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1. Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft allgemein Offshore-Bohrsysteme zum Bohren von
Unterwasserbohrlöchern.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Offshore-Bohrsystem, das
während
des Bohrvorgangs einen dualen Druckgradienten aufrechterhält, und
zwar einen Druckgradienten oberhalb des Bohrlochs und einen weiteren
Druckgradienten in dem Bohrloch.
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2. Stand der
Technik
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Tiefseebohrungen
von einem Schiff aus erfordern in der Regel die Verwendung eines
großkalibrigen
Unterwasser-Riserrohres,
beispielsweise eines 21 Inch durchmessenden Unterwasser-Riserrohres, um
die auf dem Schiff befindliche Ausrüstung mit einem auf dem Unterwasserbohrloch
befindlichen Ausblasverhinderungsschacht zu verbinden. Das Schiff kann
an der Bohrposition festgemacht oder dynamisch positioniert sein.
Für Tiefseebohrungen
werden aber überwiegend
dynamisch positionierte Bohrschiffe eingesetzt. Die Hauptaufgaben
des Unterwasser-Riserrohres sind das Führen des Bohrstrangs und anderer
Werkzeuge vom Schiff zum Unterwasserbohrloch und das Leiten von
Bohrfluid und ausgebohrtem Erdreich von dem Unterwasserbohrloch zum
Schiff. Das Unterwasser-Riserrohr besteht aus einer Mehrzahl von
Riserrohrstücken,
bei denen es sich um besondere Futterrohre mit Kupplungsvorrichtungen
handelt, mit deren Hilfe sie so miteinander verbunden werden können, dass
eine röhrenförmige Passage
zur Aufnahme von Bohrwerkzeugen und zum Leiten von Bohrfluid gebildet
wird. Das untere Ende des Riserrohres ist in der Regel lösbar mit
dem Ausblasverhinderungsschacht verriegelt, der in der Regel eine
flexible Verbindungsstelle enthält,
die es dem Riserrohr ermöglicht,
winklig auslenken, wenn sich das Schiff aus einer Position direkt über dem Bohrloch
seitlich fortbewegt. Das obere Ende des Riserrohres enthält ein Teleskopverbindungsstück, mit dem
das Heben und Senken des Schiffes ausgeglichen wird. Das Teleskopverbindungsstück ist an
einer Bohranlage auf dem Schiff mittels Stahlseilen befestigt, die
in Seilscheiben an Riserrohrspannvorrichtungen neben der Ölaufnahmeöffnung der
Bohranlage eingeschert sind.
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Die
Riserrohrspannvorrichtungen sind so konfiguriert, dass sie einen
Aufwärtszug
am Riserrohr aufrechterhalten. Dieser Aufwärtszug verhindert, dass sich
das Riserrohr unter seinem eigenen Gewicht verzieht, das bei einem
Riserrohr, das mehrere hundert Fuß lang ist, recht beträchtlich
sein kann. Die Riserrohrspannvorrichtungen sind verstellbar, um eine
ausreichende Stützung
für das
Riserrohr zu ermöglichen,
wenn die Wassertiefe und die Anzahl der Riserrohrstücke, die
für das
Erreichen des Ausblasverhinderungsschachtes benötigt werden, zunimmt. In sehr
tiefem Wasser kann das Riserrohr so schwer werden, dass die Riserrohrspannvorrichtungen
ineffektiv werden würden.
Um zu gewährleisten,
dass die Riserrohrspannvorrichtungen effektiv arbeiten, werden an
einigen der Riserrohrstücke
Auftriebsvorrichtungen angebracht, um das Gewicht des Riserrohres zu
verringern, wenn es sich im Wasser befindet. Bei den Auftriebsvorrichtungen
handelt es sich in der Regel um Stahlzylinder, die mit Luft oder
Plastikschaumstoffkissen gefüllt
sind.
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Die
maximale praktische Wassertiefe für derzeitige Bohrverfahren
mit großkalibrigen
Unterwasser-Riserrohren liegt bei etwa 7.000 Fuß. In dem Maße, wie
die Energiereserven immer mehr aufgestockt werden müssen, werden
die Grenzen der Erschließung
von Energieressourcen in immer tieferes Wasser verschoben, wodurch
die Entwicklung von Bohrtechniken für immer tieferes Wasser zunehmend
an Bedeutung gewinnt. Im Zusammenhang mit den derzeitigen Bohrverfahren
unter Verwendung eines herkömmlichen
Unterwasser-Riserrohres gibt es jedoch eine Reihe von Aspekten,
die das Tiefseebohren infolge seiner Eigenart auf Wassertiefen von
weniger als etwa 7.000 Fuß beschränken.
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Der
erste einschränkende
Faktor ist das hohe Gewicht und die Platzbeschränkungen, die mit einem Schiff
bei zunehmender Wassertiefe verbunden sind. Bei Tiefseebohrungen
stellt das Volumen an Bohrfluid oder Schlamm im Riserrohr den größten Teil
des gesamten Schlammzirkulationssystems dar und nimmt mit zunehmender
Wassertiefe ebenfalls zu. Die Kapazität des 21 Inch durchmessenden
Unterwasser-Riserrohres liegt bei ungefähr 400 Barrels je 1.000 Fuß. Es wurde
geschätzt,
dass das Gewicht des Unterwasser-Riserrohres und des Schlammvolumens
bei einer Bohranlage, die in einer Wassertiefe von 6.000 Fuß bohrt,
mit 1.000 bis 1.500 Tonnen zu veranschlagen ist. Es leuchtet ein,
dass infolge des Gewichts und des Platzbedarfs für eine Bohranlage, die das
große
Volumen der für
die Zirkulation benötigten
Fluide sowie die Anzahl der Riserrohrstücke, die zum Erreichen des
Meeresbodens benötigt
werden, tragen kann, die Verwendung von 21 Inch durchmessenden Unterwasser-Riserrohren
oder sonstigen großkalibrigen
Rohren zum Bohren in extremen Wassertiefen mittels der derzeit vorhandenen
Offshore-Bohrschiffflotte nicht in Frage kommt.
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Der
zweite einschränkende
Faktor betrifft die Belastung, der die Wand eines großkalibrigen
Riserrohres in sehr tiefem Wasser ausgesetzt ist. Mit zunehmender
Wassertiefe verlängert
sich die Eigenperiodendauer des Riserrohres in axialer Richtung.
Bei einer Wassertiefe von etwa 10.000 Fuß beträgt die Eigenperiodendauer des
Riserrohres etwa 5 bis 6 Sekunden. Diese Eigenperiodendauer stimmt
mit der Periodendauer der Wasserwellen überein und kann dazu führen, dass
auf das Bohrschiff und das Riserrohr großen Energien einwirken, insbesondere
wenn das untere Ende des Riserrohres vom Ausblasverhinderungsschacht
getrennt wird. Die dynamischen Belastungen infolge der Wechselwirkung
zwischen dem Heben des Bohrschiffes und dem Riserrohr kann zu hohen
Druckwellen führen,
welche die Kapazität
des Riserrohres übersteigen.
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In
Wassertiefen ab 6.000 Fuß ist
das 21 Inch durchmessende Unterwasser-Riserrohr so flexibel, dass
infolge der Wasserströmungen,
die auf das Riserrohr einwirken, winklige und seitliche Auslenkungen über die
gesamte Länge
des Riserrohres erfolgen. Um also die Auslenkungen des Riserrohres während des
Bohrens innerhalb akzeptabler Grenzen zu halten, ist eine exakte
Positionsstabilisierung erforderlich. Häufig sind die Wasserströmungen so stark,
dass die Positionsstabilisierung nicht ausreicht, um den Bohrvorgang
fortsetzen können.
Die Wasserströmungen
sind gelegentlich so stark, dass das Riserrohr vom Ausblasverhinderungsschacht
getrennt werden muss, um Beschädigungen
oder dauerhafte Deformierungen zu vermeiden. Um ein häufiges Abtrennen
des Riserrohres zu vermeiden, kann es erforderlich sein, eine teure
Ausstrakung zu verwenden oder das Riserrohr noch stärker zu
spannen. Vom operativen Standpunkt aus gesehen ist eine Ausstrakung
unzweckmäßig, weil
sie ein hohes Gewicht hat und sich nur schwer installieren und trennen lässt. Andererseits
können
zusätzliche
Riserrohrspannvorrichtungen das Riserrohr überbelasten und auf das Bohrschiff
noch stärkere
Belastungen einwirken lassen.
