DE3750479T2 - Spannvorrichtung für ein Steigrohr. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf das Erbohren und Fördern von Offshoreöl, insbesondere auf eine Meeressteigrohr-Spannvorrichtung zur Verwendung auf einer zugseilverankerten Bohrinsel.
• In jüngeren Jahren wurden große Anstrengungen unternommen, Öl in Unterwasser-Ölfeldern aufzuschließen und von dort zu fördern. Der Golf von Mexiko und die Nordsee sind spezifische Beispiele für Orte, an denen große Anstrengungen unternommen wurden.
• Um eine wirkungsvolle Exploration und Förderung dieser Unterwasser-Ölreserven zu erreichen, sind viele Techniken untersucht worden. Eine jüngere Entwicklung ist die zugseilverankerte Bohrinsel, die sowohl zum Erbohren als auch zur Förderung verwendet werden kann. Die zugseilverankerte Bohrinsel (allgemein als TLP bezeichnet) ist eine schwimmende Struktur, die einem großen Halbtaucher-Bohrturm gleicht, der mit Fundamentplattformen im Meeresboden durch senkrechte Halteseile verbunden ist. Der Auftrieb für die TLP entsteht durch wasserdichte Säulen, Pontons u. dgl. Die TLP ist mit Auftriebsüberschuß versehen, um die Halteseile bei allen Wetter- und Belastungsbedingungen unter Spannung zu halten.
• Zur Weiterleitung von Fluiden zwischen der Meeresboden-Plattform und der TLP sowohl beim Bohren als auch bei der Förderung werden im allgemeinen drei getrennte Meeressteigrohr- Systeme angewandt. Diese Steigrohr-Systeme sind die Steigrohre für das Bohren, für die Förderung und für die Rohölverladung. Die Steigrohre sind auf dem Meeresboden an der Unterwasserplattform befestigt und erstrecken sich bis zur TLP. Die Steigrohre müssen ständig unter Spannung gehalten werden, um trotz der Bewegung der TLP infolge von Meeresoberflächenbewegung und extremen Wetterbedingungen zu vermeiden, daß die Steigrohre infolge ihres eigenen Gewichts zusammenstürzen.
• In der Vergangenheit wurden aktive hydropneumatische Systeme benutzt, um die Steigrohre bei TLP-Systemen unter Spannung zu halten. Eine solche Verwendung wird beschrieben in einem Artikel mit dem Titel "TLP Riser Tensioners Stand Stresses" (TLP-Steigrohre fest gegen Spannungsbelastungen) von M.H. Frayne und F.L. Hettinger in OFFSHORE, 1983, Band 43, Nr. 6, S. 62. In diesem Dokument beschriebene Spannvorrichtungen enthalten hydraulische Betätigungsorgane mit Hubbewegungen nach oben und unten entsprechend den TLP-Bewegungen, derart, daß auf jedes Steigrohr eine relativ gleichbleibende Zugspannung ausgeübt wird. Dieses System hat mehrere Nachteile. Es ist ein aktives System, das zum Betrieb eine kontinuierliche Zufuhr von Hochdruckfluiden erfordert. Tritt somit eine Störung ein, welche die Zufuhr dieses Hochdruckfluides unterbricht, kann das System ausfallen. Ferner muß ein hochentwikkeltes und teures Steuersystem vorgesehen sein, das den gewünschten Druck im System erhält. Für die Ausübung einer Zugspannung auf ein Meeressteigrohr unter Verwendung einer elastomerischen Feder ist ein passives System bekannt. (Siehe World Oil, Oktober 1985, "New Technology stresses drilling a better hole" (Neue Technologie belastet das Bohren eines besseren Loches)) von Tom Muhlemann jr, Seiten 61-64 bei Seiten 61-62). Dieses System verwendet eine elastomerische Feder, die an einer konischen Trommel befestigt ist, und eine vom Steigrohr ausgehende Leine, die um die Trommel gewickelt ist. Wenngleich das System nach dem Einstellen passiv ist, erfordert die Trommel dennoch einen Motor, um die gewünschte Zugspannung in der Leine zu erzielen.
• Es ist notwendig, nicht nur senkrechte Bewegung der Bohrinsel zuzulassen, sondern auch Kippen derselben. US-A-4324l94 zeigt ein System zum Abstützen und Spannen eines Rohrstranges, das eine auf einem Schiff unter einem Winkel montierte Hebevorrichtung benutzt. In Verbindung mit elastischen Elementen im Basisteil der Vorrichtung werden hydraulische Betätigungsorgane verwendet, um die Hebevorrichtung bei Stampf- und Rollbewegungen des Schiffes parallel zur Mittelachse des Rohrstranges zu halten. Die elastischen Elemente bestehen aus zwei Kugelsektoren, die um den Rohrstrang angeordnet sind. Das obere elastische Element arbeitet im wesentlichen als Kugelgelenk, um eine freie Bewegung des Schiffes und der Hebevorrichtung um eine Gleitschale zu ermöglichen, wenn das Basisteil durch die hydraulischen Betätigungsorgane lageblokkiert ist.
• Es wird auch auf Seite 62 des oben erwähnten Artikels in World Oil hingewiesen, der eine mit Hydraulikkraft angetriebene Schwenkvorrichtung beschreibt mit einem Satz Kippzylinder, mit denen sich die Einheit nach vorn und nach hinten schwenken läßt.
