Art des komprimierten Gases abhängt und V das Volumen des Gases beim Drucke P des Speichers 20 ist, das an den Kolben der Zylinderanordnung 14 übertragen wird.
Es ergibt sich somit die Beziehung Der Wert von . 1 V ist bekannl, da er gleich dem Produkt des Querschnitts s des Zylinders 14 und der Bahn seines Kolbens ist, wenn die bewegliche Gelenklagerung 18 sich zwischen den Punkten B und H verschiebt, wobei VB der minimale Wert des komprimierten Gasvolumens ist. Das Nennvolumen des Speichers 20 ist somit festgelegt, da die Werte P8 und P11 bereits bestimmt sind. (Tarierungsdruck dieses Speichers ist im wesentlichen gleich P8.)
Man erstellt dann in der unten angegebenen Weise die Kurve:
T=F(Zi). (6)
die die Änderungen der an die Bohrkolonne gelegten Zugkraft T als Funktion der Verschiebung h des Kolbens des Hauptzylinders 11 aus seiner untersten Stellung angibt.
Jedem Wert von h entspricht nämlich eine genau definierte Position der beweglichen Gelenklagerung 18 auf der Führungsbahn 19, d. h. der definierten Werte für die Winkel u und ß, wenn man die Werte ß„, ßB, di6 und S festgelegt hat. Der Verschiebung h des Kolbens des Zylinders 11 aus seiner untersten Lage entspricht nämlich eine bestimmte Änderung des Volumens des hydraulischen Fluids im Zylinder der Zylinderanordnung 16 über die Leitung 12 (die Verschiebungen der Kolben der Zylinder 11 und 16 in jedem Augenblick gegenüber ihrer Ausgangsposition [unterste Stellung] geben den gleichen prozentualen Anteil ihres maximalen Weges wieder).
In dieser Stellung der beweglichen Gelenkverbindung, der eine bestimmte Lage des Kolbens der Zylinderanordnung 14 entspricht, nimmt das Gas beim Druck des Speichers 20 das Volumen VB + Λ Vein, und sein Druck P ist definiert durch die Beziehung
5°
P„VBK=PBVBK,
(5)
wobei V» und
V„ die
Werte für das Volumen des
Gases unter Druck sind, wenn die bewegliche Gelenklagerung 18 sich jeweils im Punkte B und hn Punkte H der Führungsbahn 19 befindet.
P8V8K = P(V8 +
und hieraus
Man kann somit den Druck P für jeden Wert von h dem ein genau definierter Wert jedes der Winkel < und β entspricht, festlegen.
Für jeden so erhaltenen Wert von P berechnet mar den entsprechenden Wert von Pu nach der oben ange gebenen Beziehung (1):
Si
60 und man leitet den entsprechenden Wert der Zug kraft T her, der im betrachteten Arbeitsbeispiel dei Einfluß der Flaschenzuganordnung deutlich werdei läßt.
Die graphischen Darstellungen der F i g. 2 und zeigen jeweils die Änderungen von Pu (ausgedrückt i kg cmfl und von T (ausgedrückt in Tonnen) al Funktion des Weges /j, (ausgedrückt in Metern) de
Kolbens der Zylinderanordnung 11, wie sie mit den folgenden Daten (es wird auf F i g. 1 Bezug genommen) erhalten wurden:
horizontale Entfernung der Achsen der Block- ,. rollen 9 und 10 von der Achse der Blockrollc 6. wenn diese sich in ihrer untersten Stellung gleich 3,3 m befindet,
vertikale Entfernung der Achsen der Blockrollen 9 und 10 von der Achse der Blockrolie 6, wenn diese iq sich in ihrer untersten Lage gleich 1,8 m befindet.
Das Kabel 5 bildet 12 Trume zwischen der Blockrolle 6 und dem beweglichen Flaschenzug 4.
Maximalweg hM (F i g. 1) des Hauptkolbens 11, der durch die Amplitude der Vertikalbcwegungen der schwimmenden Installation gleich 4,6 m aufgezwun gen ist.
Im übrieen wurden die folgenden Werte gewählt:
= 3,30 m,
= 3,90 m,
ßH = 41°,
lh = 20°.
In den Diagrammen der F i g. 2 und 3 zeigen die gestrichelten Linien die Tür Pu bzw. T erhaltenen Änderungen, wenn man wählt:
25
(i„ = 23°,
aB = 45°.
30 Die durchgezogenen Kurven zeigen die diesmal erhaltenen Ergebnisse
.«„ = 26\ "a 50".
Die strichpunktiert dargestellte Kurve zeigt den gewünschten Verlauf an. Es ist also möglich, die Anordnung zu optimieren, indem man für die Konslruktionsparameter <i„. aB, d14, s und /<;,, ffB, dl6, S die Werte entsprechend der Versuchskurvc des Drucks Pm wühlt, die am nächsten zur strichpunktierten Kurve verläuft, die ja die gewünschten Werte für diesen Druck Pu in diesem besonderen Fall angibt, um die Änderungen der von der Zylinderanordnung 11 ausgeübten Kraft zu erhalten, die es ermöglichen, die auf die Bohrkolonne ausgeübte Zugkraft Tim wesentlichen konstant zu halten.
Es soll auch darauf hingewiesen werden, daß im Diagramm der F i g. 3 der Maßstab der Ordinatcn stark auseinandergezogen wurde, da die relativen Änderungen der Spannung T in der Bohrkolonne ± 1,5% nicht überschreiten.
Selbstverständlich kann man die Grenzwerte für Pm8 und Pun für den Arbeilsdruck unterschiedlich wählen, um so den unterschiedlichen Benutzungsbedingungen, und somit beispielsweise der Wahl eines neuen Sollwertes für die Zugkraft T zu entsprechen.
Dies kann erfolgen, indem man auf die Masse des in den Speicher 20 eingeführten Fluids, ζ. B. über einen Schieber 2Qb (F i g. 1). einwirkt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zum Ausüben einer im wesentlichen konstanten Kraft auf eine Bohrkolonne, die mit einer Wechselbewegungen ausgesetzten Installation verbunden ist, welche durch wenigstens eine Hauptzylinderanordnung getragen ist, mii wenigstens einem ein Gas unter Druck enthaltenden Speicher und einer mit dem Speicher verbundenen Steuerzylinderanordnung, die wenigstens einen Steuerzylinder umfaßt, der an einem bezüglich der Installation festen Punkt schwenkbar gelagert ist und auf ein längs einer gegenüber der Installation festen Bahn bewegliches Gelenk eine an die Bohrkolonne angelegte Kraft ausübt, wobei der schwenkbar gelagerte Steuerzylinder während des Verschwenkens bezüglich der Bahn geneigt verbleibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerzylinderanordnung (14: 16) zusätzlich zu dem Steuerzylinder (14) eine durch das Gelenk (18) mit diesem verbundene Hilfszylinderanordnung (16) aufweist, welche über eine Flüssigkeitsleitung (12) mit der Hauptzylinderanordnung (U) verbunden isL ;s
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis —α der Werte
cos ,·<
der Kosinus der spitzen Winkel, die jeweils der Steuerzylinder (14) und ein Hilfszylinder (16) der jo Hilfszylinderanordnung mit der Bahn des Gelenkorgans (18) bilden, bei Verschiebung des beweglichen Gelenkorgans (18) auf seiner Bahn in einem Sinne entgegengesetzt zur Änderung des Druckes des Gases in dem Speicher variiert. js
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