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Ein
dritter einschränkender
Faktor ist das Problem des Einholens des Riserrohres im Fall eines Sturms.
Ausgehend von den großen
Kräften,
denen das Riserrohr und das Bohrschiff bereits ausgesetzt sind,
kann man begründetermaßen davon
ausgehen, dass weder das Riserrohr noch das Bohrschiff in der Lage
wären,
den Kräften
zu widerstehen, die bei einem Wirbelsturm einwirken würden. Unter
solchen Umständen
würde ein
dynamisch positioniertes Bohrschiff versuchen, dem Sturm auszuweichen. Aber
es wäre
unmöglich,
dem Sturm auszuweichen, wenn 10.000 Fuß Riserrohr vom Bohrschiff
herabhängen.
In einer solchen Situation würde
daher das Riserrohr vollständig
heraufgezogen werden müssen.
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Außerdem müssen, bevor
das Riserrohr vom Ausblasverhinderungsschacht getrennt wird, Arbeiten
stattfinden, um das Bohrloch so herzurichten, dass es unbedenklich
verlassen werden kann. Das ist erforderlich, weil das Bohrloch den
hydrostatischen Druck der Schlammsäule braucht, die sich vom oberen
Ende des Riserrohres zum Grund des Bohrlochs erstreckt, um die Porendrücke der
Formation zu überwinden.
Wenn die Schlammsäule
im Riserrohr entfernt wird, so wird der hydrostatische Druckgradient
drastisch verringert und reicht möglicherweise nicht aus, um
zu verhindern, das Formationsfluid in das Bohrloch einströmt. Zu den
Arbeiten zum Eindämmen
des Bohrlochdrucks kann gehören, eine
Verschlussvorrichtung, wie beispielsweise einen Sturmpacker, in
das Bohrloch einzusetzen und den Blindschieber in dem Ausblasverhinderungsschacht zu
schließen.
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Nach
dem Sturm kehrt das Bohrschiff zur Bohrstelle zurück und setzt
das Riserrohr erneut an, um das Bohren wieder aufzunehmen. An Orten
wie dem Golf von Mexiko, wo es im Jahr durchschnittlich 2,8 Hurrikane
gibt und die Warnfrist für
einen heranziehenden Hurrikane maximal 72 Stunden beträgt, wäre es erforderlich,
das Riserrohr jedes Mal abzutrennen und heraufzuholen, wenn in der
Nähe des Bohrstandortes
Hurrikanegefahr besteht. Damit wären
freilich erhebliche finanzielle Verluste für das Ölförderunternehmen verbunden.
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Ein
vierter einschränkender
Faktor betrifft Notabtrennungen, wie beispielsweise, wenn ein dynamisch
positioniertes Bohrschiff abtreibt. Eine Abdrift ist eine Situation,
wenn ein Bohrschiff die Fähigkeit
verliert, seine Position zu stabilisieren, Leistung verliert, in
unmittelbarer Gefahr schwebt, mit einem anderen Schiff oder Objekt
zu kollidieren, oder sonstigen Situationen unterworfen ist, in denen
der Bohrort rasch verlassen werden muss. Wie im Fall der Sturmabtrennung
sind auch hier Bohrlocharbeiten erforderlich, um das Bohrloch zum
Verlassen herzurichten. In einer Abdriftsituation ist jedoch in
der Regel nicht genügend
Zeit, alle notwendigen Maßnahmen
für ein
sicheres Verlassen des Bohrlochs durchzuführen. Normalerweise ist nur
noch genügend
Zeit, den Bohrstrang von den Rohr-/Hängeblöcken abzuhängen und die Scher- oder Blindschieber im
Ausblasverhinderer zu schließen,
bevor das Riserrohr vom Ausblasverhinderungsschacht getrennt wird.
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Der
sich aus der Riserrohrhöhe
ergebende hydrostatische Druckgradient des Bohrlochs ist unter den
geschlossenen Blindschiebern eingeschlossen, wenn das Riserrohr
abgetrennt wird. Die einzige Sperre gegen das Einströmen von
Formationsfluid in das Bohrloch sind somit die geschlossenen Blindschieber,
da die Schlammsäule
unter den Blindschiebern nicht ausreicht, um das Einströmen von
Formationsfluid in das Bohrloch zu verhindern. Ein umsichtiges Vorgehen
beim Bohren erfordert zwei voneinander unabhängige Sperren, um zu verhindern,
dass die Kontrolle über
das Bohrloch verloren geht. Wenn das Riserrohr vom Ausblasverhinderungsschacht
abgetrennt wird, so werden große
Mengen Schlamm auf dem Meeresboden abgelagert. Das ist sowohl aus ökonomischer
als auch aus Umweltsicht unerwünscht.
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Ein
fünfter
einschränkender
Faktor betrifft die Bohrlochrandkontrolle und die Notwendigkeit
zahlreicher Futterrohrpunkte. Bei jedem Bohrvorgang ist es wichtig,
das Einströmen
von Formationsfluid aus Untergrundformationen in das Bohrloch zu
kontrollieren, um ein Ausblasen zu verhindern. Zu den Bohrlochkontrollverfahren
gehört
in der Regel, den hydrostatischen Druck der Bohrfluidsäule über dem
Offenlochformationsporendruck, aber gleichzeitig nicht über dem
Formationsbruchdruck zu halten. Beim Bohren des Anfangsabschnitts
des Bohrlochs wird der hydrostatische Druck dadurch aufrechterhalten,
dass Meerwasser als Bohrfluid verwendet wird, wobei der Bohrgutrücklauf auf
den Meeresboden abgelassen wird. Das ist möglich, weil die Porendrücke der
Formationen in der Nähe
des Meeresbodens nahe dem hydrostatischen Meerwasserdruck auf dem
Meeresboden liegen.
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Während des
Bohrens des Anfangsabschnitts des Bohrlochs mit Meerwasser ist es
möglich,
dass man auf Formationen stößt, deren
Porendrücke
größer sind
als der hydrostatische Meerwasserdruck. In solchen Situationen können Formationsfluide
ungehindert in das Bohrloch einströmen. Dieses unkontrollierte
Einströmen
von Formationsfluiden in das Bohrloch kann so stark sein, dass das Bohrloch
ausgewaschen wird und vielleicht sogar die Bohrstelle unbrauchbar
wird. Um zu verhindern, dass Formationsfluid in das Bohrloch einströmen, kann der
Anfangsabschnitt des Bohrlochs mit gewichteten Bohrfluiden gebohrt
werden. Die derzeitige Praxis des Ablassens des Fluids auf den Meeresboden während des
Bohrens des Anfangsabschnitts des Bohrlochs macht diese Option nicht
sehr erstrebenswert. Das liegt daran, dass die großen Mengen
an Bohrfluiden, die auf den Meeresboden abgelassen werden, nicht
zurückgewonnen
werden. Große
Mengen an nicht-zurückgewonnenen
gewichteten Bohrfluiden sind teuer und möglicherweise aus Umweltsicht
unerwünscht.
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Nachdem
der Anfangsabschnitt des Bohrlochs entweder mittels Meerwasser oder
gewichtetem Bohrfluid auf eine akzeptable Tiefe gebohrt wurde, wird
ein Führungsrohrstrang
mit einem Bohrlochkopf eingeführt
und einzementiert. Anschließend
wird ein Ausblasverhinderungsschacht und ein Unterwasser-Riserrohr
auf den Meeresboden gebracht, um eine Bohrfluidzirkulation vom Bohrschiff
zum Bohrloch und zurück
zum Bohrschiff in der üblichen
Weise zu ermöglichen.
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In
geologischen Gebieten, die durch schnelle Sedimentablagerung und
junge Sedimente geprägt sind,
ist der Bruchdruck ein kritischer Faktor bei der Bohrlochkontrolle.
Das liegt daran, dass der Bruchdruck an jedem Punkt im Bohrloch
mit der Dichte der Sedimente, die über dem betreffenden Punkt
lagern, in Verbindung mit dem hydrostatischen Druck der darüber befindlichen
Meerwassersäule
zusammenhängt.