• US-A-4359095 beschreibt eine Steigrohr-Spannvorrichtung entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die elastomerische Anordnung umfaßt eine flexible Säule, die im Betrieb auf Druck beansprucht wird.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Steigrohr-Spannvorrichtung geschaffen zur Aufrechterhaltung einer Spannung an einem Meeressteigrohr von einer zugseilverankerten Bohrinsel, wobei die zugseilverankerte Bohrinsel relativ zum Meeressteigrohr beweglich ist und das Meeressteigrohr eine Mittellinie hat, umfassend
• (a) eine elastomerische Anordnung, die einstellbar verformbar ist, um das Steigrohr während einer vertikalen Bewegung der Plattform relativ zum Steigrohr unter Spannung zu halten, und die ein oberes und ein unteres Ende hat,
• (b) einen Basisring, an dem das untere Ende der elastomerischen Anordnung befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die elastomerische Anordnung durch Pufferkissen-Scherbeanspruchung deformierbar ist, und daß die Spannvorrichtung weiterhin umfaßt:
• (c) eine Kardananordnung zur schwenkbaren Verbindung des oberen Endes der elastomerischen Anordnung mit der zugseilverankerten Bohrinsel zum Aufnehmen von Fluchtungsfehlern zwischen dem Steigrohr und der zugseilverankerten Bohrinsel und
• (d) einen Reif zur sicheren Befestigung am Steigrohr innerhalb des Basisrings zur Verbindung des unteren Endes der elastomerischen Anordnung mit dem Steigrohr.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt die elastomerische Anordnung wenigstens eine ersten Plattenanordnung, die mit der zugseilverankerten Bohrinsel betriebsmäßig verbunden ist, und eine zweite Plattenanordnung, die mit dem Steigrohr betriebsmäßig verbunden ist. Zwischen der ersten und der zweiten Plattenanordnung ist eine elastomerische Kissenanordnung angeordnet und mit ihnen verbunden, derart, daß sie zum Spannen des Steigrohres auf Scherung beansprucht wird. Die elastomerische Kissenanordnung kann eine Vielzahl elastomerischer Kissen umfassen, die durch starre Platten voneinander getrennt sind. Die Plattenanordnungen der beiden elastomerischen Anordnungen können verbunden sein, derart, daß die Hubbewegung des Steigrohres gegenüber der zugseilverankerten Bohrinsel vergrößert wird. Außerdem können die elastomerischen Kissenanordnungen mit beiden Seiten einer Plattenanordnung verbunden sein, derart, daß die Zugspannungskräfte erhöht werden.
• Ein vollständigeres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der Bezugnahme auf die nachstehende detaillierte Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen, in denen zeigt:
• Fig. 1 eine Schrägansicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Spannen eines Meeressteigrohres an einer zugseilverankerten Bohrinsel,
• Fig. 2 eine Seitenansicht der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und
• Fig. 3 eine Draufsicht auf die Ausführungsform gemäß Fig. 1.
• Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen: Darin ist dargestellt eine Meeressteigrohr-Spannvorrichtung 10, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet. Die Meeressteigrohr-Spannvorrichtung 10 ist dazu bestimmt, an einem Meeressteigrohr 12 eine Mindestzugspannung aufrechtzuerhalten, wenn sich die zugseilverankerte Bohrinsel 14 unter dem Einfluß der Wellenbewegung, des Wetters und anderer Faktoren bewegt. Die Meeressteigrohr-Spannvorrichtung 10 ist in der Lage, am Meeressteigrohr 12 eine gewünschte Zugspannung, üblicherweise im Bereich von 50 bis 500 kp (2,2·10&sup5; bis 2,2·10&sup6; N oder 50.000 bis 500.000 engl. Gewichtspfund) trotz vertikaler Bewegung der zugseilverankerten Bohrinsel 14 relativ zum Meeressteigrohr 12 von vielleicht mehr als 6 engl. Fuß (1,8 m) in beiden Richtungen aus dem normalen öder Gleichgewichtspegel heraus aufrechtzuerhalten und die Bohrinsel 14 relativ zum Meeressteigrohr 12 bis zu einem Winkel von 10º zu kippen.
• Die Spannvorrichtung 10 ist auf einem Deck 16 der Bohrinsel 14 montiert, wobei der größte Teil der Spannvorrichtung sich unter dem Deck durch das Loch im Deck erstreckt, durch welches das Steigrohr 12 hindurchgeführt ist. Die Spannvorrichtung 10 umfaßt eine Kardananordnung 18, welche die Schwenkbewegung der Bohrinsel 14 relativ zum Steigrohr 12 aufnimmt, und eine elastomerische Anordnung 20, welche das Steigrohr 12 trotz vertikaler Bewegung der Bohrinsel 14 relativ zum Steigrohr 12 unter Zugspannung hält.
• Die Kardananordnung 18 weist aufragende Arme 22 auf, die mit dem Deck 16 starr verbunden sind und einen ersten Kardanring 24 zur Schwenkbewegung um die waagerechte Achse 26 schwenkbar tragen. Ein zweiter Kardanring 28 ist mit dem ersten Kardanring zur Schwenkbewegung um eine zur waagerechten Achse 26 rechtwinklige waagerechte Achse 30 schwenkbar verbunden. Rollen 31 am Ring 28 liegen am Steigrohr an, ermöglichen aber eine senkrechte Bewegung der Bohrinsel 14 relativ zum Steigrohr. Somit ist die Kardananordnung in der Lage, jeden durch Schwenkung hervorgerufenen Fluchtungsfehler zwischen dem Meeressteigrohr und der Bohrinsel aufzunehmen.
• Die elastomerische Anordnung 20 ist am zweiten Kardanring 28 befestigt. Die elastomerische Anordnung 20 umfaßt vier identische elastomerische Einheiten 32, die an gleichen radialen Stellungen um das Steigrohr verteilt sind. Die Einheiten 32 sind an ihren oberen Enden vom zweiten Kardanring getragen und an ihrem unteren Ende an einem Basisring 34 befestigt. Am Steigrohr 12 ist ein Reif 36 befestigt. Der Reif 36 ruht innerhalb des Basisrings 34 auf, so daß das Steigrohr über die vier elastomerischen Einheiten 32 vollständig von der Bohrinsel getragen wird.
• Jede elastomerische Einheit 32 umfaßt eine Gewindestange 38, die den zweiten Kardanring 28 durchdringt. Der Gewindeteil der Stange 38 nimmt eine Mutter 40 auf, die auf der Oberseite des zweiten Kardanrings 28 aufruht. Durch Drehen der Mutter 40 läßt sich die Höhenlage der Stange 38 so verändern, daß die elastomerischen Elemente in der Einheit 32 deformiert werden, um am Meeressteigrohr 12 die gewünschte Zugspannung zu erzeugen. Das untere Ende der Gewindestange 38 weist einen Gabelkopf 42 auf, der einen Querzapfen 44 aufnimmt. Der Querzapfen 44 trägt eine obere Plattenanordnung 46, die durch Verschrauben von Platten 48 durch mit Gewinde versehene Befestigungsmittel 52 gebildet ist. Die Platten 48 bilden je einen Teil eines elastomerischen Abschnitts 54. Jeder Abschnitt 54 hat starre äußere Platten 48, 56 und starre innere Platten 58, zwischen denen elastomerische Kissen 60 angeordnet und mit ihnen so verbunden sind, daß eine einheitliche Struktur gebildet ist, die eine Kraft aufzunehmen vermag, welche über den elastomerischen Abschnitt wirkend entlang den Verbindungsebenen zwischen den elastomerischen Kissen 60 und den verschiedenen Platten 48, 56 und 58 gerichtet ist, zwischen denen Kissenscherung herrscht.
• Wie sich aus den Figuren ergibt, sind zwei obere elastomerische Abschnitte 54 nebeneinander angeordnet und durch Platten 48 an der Gewindestange 38 befestigt. In jedem der oberen elastomerischen Abschnitte 54 erstreckt sich ein Teil der Platte 56 vom übrigen Teil des Abschnitts nach unten, derart, daß er mit einem direkt darunterliegenden Gegenpaar unterer elastomerischer Abschnitte 54 verbindbar ist. Die Platten 56 der zusammenpassenden elastomerischen Abschnitte sind über Verbindungsplatten 62 und Befestigungsmittel 64 miteinander verschraubt. Die Platten 48 des unteren Paares elastomerischer Abschnitte 54 sind durch mit Gewinde versehene Befestigungsmittel ebenfalls miteinander verschraubt. Der Basisring 34 hat ein Verbindungsglied 66, das einen Querzapfen 68 trägt, welcher die Platten 48 der unteren elastomerischen Abschnitte 54 aufnimmt.
• Durch die Verwendung von vier elastomerischen Einheiten 32, die um das Meeressteigrohr 12 verteilt sind, wird vertikale Bewegung der zugseilverankerten Bohrinsel 14 relativ zum Steigrohr durch Deformation der elastomerischen Kissen 60 bei Kissenscherung aufgenommen. Zwar kann eine beliebige Anzahl Einheiten 32 verwendet werden, es wird jedoch vorgezogen, die Einheiten so anzuordnen, daß der gesamte, als Folge der Einheiten auf das Meeressteigrohr wirkende Kraftvektor auf der Mittelachse des Steigrohre liegt. Zum Einstellen der gewünschten Zugspannung auf das Meeressteigrohr werden die elastomerischen Kissen 60 durch Einstellen der Muttern 40 Kissenscherung ausgesetzt, derart, daß das Meeressteigrohr am Gleichgewichtspunkt der Bewegung der zugseilverankerten Bohrinsel 14 relativ zum Steigrohr 12 unter Zugspannung gesetzt wird. Wenn die Bohrinsel 14 sich in beiden Richtungen um den Gleichgewichtspunkt relativ zum Steigrohr bewegt, hält die elastomerische Anordnung 20 ausreichende Zugspannung am Meeressteigrohr durch eine geeignete Deformation der elastomerischen Kissen 60 aufrecht. Fluchtungsfehler zwischen der Bohrinsel 14 und dem Steigrohr 12 werden durch die Kardananordnung 18 aufgenommen.
• Die Werkstoffe für die Bildung der elastomerischen Kissen 60 können entsprechend den gewünschten Betriebsbedingungen ausgewählt werden. Es ist vorgesehen, daß die elastomerischen Kissen 60 aus synthetischen und/oder natürlichen Gummiwerkstoffen hergestellt sein können. Beispielsweise könnte bei einer Anwendung, bei der große Temperaturschwankungen erwartet werden, eine Mischung mit natürlichem Gummi vorteilhafter sein. Die elastomerische Anordnung kann nach Bedarf mit linearer oder nicht linearer Beziehung zwischen Kraft und Deformation hergestellt werden.