Diese Sedimente werden ganz erheblich durch das darüberliegende
Gewässer
beeinflusst, und die zirkulierende Schlammsäule braucht nur geringfügig dichter
zu sein als Meerwasser, um die Formation zu durchbrechen. Glücklicherweise
nimmt der Bruchdruck infolge der höheren Raummasse des Gesteins
rasch mit der Penetrationstiefe unter den Meeresboden zu und stellt
ein weitaus weniger ernstes Problem dar, nachdem die ersten wenigen
tausend Fuß gebohrt
sind. Jedoch stellen unnormal hohe Porendrücke, auf die man bis 2.000
Fuß unter dem
Meeresboden regelmäßig stößt, ein
Problem dar, und zwar sowohl während
des Bohrens des Anfangsabschnitts des Bohrlochs mit Meerwasser als auch
beim Bohren über
den Anfangsabschnitt des Bohrlochs mit Meerwasser oder gewichtetem
Bohrfluid hinaus.
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Die
Herausforderung besteht dann darin, die inneren Drücke der
Formation mit dem hydrostatischen Druck der Schlammsäule auszubalancieren, während gleichzeitig
das Bohrloch weiter gebohrt wird. Die derzeitige Praxis besteht
darin, fortlaufend Futterrohre – das
folgende im Inneren des vorangegangenen – in das Loch herabzulassen
und dort einzuzementieren, um die offenen Lochabschnitte zu schützen, die
ungenügend
Bruchdruck besitzen, während
man gleichzeitig die Verwendung gewichteter Bohrfluide ermöglicht,
um die Formationsporendrücke
zu überwinden.
Es ist wichtig, dass das Bohrloch mit dem praktisch größtmöglichen
Futterrohr durch die Förderzone
hindurch vervollständig
wird, um Förderraten
zu gestatten, welche die hohen Kosten von Tiefseeerschließungen rechtfertigen.
Förderleistungen
von mehr als 10.000 Barrels am Tag sind für Tiefseeerschließungen üblich, und
ein zu kleines Förderfutterrohr
würde die
Produktivität
des Bohrlochs einschränken,
wodurch seine Herstellung unrentabel wird.
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Die
Anzahl der in das Loch eingeführten
Futterrohre hängt
maßgeblich
von der Wassertiefe ab. Die Vielzahl an Futterrohren, die zum Schutz
des "offenen Lochs" benötigt werden,
während
gleichzeitig das praktisch größtmögliche Futterrohr
durch die Förderzone
hindurch verläuft,
erfordert, dass das Oberflächenloch
auf dem Meeresboden größer ist. Ein
größeres Oberflächenloch
erfordert seinerseits einen größeren Unterwasserbohrlochkopf
und einen größeren Ausblasverhinderungsschacht,
und ein größerer Ausblasverhinderungsschacht
erfordert ein größeres Unterwasser-Riserrohr.
Bei einem größeren Unterwasser-Riserrohr
wird mehr Schlamm benötigt,
um das Riserrohr zu füllen,
und es wird ein größeres Bohrschiff
benötigt,
um den Schlamm aufzunehmen und das Riserrohr zu tragen. Dieser Kreis wiederholt
sich, wenn die Wassertiefe zunimmt.
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Es
wurde herausgefunden, dass der Schlüssel zum Durchbrechen dieses
Kreises darin liegt, den hydrostatischen Druck des Schlamms im Riserrohr auf
den Druck einer Meerwassersäule
zu senken und im Bohrloch Schlamm mit genügend Gewicht bereitzustellen,
um die Kontrolle über
das Bohrloch zu behalten. In der Vergangenheit wurden verschiedene Konzepte
vorgeschlagen, um dies zu erreichen, doch keines dieser Konzepte
nach dem Stand der Technik hat sich für das kommerzielle Bohren in
immer tieferem Wasser durchgesetzt. Diese Konzepte lassen sich allgemein
in zwei Kategorien unterteilen: das Schlammhubbohrungs-Konzept mit
einem Unterwasser-Riserrohr und das Konzept des riserrohrlosen Bohrens.
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Das
Schlammhubbohrungs-Konzept mit einem Unterwasser-Riserrohr basiert auf einem Gradientensystem
mit zwei Schlammdichten. Dies beinhaltet, die Dichte des Schlammrücklaufs
im Riserrohr so zu verringern, dass der Druck des Rücklaufschlamms
auf dem Meeresboden stärker
dem Druck des Meerwassers angenähert
ist. Der Schlamm im Bohrloch wird gewichtet, um die Kontrolle über das Bohrloch
aufrecht zu erhalten. Beispielsweise offenbaren die US-Patente Nr.
3,603,409 an Watkins et al. und Nr. 4,099,583 an Maus et al. Verfahren
zum Einleiten. von Gas in die Schlammsäule im Unterwasser-Riserrohr,
um das Gewicht des Schlamms zu verringern. Patent Nr. 4,291,772
offenbart ein Verfahren zum Verringern der Spannung an einem Riserrohr, wobei
bei diesem Verfahren das Bohrsystem mit einer separaten Bohrfluidrücklaufleitung
ausgestattet ist.
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Das
Konzept des riserrohrlosen Bohrens basiert darauf, das großkalibrige
Unterwasser-Riserrohr als Rücklaufringraum
wegzulassen und es durch eine oder mehrere kleinkalibrige Schlammrücklaufleitungen
zu ersetzen. Beispielsweise wird im US-Patent Nr. 4,813,495 an Leach
das Unterwasser-Riserrohr als Rücklaufringraum
weggelassen, und es wird eine Zentrifugalpumpe verwendet, um Schlammrücklauf vom
Meeresboden zur Oberfläche
durch eine Schlammrücklaufleitung
zu befördern.
Ein rotierender Kopf trennt den Schlamm im Bohrlochringraum vom
freien Meerwasser, wenn der Bohrstrang in das Bohrloch eingeführt und
aus dem Bohrloch herausgezogen wird.
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Die
Bohrraten werden stark durch die Größenordnung des Unterschieds
zwischen dem Formationsporendruck und dem Schlammsäulendruck
beeinflusst. Dieser Unterschied, gemeinhin als "Überausgleich" bezeichnet, wird
durch Ändern
der Dichte der Schlammsäule
justiert. Der Überausgleich
wird als der zusätzliche
Druck geschätzt,
der erforderlich ist, um zu verhindern, dass das Bohrloch zurückstößt, wenn
gebohrt wird oder wenn ein Bohrstrang aus dem Bohrloch gezogen wird.
Bei dieser Schätzung
des Überausgleichs
werden gewöhnlich
solche Faktoren berücksichtigt
wie beispielsweise Ungenauigkeiten bei der Vorhersage von Formationsporendrücken und
Drückminderungen
im Bohrloch, wenn ein Bohrstrang aus dem Bohrloch gezogen wird. Während des
Bohrens wird normalerweise ein Minimum von 300 bis 700 psi Überausgleich
aufrecht erhalten. Mitunter ist der Überausgleich so groß, dass er
die Formation beschädigt.
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Die
Auswirkungen eines Überausgleichs
auf die Bohrraten schwanken über
ein weites Spektrum in Abhängigkeit
vom Bohrkronentyp, vom Formationstyp, von der Größenordnung des Überausgleichs und
von vielen weiteren Faktoren. Beispielsweise ist es bei einer typischen
Kombination aus Bohrkrone und Formation mit einer Bohrrate von 30
Fuß in
der Stunde und einem Überausgleich
von 500 psi normal, dass sich die Bohrrate auf 60 Fuß in der
Stunde verdoppelt, wenn der Überausgleich
auf null verringert wird. Eine noch stärkere Zunahme der Bohrrate lässt sich
erreichen, wenn der Schlammsäulendruck auf
einen unterausgeglichenen Zustand verringert wird, d. h. wenn der
Schlammsäulendruck
kleiner ist als der Formationsdruck. Um also die Bohrraten zu verbessern,
kann es zweckmäßig sein,
ein Bohrloch in einem unterausgeglichenen Modus oder mit nur minimalem Überausgleich
zu bohren.
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Bei
herkömmlichen
Bohrverfahren ist es nicht möglich,
die Schlammdichte zu verringern, um höhere Bohrraten zu erreichen,
und dann die Schlammdichte zu erhöhen, um ein Ausklinken des Bohrstrangs
zu gestatten. Das liegt daran, dass die Zirkulationsdauer für das gesamte
Schlammsystem mehrere Stunden beträgt, wodurch es teuer wird,
die Schlammdichte wiederholt zu erhöhen und zu senken. Des Weiteren
würde eine
solche Praxis die Operation gefährden,
weil eine Fehlberechnung zu einem Rückstoßen führen könnte.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Allgemein
ausgedrückt,
umfasst gemäß einem
Aspekt ein System zum Bohren eines Unterwasserbohrlochs von einer
Bohranlage aus mit einem unter der Bohranlage befindlichen Unterwasserbohrlochkopf
einen am Unterwasserbohrlochkopf montierten Bohrlochkopfschacht.