Claims (8)

1. Eine Steigrohr-Spannvorrichtung zur Aufrechterhaltung einer Spannung an einem Meeressteigrohr (12) von einer zugseilverankerten Bohrinsel (14), wobei die zugseilverankerte Bohrinsel relativ zum Meeressteigrohr beweglich ist und das Meeressteigrohr eine Mittellinie hat, umfassend

(a) eine elastomerische Anordnung (20), die einstellbar verformbar ist, um das Steigrohr (12) während einer vertikalen Bewegung der Plattform relativ zum Steigrohr unter Spannung zu halten, und die ein oberes und ein unteres Ende hat,

(b) einen Basisring (34), an dem das untere Ende der elastomerischen Anordnung (20) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die elastomerische Anordnung (20) durch Pufferkissen- Scherbeanspruchung deformierbar ist, und daß die Spannvorrichtung weiterhin umfaßt,

(c) eine Kardananordnung (18) zur schwenkbaren Verbindung des oberen Endes der elastomerischen Anordung (20) mit der zugseilverankerten Bohrinsel (14) zum Aufnehmen von Fluchtungsfehlern zwischen dem Steigrohr und der zugseilverankerten Bohrinsel und (d) einen Reif (36) zur sicheren Befestigung am Steigrohr innerhalb des Basisrings (34) zur Verbindung des unteren Endes der elastomerischen Anordnung (20) mit dem Steigrohr.

2. Eine Steigrohr-Spannvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die elastomerische Anordnung (20) ferner umfaßt,

(a) wenigstens eine elastomerische Einheit (32) mit einem oberen elastomerischen Abschnitt (54) und einem unteren elastomerischen Abschnitt (54),

(b) wobei jeder der elastomerischen Abschnitte ein Paar starrer äußerer Platten (48, 56) und wenigstens ein elastomerisches Pufferkissen (60) zwischen den starren Platten hat und durch Pufferkissen-Scherbeanspruchung verformbar ist,

(c) wobei eine Platte (48) des Paars starrer äußerer Platten des oberen elastomerischen Abschnittes mit der zugseilverankerte Bohrinsel (14) über die Kardananordnung (18) verbunden ist und die andere Platte (56) des Paars starrer äußerer Platten des oberen elastomerischen Abschnittes starr mit einer Platte (56) des Paars starrer äußerer Platten des unteren elastomerischen Abschnittes verbunden ist, und

(d) wobei die andere Platte (48) des Paars starrer äußerer Platten des unteren elastomerischen Abschnittes mit dem Steigrohr (12) über den Basisring (34) verbunden ist.