Der Unterwasserbohrlochkopf umfasst wenigstens einen Unterwasser-Ausblasverhinderungsschacht
und eine Unterwasser-Ablenkvorrichtung. Ein Bohrstrang erstreckt sich
von der Bohranlage aus über
den Bohrlochkopfschacht in das Bohrloch hinein, um Bohrfluid von
der Bohranlage zu einer Bohrkrone in dem Bohrloch zu leiten. Ein
Riserrohr, das an einem Ende mit dem Bohrlochkopfschacht und am
anderen Ende mit der Bohranlage verbunden ist, nimmt im Inneren
den Bohrstrang dergestalt auf, dass ein Riser-Ringraum zwischen
dem Bohrstrang und dem Riserrohr gebildet wird. Ein Bohrloch-Ringraum
erstreckt sich vom Grund des Bohrlochs aus zur Unterwasser- Ablenkvorrichtung,
um Fluid von der Bohrkrone wegzuleiten. Der Bohrloch-Ringraum ist
durch die Unterwasser-Ablenkvorrichtung vom Riser-Ringraum getrennt. Eine
Pumpe mit einer Ansaugseite, die mit dem Bohrloch-Ringraum in strömungsmäßiger Verbindung steht,
und einer Auslassseite, die mit der Bohranlage in strömungsmäßiger Verbindung
steht, arbeitet in der Weise, dass in dem Bohrloch-Ringraum ein
ausgewählter
Druckgradient aufrecht erhalten wird.
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Weitere
Aspekte und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung
und den angehängten
Ansprüchen
hervor.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 veranschaulicht
ein Offshore-Bohrsystem.
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2A ist eine Detailansicht der Bohrlochkontrollvorrichtung
aus 1.
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2B ist eine Detailansicht des Schlammhubmoduls
aus 1.
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2C ist eine Detailansicht des Schlammtanks mit
Druckausgleich aus 1.
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3A und 3B sind
Querschnitte durch nicht-rotierende
Unterwasser-Ablenkvorrichtungen.
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4A bis 4F sind
Querschnitte durch rotierende Unterwasser-Ablenkvorrichtungen.
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5 ist
ein Querschnitt durch einen Abstreifer.
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6 ist
eine Seitenansicht eines anderen Schlammtanks mit Druckausgleich.
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7A und 7B zeigen
ein Riserrohr, das als Schlammtank mit Druckausgleich fungiert.
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8 ist
eine Seitenansicht einer Unterwasser-Schlammpumpe.
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9A ist ein Querschnitt durch ein Membranpumpenelement.
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9B ist ein Querschnitt durch ein Kolbenpumpenelement.
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9C zeigt das Membranpumpenelement aus 9A mit. einem Membranpositionierer.
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10A veranschaulicht einen Offenkreis-Hydraulikantrieb
für die
in 8 gezeigte Unterwasser-Schlammpumpe.
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10B ist eine Kurvendarstellung von Ausgabecharakteristika
des in 10A gezeigten Offenkreis-Hydraulikantriebs.
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10C veranschaulicht die Leistung des in 10A gezeigten Offenkreis-Hydraulikantriebs.
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11A veranschaulicht einen Offenkreis-Hydraulikantrieb
für eine
Unterwasser-Schlammpumpe mit drei Pumpenelementen.
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11B ist eine Kurvendarstellung von Ausgabecharakteristika
des in 11A gezeigten Offenkreis-Hydraulikantriebs.
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11C ist eine Übersicht
einer Steuerungssequenz für
das in 11A gezeigte Pumpensystem.
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12 veranschaulicht einen Geschlossenkreis-Hydraulikantrieb
für die
in 8 gezeigte Unterwasser-Schlammpumpe.
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13A und 13B sind
Querschnitte durch ein Ansaug-/Auslassventil.
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14A ist eine Seitenansicht eines Gesteinszerkleinerers.
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14B ist ein Querschnitt durch den in 14A gezeigten Gesteinszerkleinerer.
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15A ist eine Seitenansicht eines Festkörperabscheiders.
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15B ist ein Querschnitt durch eine Kombination
aus rotierender Unterwasser-Ablenkvorrichtung und Festkörperabscheider.
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16 ist ein Schaubild eines Schlammzirkulationssystems
für das
Offshore-Bohrsystem aus 1.
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17 ist ein Tiefe-Druck-Diagramm für ein Bohrloch,
das in einer Wassertiefe von 5.000 Fuß gebohrt wurde, für ein Gradientensystem
mit einer einzigen Schlammdichte und ein Gradientensystem mit zwei
Schlammdichten.
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18 ist eine teilweise geschnittene Ansicht eines
Bohrstrangventils.
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19A und 19B veranschaulichen eine
geschlossene bzw. eine geöffnete
Stellung des in 18 gezeigten Bohrstrangventils.
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20A ist ein Tiefe-Druck-Diagramm für ein Bohrloch,
das in einer Wassertiefe von 5.000 Fuß gebohrt wurde, für ein Gradientensystem
mit zwei Schlammdichten mit einem Schlammgrenzendruck, der niedriger
ist als der Meerwasserdruck.
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20B zeigt den Offenkreis-Hydraulikantrieb von 10A mit einer Schlammladepumpe in der Schlammsaugleitung.
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20C zeigt den Offenkreis-Hydraulikantrieb von 10B mit einer Druckerhöhungspumpe in der Hydraulikfluidabflussleitung.
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21 veranschaulicht das Offshore-Bohrsystem aus 1 mit
einem am Meeresboden installierten Schlammhubmodul.
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22A und 22B sind
Seitenansichten einholbarer Unterwasserkomponenten des in 21 gezeigten Offshore-Bohrsystems.
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23 veranschaulicht das Offshore-Bohrsystem aus 1 ohne
ein Unterwasser-Riserrohr,
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24A und 24B zeigen
Seitenansichten der einholbaren Unterwasserkomponenten des in 23 gezeigten Offshore-Bohrsystems.
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25 ist ein Querschnitt durch eine Ausführungsform
des in 23 gezeigten Rücklaufleitungs-Riserrohres.
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26 ist eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform
des in 23 gezeigten Rücklaufleitungs-Riserrohres.
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27 veranschaulicht das Offshore-Bohrsystem aus 1 ohne
ein Unterwasser-Riserrohr und mit einem am Meeresboden installierten Schlammhubmodul.
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28 veranschaulicht das Offshore-Bohrsystem aus 1 ohne
ein Unterwasser-Riserrohr und mit einem Rücklaufleitungs-Riserrohr, das
sich von einem Schlammhubmodul aus erstreckt.
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29A und 29B zeigen
Seitenansichten der einholbaren Unterwasserkomponenten des in 28 gezeigten Offshore-Bohrsystems.
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30 veranschaulicht ein Offshore-Bohrsystem mit
einer Unterwasser-Durchflussvorrichtung.
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31 ist ein Tiefe-Druck-Diagramm für den Anfangsabschnitt
eines Bohrlochs, das in einer Wassertiefe von 5.000 Fuß mittels
der in 30 gezeigten Unterwasser-Durchflussvorrichtung
gebohrt wurde.
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32 ist ein Schaubild eines Schlammzirkulationssystems
für ein
Offshore-Bohrsystem, das eine Unterwasser-Durchflussvorrichtung
und ein Schlammhubmodul enthält.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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1 veranschaulicht
ein Offshore-Bohrsystem 10, wobei ein Bohrschiff 12 auf
einem Gewässer 14 schwimmt,
das sich über
einer zuvor festgelegten Formation befindet. Das Bohrschiff 12 wird
mittels Schubdüsen 16,
die durch (nicht gezeigte) bordeigene Computer aktiviert werden, über der
unterseeischen Formation dynamisch positioniert. Eine Anordnung
(nicht gezeigter) Unterwasser-Signalfeuer auf dem Meeresboden 17 sendet
Signale, welche die Position des Bohrschiffes 12 anzeigen,
zu (nicht gezeigten) Hydrofonen am Rumpf des Bohrschiffes 12.
Die von den Hydrofonen empfangenen Signale werden an bordeigene
Computer weitergeleitet. Diese bordeigenen Computer verarbeiten
die Daten von den Hydrofonen zusammen mit Daten von einem Windsensor
und weiteren positionserfassenden Zusatzgeräten und aktiviert die Schubdüsen 16,
so wie es erforderlich ist, um die Position des Bohrschiffes 12 zu halten.
Das Bohrschiff 12 kann auch mittels verschiedener Anker
auf Position gehalten werden, die vom Bohrschiff aus auf dem Meeresboden
festgemacht werden. Anker eignen sich aber im Allgemeinen nur, wenn
das Wasser nicht zu tief ist.
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Eine
Bohranlage 20 befindet sich in der Mitte des Bohrschiffes 12 über einer Ölaufnahmeöffnung 22 im
Schiffsboden. Die Ölaufnahmeöffnung 22 im Schiffsboden
ist eine umbaute Öffnung,
die sich durch das Bohrschiff 12 hindurch erstreckt und
durch die Bohrwerkzeuge vom Bohrschiff 12 aus auf den Meeresboden 17 herabgelassen
werden. Auf dem Meeresboden 17 erstreckt sich ein Führungsrohr 32 in
ein Bohrloch 30 hinein. Ein Führungsgehäuse 33, das am oberen
Ende des Führungsrohres 32 befestigt
ist, stützt
das Führungsrohr 32,
bevor das Führungsrohr 32 im
Bohrloch 30 einzementiert wird. Es wird eine Führungskonstruktion 34 um
das Führungsgehäuse 33 herum
installiert, bevor das Führungsgehäuse 33 auf
den Meeresboden 17 herabgelassen wird. Ein Bohrlochkopf 35 ist
am oberen Ende einer Oberflächenrohres 36 befestigt,
das sich durch das Führungsrohr 32 hindurch
in das Bohrloch 30 hinein erstreckt. Der Bohrlochkopf 35 ist
von herkömmlicher
Bauart und bietet die Möglichkeit,
weitere Futterrohrstränge
in das Bohrloch 30 zu hängen.
Der Bohrlochkopf 35 bildet außerdem eine tragende Basis
für einen
Bohrlochkopfschacht 37.
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Der
Bohrlochkopfschacht 37 enthält eine Bohrlochkontrollvorrichtung 38,
ein Schlammhubmodul 40 und einen Schlammtank 42 mit
Druckausgleich. Ein Unterwasser-Riserrohr 52 zwischen der Bohranlage 20 und
dem Bohrlochkopfschacht 37 ist so angeordnet, dass es Bohrwerkzeuge,
Futterrohrstränge
und sonstige Ausrüstung
vom Bohrschiff 12 zum Bohrlochkopfschacht 37 führen kann.
Das untere Ende des Unterwasser-Riserrohres 52 ist lösbar mit
dem Schlammtank 42 mit Druckausgleich verriegelt, und das
obere Ende des Unterwasser-Riserrohres 52 ist an der Bohranlage 20 befestigt.
Es sind Riserrohrspannvorrichtungen 54 angeordnet, die
das Unterwasser-Riserrohr 52 unter Aufwärtszug halten. Schlammrücklaufleitungen 56 und 58,
die außen
am Unterwasser-Riserrohr 52 befestigt sein können, verbinden
(nicht gezeigte) Strömungsauslässe im Schlammhubmodul 40 mit
Durchflussöffnungen
in der Ölaufnahmeöffnung 22 im
Schiffsboden. Die Durchflussöffnungen
in der Ölaufnahmeöffnung 22 im
Schiffsboden dienen als Schnittstelle zwischen den Schlammrücklaufleitungen 56 und 58 und
einem (nicht gezeigten) Schlammrücklaufsystem
auf dem Bohrschiff 12. Die Schlammrücklaufleitungen 56 und 58 sind
ebenfalls an (nicht gezeigte) Strömungsauslässe in der Bohrlochkontrollvorrichtung 38 angeschlossen,
so dass sie als Drossel-/Absperrleitungen verwendet werden können. Alternativ
können
die Schlammrücklaufleitungen 56 und 58 auch
vorhandene Drossel-/Absperrleitungen am Riserrohr sein.
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Ein
Bohrstrang 60 erstreckt sich von einem Bohrturm 62 auf
der Bohranlage 20 aus über
das Unterwasser-Riserrohr 52 und den Bohrlochkopfschacht 37 in
das Bohrloch 30 hinein. Am Ende des Bohrstrangs 60 ist
eine Grundlochbaugruppe 63 angebracht, die eine Bohrkrone 64 und
eine oder mehrere Schwerstangen 65 umfasst. Die Grundlochbaugruppe 63 kann
des Weiteren Stabilisatoren, einen Schlammmotor und andere ausgewählte Komponenten
enthalten, die zum Bohren eines projektierten Bohrpfades benötigt werden,
wie es dem Fachmann allgemein bekannt ist. Während des normalen Bohrvorgangs
wird der Schlamm, der in der Bohrung des Bohrstrangs 60 mittels
einer (nicht gezeigten) Oberflächenpumpe
entlang gepumpt wird, wird aus den Düsen der Bohrkrone heraus in
den Grund des Bohrlochs 30 gedrängt. Der Schlamm am Grund des Bohrlochs 30 steigt
im Bohrloch-Ringraum 66 nach oben zum Schlammhubmodul 40,
wo er zu den Ansaug-Enden der (nicht gezeigten) Unterwasser-Schlammpumpen
abgelenkt wird. Die Unterwasser-Schlammpumpen erhöhen den
Druck des zurücklaufenden
Schlammstroms und lassen den Schlamm in die Schlammrücklaufleitungen 56 und/oder 58 ab.
Die Schlammrücklaufleitungen 56 und/oder 58 leiten
den abgelassenen Schlamm dann in das (nicht gezeigte) Schlammrücklaufsystem
auf dem Bohrschiff 12.
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Das
Bohrsystem 10 ist mit zwei Schlammrücklaufleitungen 56 und 58 veranschaulicht,
aber es versteht sich, dass auch eine einzelne Schlammrücklaufleitung
oder mehr als zwei Schlammrücklaufleitungen
verwendet werden können.
Natürlich
beeinflussen Durchmesser und Anzahl der Rücklaufleitungen die Pumpanforderungen
an die Unterwasser-Schlammpumpen im Schlammhubmodul 40.
Die Unterwasser-Schlammpumpen müssen
den zurücklaufenden
Schlammstrom mit genügend
Druck versehen, um die Reibungsdruckverluste und das hydrostatische
Gefälle
der Schlammsäule
in den Rücklaufleitungen
zu überwinden.
Der Bohrlochkopfschacht 37 enthält (nicht gezeigte) Unterwasser-Ablenkvorrichtungen,
die den Bohrstrang 60 abdichtend umschließen und
eine trennende Sperre zwischen dem Riserrohr 52 und dem
Bohrloch-Ringraum 66 bilden. Das Riserrohr 52 ist
mit Meerwasser gefüllt, so
dass der hydrostatische Druck der Fluidsäule am Meeresboden oder an
der Schlammgrenze oder an der trennenden Sperre, die durch die Unterwasser-Ablenkvorrichtungen
gebildet wird, dem des Meerwassers entspricht. Wenn das Riserrohr anstelle
von Schlamm mit Meerwasser gefüllt
wird, so braucht das Riserrohr nicht so stark gespannt zu werden.
Das Riserrohr kann auch mit anderen Fluiden, die eine geringere
Dichte als der Schlamm im Bohrloch-Ringraum haben, gefüllt werden.
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Bohrlochkontrollvorrichtung
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2A zeigt die Komponenten der Bohrlochkontrollvorrichtung 38,
die zuvor in 1 veranschaulicht wurde. Wie
zu sehen, enthält
die Bohrlochkontrollvorrichtung 38 ein unteres Unterwasser-Riserpaket (UURP) 44 und
einen Unterwasser-Ausblasverhinderungsschacht
(AVS) 46. Der AVS 46 enthält ein Paar Doppelschieber-Ausblasverhinderer 70 und 72.
Es können
aber auch andere Kombinationen verwendet werden, wie beispielsweise
ein Dreischieber-Ausblasverhinderer in Kombination mit einem Einschieber-Ausblasverhinderer.
Je nach den Präferenzen
des Bohrunternehmens können
noch zusätzliche
Ausblasverhinderer benötigt werden.