3. Eine Steigrohr-Spannvorrichtung nach Anspruch 2, bei der jeder elastomerische Abschnitt (54) ferner eine Anzahl elastomerischer Pufferkissen (60) umfaßt, von denen ein erstes Pufferkissen mit einem der starren äußeren Platten (48, 56) und ein zweites der Pufferkissen mit der anderen der starren äußeren Platten (48, 56) verbunden ist und starre Zwischenplatten (58) zwischen angrenzenden elastomerischen Pufferkissen (60) gebunden sind.

4. Eine Steigrohr-Spannvorrichtung nach Anspruch 3, die ferner umfaßt Mittel (38, 40) zur Einstellung der relativen Lage der einen Platte des Paars starrer äußerer Platten des oberen elastomerischen, mit der zugseilverankerten Bohrinsel (14) verbundenen Abschnitts (54), und der anderen Platte des Paars starrer äußerer Platten des unteren elastomerischen, mit dem Steigrohr verbundenen Abschnitts (54) ist, um eine vorbestimmte Spannung auf das Steigrohr durch Verformung der elastomerischen Pufferkissen (60) der elastomerischen Abschnitte durch Pufferkissen-Scherbeanspruchung aufzubringen.

5. Eine Steigrohr-Spannvorrichtung nach Anspruch 4, bei der die elastomerische Anordnung eine Anzahl der elastomerischen Einheiten (32) an gleichen radialen Stellungen um das Steigrohr (12) verteilt umfaßt, um eine wirksame Spannkraft längs der Mittellinie des Steigrohrs zu erzeugen.

6. Eine Steigrohr-Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei der jede elastomerische Einheit (20) umfaßt:

(a) ein Paar der oberen elastomerischen Abschnitte (54), von denen jede eine Platte des einen Paars starrer äußerer Platten (48) von jedem der oberen elastomerischen, mit der zugseilverankerten Bohrinsel (14) verbundenen Abschnitte miteinander verbunden sind,

(b) ein Paar der unteren elastomerischen Abschnitte (54), von denen jede eine Platte des einen Paars starrer äußeren Platten (48) von jeder der unteren elastomerischen, starr mit dem Steigrohr (12) verbundenen Abschnitte miteinander verbunden sind, und

(c) das verbleibende Paar starrer äußerer Platten (56) des Paars oberer elastomerischer Abschnitte starr mit dem verbleibenden Paar starrer äußerer Platten (56) des Paars unterer elastomerischer Abschnitte verbunden ist.

7. Eine Steigrohr-Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem die Kardananordnung (18) umfaßt:

(a) ein Paar aufrechtstehender Arme (22), die starr mit der zugseilverankerte Bohrinseln (14) verbunden sind;

(b) einen ersten Kardanring (24), der schwenkbar durch das Paar aufrechtstehender Arme abgestützt ist, für eine Schwenkbewegung um eine horizontale, durch das Paar aufrechtstehender Arme gehenden Achse (26),

(c) einen zweiten Kardanring (28), der schwenkbar mit dem ersten Kardanring (24) für eine Schwenkbewegung um eine zweite horizontale, im wesentlichen rechtwinkelig zur ersten horizontalen Achse (26) verlaufende Achse (30) verbunden ist, wobei die zweite horizontale Achse in der durch den zweiten Kardanring aufgespannten Ebene liegt, und

(d) Mittel (38, 40, 42, 44) zur Verbindung jeder der elastomerischen Einheiten (32) mit dem zweiten Kardanring (28).

8. Eine Steigrohr-Spannvorrichtung nach Anspruch 7, die ferner umfaßt:

(a) eine Gewindestange (38), die sich durch den zweiten Kardanring (28) erstreckt und mit dem oberen Ende jeder der elastomerischen Einheiten (32) verbunden ist,

(b) eine auf die Gewindestange derart aufgeschraubte Mutter (40), daß die Mutter auf der Oberseite des zweiten Kardanrings (28) aufruht, wobei eine Drehung der Mutter die vertikale Lage der Gewindestange zur Deformierung der elastomerischen Pufferkissen (60) in jeder Einheit zur Erzeugung der gewünschten Spannung verändert.