Die Schieber-Ausblasverhinderer sind mit Rohrschiebern, die eine
Abdichtung um ein Rohr herum herstellen, und mit Scher- oder Blindschiebern, die
sich durch das Rohr schieben und das Bohrloch abdichten, ausgestattet.
Die Schieber-Ausblasverhinderer 70 und 72 haben
Durchflussöffnungen 76 bzw. 78,
die an (nicht gezeigte) Drossel-/Absperrleitungen angeschlossen
werden können.
Ein Bohrlochkopfverbinder 88 ist am unteren Ende des Schieber-Ausblasverhinderers 70 angebracht.
Der Bohrlochkopfverbinder 88 ist so beschaffen, dass er
auf das obere Ende des Bohrlochkopfes 35 (in 1 gezeigt)
passt.
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Das
UURP 44 enthält
die Ring-Ausblasverhinderer 90 und 92 und ein
flexibles Verbindungsstück 94.
Das UURP 44 kann aber auch andere Konfigurationen annehmen,
beispielsweise einen einzelnen Ausblasverhinderer und ein flexibles
Verbindungsstück.
Die Ring-Ausblasverhinderer 90 und 92 haben Durchflussöffnungen 98 und 100,
die an (nicht gezeigte) Drossel-/Absperrleitungen angeschlossen werden
können.
Das untere Ende des Ring-Ausblasverhinderers 90 ist über einen
UURP-Verbinder 93 mit dem oberen Ende der Schieber-Ausblasverhinderer 72 verbunden.
Das flexible Verbindungsstück 94 ist
am oberen Ende des Ring-Ausblasverhinderers 92 angebracht.
Ein Riserrohrverbinder 114 ist am oberen Ende des flexiblen
Verbindungsstücks 94 befestigt.
Der Riserrohrverbinder 114 enthält Durchflussöffnungen 113,
die hydraulisch mit den Durchflussöffnungen 76, 78, 98 und 100 verbunden
sein können.
Das UURP 44 enthält
(nicht gezeigte) Steuerungsmodule zum Betätigen der Schieber-Ausblasverhinderer 70 und 72,
der Ring-Ausblasverhinderer 90 und 92, verschiedene
Verbinder und Ventile im Bohrlochkopfschacht 37 sowie nach
Bedarf weitere Steuerungselemente. Von der Oberfläche wird
den Steuerungsmodulen über
(nicht gezeigte) Hydraulikleitungen, die außen am Riserrohr 52 (in 1 gezeigt)
befestigt sein können,
Hydraulikfluid zugeführt.
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Schlammhubmodul
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2B zeigt die Komponenten des Schlammhubmoduls 40,
das zuvor in 1 veranschaulicht wurde. Wie
gezeigt, enthält
das Schlammhubmodul 40 Unterwasser-Schlammpumpen 102, ein
Durchflussrohr 104, eine nicht-rotierende Unterwasser-Ablenkvorrichtung 106 und
eine rotierende Unterwasser-Ablenkvorrichtung 108. Das
untere Ende des Durchflussrohres 104 enthält einen
Riserrohrverbinder 110, der so beschaffen ist, dass er
auf den Riserrohrverbinder 114 (in 2A gezeigt)
am oberen Ende des flexiblen Verbindungsstücks 94 passt. Wenn
der Riserrohrverbinder 110 mit dem Riserrohrverbinder 114 in
Eingriff steht, so stehen die Durchflussöffnungen 111 im Riserrohrverbinder 110 in
strömungsmäßiger Verbindung
mit den Durchflussöffnungen 113 (in 2A gezeigt) im Riserrohrverbinder 114.
Ein Riserrohrverbinder 112 ist am oberen Ende der Unterwasser-Ablenkvorrichtung 108 angebracht.
Die Durchflussöffnungen 111 im
Riserrohrverbinder 110 sind mit Durchflussöffnungen 116 im
Riserrohrverbinder 112 über
Rohre 118 und 120 verbunden, die wiederum hydraulisch
mit den Auslassenden der Unterwasser-Schlammpumpen 102 verbunden
sind. Die Ansaug-Enden der Unterwasser-Schlammpumpen 102 sind
hydraulisch mit den Strömungsauslässen 125 im
Durchflussrohr 104 verbunden.
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Die
Unterwasser-Ablenkvorrichtungen 106 und 108 sind
dafür konfiguriert,
Schlamm vom Bohrloch-Ringraum 66 (in 1 gezeigt)
zu den Ansaug-Enden der Unterwasser-Schlammpumpen 102 abzulenken.
Die Ablenkvorrichtungen 106 und 108 sind des Weiteren
dafür konfiguriert,
einen Bohrstrang, beispielsweise Bohrstrang 60, gleitend
aufzunehmen und ihn abdichtend zu umschließen. Wenn die Ablenkvorrichtungen
den Bohrstrang 60 abdichtend umschließen, so wird das Fluid im Durchflussrohr 104 oder
unterhalb der Ablenkvorrichtungen von dem Fluid im Riserrohr 52 (in 1 gezeigt)
oder oberhalb der Ablenkvorrichtungen isoliert. Die Ablenkvorrichtungen 106 und 108 können wechselweise
oder zusammen dafür
verwendet werden, einen Bohrstrang abdichtend in Eingriff zu nehmen
und dadurch das Fluid im Ringraum des Riserrohres 52 von dem
Fluid im Bohrloch-Ringraum 66 zu isolieren. Es leuchtet
ein, dass entweder die Ablenkvorrichtung 106 oder 108 allein
als das trennende Medium zwischen dem Fluid im Riserrohr 52 und
dem Fluid im Bohrloch-Ringraum 66 verwendet werden kann.
Ein (nicht gezeigter) rotierender Ausblasverhinderer, der in die
Bohrlochkontrollvorrichtung 38 (in 2 gezeigt)
integriert sein könnte,
kann ebenfalls anstelle der Ablenkvorrichtungen verwendet werden.
Die Ablenkvorrichtung 108 kann auch an dem Ring-Ausblasverhinderer 92 (in 2A gezeigt) angebracht sein, und der Schlammfluss
in die Ansaug-Enden der Unterwasser-Schlammpumpen 102 hinein
kann von einem Punkt unterhalb der Ablenkvorrichtung aus entnommen
werden.
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Nicht-rotierende
Unterwasser-Ablenkvorrichtung
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3A zeigt einen vertikalen Querschnitt durch die
nicht-rotierende Unterwasser-Ablenkvorrichtung 106, die
zuvor in 2B veranschaulicht wurde. Wie
gezeigt, enthält
die nicht-rotierende Unterwasser-Ablenkvorrichtung 106 einen
Kopf 126, der mittels Bolzen 130 an einem Körper 128 befestigt ist.
Anstelle der Bolzen 130 können aber auch andere Mittel
verwendet werden, wie beispielsweise eine Schraub- oder Riegelverbindung.
Der Körper 128 hat einen
Flansch 131, der am oberen Ende des Durchflussrohres 104 angeschraubt
sein kann, wie in 2B gezeigt. Der Kopf 126 und
der Körper 128 weisen
Bohrungen 132 bzw. 134 auf. Die Bohrungen 132 und 134 bilden
einen Durchgang 136 zur Aufnahme eines Bohrstrangs, beispielsweise
Bohrstrang 60.
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Der
Körper 128 hat
einen Schließhohlraum 138 und
einen Öffnungshohlraum 139.
Ein Kolben 140 ist so angeordnet, dass er sich in den Hohlräumen 138 und 139 in
Reaktion auf einen Druck des in diese Hohlräume eingeleiteten Hydraulikfluids
bewegt. Am oberen Ende des Körpers 128 befinden sich
eine Buchse 142 und eine Abdeckung 143 zum Führen des
Kolbens 140, während
er sich in den Hohlräumen 138 und 139 bewegt.
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Der
Hohlraum 138 wird durch den Körper 128, den Kolben 140 und
die Buchse 142 umschlossen. Der Hohlraum 139 wird
durch den Körper 128, den
Kolben 140 und die Abdeckung 143 umschlossen.
Wenn sich der Kolben 140 in den Hohlräumen 138 und 139 bewegt,
so halten Dichtringe 144 das Hydraulikfluid in den Hohlräumen. Die
Buchse 142 hat Löcher 148 zum
Ablassen von Fluid aus einem Hohlraum 145 unterhalb des
Kolbens 140. Ein elastisches elastomeres toroidförmiges Dichtungselement 150 befindet
sich zwischen dem oberen Ende des Kolbens 140 und einem
sich verjüngenden
Abschnitt 152 der Innenwand des Kopfes 126. Das
Dichtungselement 150 kann so betätigt werden, dass es eine Abdichtung
um einen Bohrstrang, beispielsweise Bohrstrang 60, herum
in dem Durchgang 136 bildet.
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Der
Kolben 140 bewegt sich abwärts und öffnet dabei den Durchgang 136,
wenn Hydraulikfluid in den Öffnungshohlraum 139 eingeleitet
wird. Wie in der linken Hälfte
der Zeichnung veranschaulicht, extrudiert das Dichtungselement 150 nicht
in den Durchgang 136 hinein, und die Ablenkvorrichtung 106 ist
vollständig
geöffnet,
wenn der Kolben 140 auf dem Körper 128 aufsitzt.
Wenn die Ablenkvorrichtung 106 vollständig geöffnet ist, so ist der Durchgang 136 so
groß,
dass er eine Grundlochbaugruppe und weitere Bohrwerkzeuge aufnehmen
kann. Wenn Hydraulikfluid in den Hohlraum 138 eingeleitet
wird, so bewegt sich der Kolben 140 aufwärts und
schließt
dabei die Ablenkvorrichtung 106. Wie in der rechten Hälfte der
Zeichnung veranschaulicht, wird das Dichtungselement 150 in
den Durchgang 136 hinein extrudiert, wenn sich der Kolben 140 aufwärts bewegt. Wenn
sich ein Bohrstrang in dem Durchgang 136 befindet, so würde das
extrudierte Dichtungselement 150 den Bohrstrang berühren und
den Ringraum zwischen dem Durchgang 136 und dem Bohrstrang
abdichten.
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3B zeigt einen vertikalen Querschnitt durch eine
andere nicht-rotierende Unterwasser-Ablenkvorrichtung, d. h. eine
Unterwasser-Ablenkvorrichtung 270, die anstelle der nicht-rotierenden
Unterwasser-Ablenkvorrichtung 10b verwendet werden kann.
Die Unterwasser-Ablenkvorrichtung 270 enthält einen
Gehäusekörper 272 mit
Flanschen 274 und 276, die dem Anschluss an andere
Komponenten des Bohrlochkopfschachts dienen, beispielsweise das
Durchflussrohr 104 und die Unterwasser-Ablenkvorrichtung 108 (in 2B gezeigt). Der Gehäusekörper 272 weist eine
Bohrung 278 und Taschen 280 auf. Die Taschen 280 sind
entlang eines Umfangs des Gehäusekörpers 272 verteilt.
In jeder Tasche 280 befindet sich eine zurückziehbare
Anschlagschulter 282 und ein Riegel 284. Hydraulische Betätigungsvorrichtungen 285 betätigen die
Riegel 284 dergestalt, dass sie ein zurückziehbares Abstreifelement 286 in
Eingriff nehmen, das in der Bohrung 278 des Gehäusekörpers 272 angeordnet
ist.
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Das
Abstreifelement 286 enthält einen Abstreifgummi 288,
der an einen Metallkörper 290 vulkanisiert
ist. Die Riegel 284 gleiten in Ausnehmungen 291 in
dem Metallkörper 290 und
verriegeln so den Metallkörper 290 im
Gehäusekörper 272.
Eine Dichtung 292 am Metallkörper 290 bildet eine
Abdichtung zwischen dem Gehäusekörper 272 und
dem Metallkörper 290.
Der Abstreifgummi 288 nimmt abdichtend einen Bohrstrang
in Eingriff, der in der Bohrung 278 aufgenommen ist, während sich
der Bohrstrang in der Bohrung 278 drehen und axial bewegen
kann. Der Abstreifgummi 288 dreht sich nicht mit dem Bohrstrang,
so dass der Gummi 288 Reibungskräften ausgesetzt ist, die mit
der Drehbewegung und der vertikalen Bewegung des Bohrstrangs verbunden
sind. Das Abstreifelement 286 kann mittels eines Handhabungswerkzeugs,
das oberhalb der Grundlochbaugruppe des Bohrstrangs angeordnet werden
kann, in den Gehäusekörper 272 hinein
und aus dem Gehäusekörper 272 heraus
geführt
werden.
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Rotierende
Unterwasser-Ablenkvorrichtung
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4A zeigt einen vertikalen Querschnitt durch die
rotierende Unterwasser-Ablenkvorrichtung 108, die zuvor
in 2B veranschaulicht wurde. Wie gezeigt, enthält die rotierende
Unterwasser-Ablenkvorrichtung 108 einen Gehäusekörper 162 mit
Flanschen 164 und 166. Der Flansch 164 ist
so konfiguriert, dass er mit dem oberen Ende der Ablenkvorrichtung 106 (in 3A gezeigt) zusammenpasst. Der Gehäusekörper 162 weist
eine Bohrung 168 und Taschen 170 auf. Die Taschen 170 sind
entlang eines Umfangs des Gehäusekörpers 162 verteilt.
In jeder Tasche 170 befindet sich eine zurückziehbare
Anschlagschulter 174 und ein Riegel 176. Hydraulische Betätigungsvorrichtungen 177 betätigen die
Riegel 176. Obgleich der Riegel 176 als hydraulisch
betätigt dargestellt
ist, versteht es sich, dass der Riegel 176 auch durch andere
Mittel betätigt
werden kann. Beispielsweise kann der Riegel 176 radial
federbelastet sein. Der Riegel 176 kann des Weiteren einen
Mechanismus beinhalten, der ein Eingreifen durch ein ferngesteuertes
Fahrzeug (FGF) gestattet, wie beispielsweise einen T-Griff, der mit dem
Betätigungselement
verbunden ist und der vom FGF-Manipulator ergriffen werden kann.
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Eine
zurückziehbare
Spindel 178 ist in der Bohrung 168 des Gehäusekörpers 162 angeordnet. Die
Spindel 178 hat einen oberen Abschnitt 180 und einen
unteren Abschnitt 182. Der obere Abschnitt 180 hat
Ausnehmungen 181, in welche die Riegel 176 gleiten
können,
um den oberen Abschnitt 180 im Gehäusekörper 162 zu verriegeln.
Eine Dichtung 183 am oberen Abschnitt 180 bildet
eine Abdichtung zwischen dem Gehäusekörper 162 und
dem oberen Abschnitt 180. Eine Lagerbaugruppe Am oberen
Abschnitt 180 ist eine Lagerbaugruppe 184 angebracht. Die
Lagerbaugruppe 184 hat Lager, die den unteren Abschnitt 182 der
Spindel 178 lagern, damit er sich im Gehäusekörper 162 drehen
kann. Ein Abstreifgummi 185 ist an den unteren Abschnitt 182 der Spindel 178 vulkanisiert.
Der Abstreifgummi 185 dreht sich mit einem (nicht gezeigten)
Bohrstrang, der in der Bohrung 168 aufgenommen ist, und
nimmt diesen Bohrstrang abdichtend in Eingriff, wobei sich der Bohrstrang
vertikal bewegen kann.
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Im
Betrieb wird die Spindel 178 mittels eines am Bohrstrang
befestigten Handhabungswerkzeugs in den Gehäusekörper 162 eingeführt. Wenn
die Spindel 178 auf der Schulter 174 aufsetzt,
so wird der Bohrstrang gedreht, bis die Riegel 176 mit
den Ausnehmungen 181 im oberen Abschnitt 180 der
Spindel 178 übereinstimmen.
Dann werden die hydraulischen Betätigungsvorrichtungen 177 betätigt, um
die Riegel 176 in die Ausnehmungen 181 hineinzudrücken. Der
Abstreifgummi 185 dichtet gegen den Bohrstrang ab, wobei
der Bohrstrang in das Bohrloch hinabgelassen werden kann. Während des
Bohrvorgangs erzeugt die Reibung zwischen dem sich drehenden Bohrstrang
und dem Abstreifgummi 185 genügend Kraft, um den unteren
Abschnitt 182 der Spindel 178 zu drehen. Während der
untere Abschnitt 182 gedreht wird, wirken auf den Abstreifgummi 185 nur
die Reibungskräfte
ein, die mit der vertikalen Bewegung des Bohrstrangs zusammenhängen. Dadurch
verschleißt
der Abstreifgummi 185 nicht so schnell. Wenn der Bohrstrang
aus dem Bohrloch gezogen wird, so können die hydraulischen Betätigungsvorrichtungen 177 so
betätigt
werden, dass die Riegel 176 aus den Ausnehmungen 181 herausgezogen
werden, dergestalt, dass das Handhabungswerkzeug am Bohrstrang die
Spindel 178 in Eingriff nehmen und aus dem Gehäusekörper 162 herausziehen
kann.
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4B zeigt einen vertikalen Querschnitt durch eine
andere rotierende Unterwasser-Ablenkvorrichtung, d. h. eine rotierende
Unterwasser-Ablenkvorrichtung 186, die anstelle der rotierenden
Unterwasser-Ablenkvorrichtung 108 verwendet werden kann.
Die Unterwasser-Ablenkvorrichtung 186 enthält eine
zurückziehbare
Spindel 188, die in einem Gehäusekörper 190 angeordnet
ist. Die Spindel 188 enthält zwei einander gegenüberliegende
Abstreifgummis 192 und 194. Der Abstreifgummi 192 ist
so ausgerichtet, dass er eine Abdichtung um einen Bohrstrang herum
bewirkt, wenn der Druck über
der Spindel 188 größer ist
als der Druck unter der Spindel 188. Die Spindel 188 enthält zwei
Lagerbaugruppen 196 und 198, welche die Abstreifgummis 192 bzw. 194 so
lagern, dass sie sich drehen können.
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4C zeigt einen vertikalen Querschnitt durch eine
andere rotierende Unterwasser-Ablenkvorrichtung, d. h. eine rotierende
Unterwasser-Ablenkvorrichtung 1710, die anstelle der rotierenden Unterwasser-Ablenkvorrichtung 108 und/oder
der rotierenden Unterwasser-Ablenkvorrichtung 106 verwendet
werden kann. Die rotierende Unterwasser-Ablenkvorrichtung 1710 enthält einen
Kopf 1712 mit einer vertikalen Bohrung 1714 und
einen Körper 1716 mit
einer vertikalen Bohrung 1718. Der Kopf 1712 und
der Körper 1716 werden
durch eine radiale Arretierung 1720 und Riegel 1722 zusammengehalten.
Die radiale Arretierung 1720 ist in einem ringförmigen Hohlraum 1724 im
Körper 1716 angeordnet und
ist am Kopf 1712 mittels einer Reihe ineinandergreifender
Nuten 1726 befestigt. Die Riegel 1722 sind in
Taschen 1730 entlang eines Umfangs des Körpers 1716 verteilt.
Wie in 4D gezeigt, enthält jeder
Riegel 1722 eine Klemme 1732, die an der radialen
Arretierung 1720 mittels einer Schraube 1734 befestigt
ist. Ein Stöpsel 1736 und
eine Dichtung 1738 verhindern, dass Fluid und Partikel
in die Taschen 1730 eindringen können.
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Eine
zurückziehbare
Spindelbaugruppe 1740 ist in den vertikalen Bohrungen 1714 und 1718 angeordnet.
Die Spindelbaugruppe 1740 enthält ein Spindelgehäuse 1742,
das mittels einer elastomeren Klemme 1744 an dem Körper 1716 befestigt
ist. Die elastomere Klemme 1744 ist in einem ringförmigen Hohlraum 1746 in
dem Körper 1716 angeordnet
und enthält
ein inneres elastomeres Element 1748 und ein äußeres elastomeres
Element 1750. Das innere elastomere Element 1748 kann
aus einem anderen Material bestehen als das äußere elastomere Element 1750.
Das äußere elastomere
Element 1750 hat einen ringförmigen Körper 1752 mit Flanschen 1754.
Ein Ringhalter 1756 ist zwischen den Flanschen 1754 angeordnet,
um das äußere elastomere Element 1750 zu
stützen
und zusätzlich
zu versteifen. Das innere elastomere Element 1748 ist torusförmig und
ist in dem äußeren elastomeren
Element 1750 angeordnet. Wenn das äußere elastomere Element 1750 durch
eine (nicht gezeigte) Öffnung
in dem Körper 1716 einem
Fluiddruck ausgesetzt wird, so wird das äußere elastomere Element 1750 ausgedehnt
und legt eine Kraft an das innere elastomere Element 1748 an,
wodurch das innere elastomere Element 1748 so extrudiert
wird, dass es das Spindelgehäuse 1742 in
Eingriff nimmt und dagegen abdichtet.
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Wie
in 4E gezeigt, umfasst die Spindelbaugruppe 1740 des
Weiteren eine Spindel 1760, die sich durch das Spindelgehäuse 1742 erstreckt.
Die Spindel 1760 ist in dem Spindelgehäuse 1742 in Lagern 1762 und 1764 aufgehängt. Das
Lager 1762 ist zwischen dem Spindelgehäuse 1742 und der Spindel 1760 mittels
einer Lagerkappe 1765 befestigt. Das Spindelgehäuse 1742,
die Spindel 1760 und die Lager 1762 und 1764 bilden
eine Kammer 1768, die ein Schmierfluid für die Lager
enthält.
Die Lagerkappe 1765 kann entfernt werden, um Zugang zur
Kammer 1768 zu erlangen. Druckverstärker 1766 dienen dazu,
den Druck in der Kammer 1768 bedarfsweise dergestalt zu
erhöhen,
dass der Druck in der Kammer 1768 den Druck über und
unter der Spindel 1760 ausgleicht oder übersteigt. Wie in 4C zu sehen, enthält die Spindel 1760 ein
oberes Packerelement 1772, ein unteres Packerelement 1774 und
einen mittigen Durchgang 1776 zur Aufnahme eines Bohrstrangs,
beispielsweise eines Bohrstrangs 1770.
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Eine
Anschlagschulter 1778 ist in einer Tasche 1780 in
dem Körper 1716 angeordnet.
Die Anschlagschulter 1778 kann mittels der hydraulischen Betätigungsvorrichtung 1782 aus
der Tasche 1780 heraus- oder in die Tasche 1780 hineingeschoben werden.
Wenn die Anschlagschulter 1778 aus der Tasche 1780 herausgeschoben
ist, so verhindert sie, dass die Spindelbaugruppe 1740 aus
dem Körper 1716 herausfällt. Wie
in 4F gezeigt, umfasst die hydraulische Betätigungsvorrichtung 1782 einen
Zylinder 1784, der einen Kolben 1786 beherbergt.
Der Zylinder 1784 ist in einem Hohlraum 1788 auf
der Außenseite
des Körpers 1716 angeordnet
und wird von einer Kappe 1790 festgehalten. Ein Gewindeanschluss 1792 verbindet
eine Seite des Kolbens 1786 mit der Anschlagschulter 1778.
Der Kolben 1786 erstreckt sich von der Anschlagschulter 1778 in
einen Hohlraum 1794 in der Kappe 1790 hinein.
Die Kappe 1790 und der Zylinder 1784 enthalten Öffnungen 1796 und 1798,
durch die Fluid in den Hohlraum 1794 bzw. in das Innere
des Zylinders 1784 eingeleitet oder von dort abgelassen
werden kann. Dynamische Dichtungen 1800 am Kolben 1786 halten
Fluid im Zylinder 1784 und im Hohlraum 1794. Zusätzliche statische
Dichtungen 1802 zwischen dem Zylinder 1784 und
der Kappe 1790 und dem Körper 1716 verhindern,
dass Fluid und Partikel in den Zylinder 1784 dringen können.
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Die
Anschlagschulter 1778 befindet sich in der vollständig herausgeschobenen
Position, wenn der Kolben 1786 eine Fläche 1804 im Zylinder 1784 berührt. Die
Anschlagschulter 1778 befindet sich in der vollständig zurückgezogenen
Position, wenn er eine Fläche 1806 im
Körper 1808 berührt. Der
Kolben 1786 wird normal in Richtung der Fläche 1804 durch eine
Feder 1808 vorgespannt. In dieser Position ist die Anschlagschulter 1778 vollständig herausgeschoben,
und die Spindelbaugruppe 1740 sitzt auf der Anschlagschulter 1778.
Die Federkraft muss die Kraft überwinden,
die infolge des Drucks am unteren Ende der Spindel 1760 wirkt,
um den Kolben 1786 in Kontakt mit der Fläche 1804 zu
halten. wenn die Federkraft nicht ausreicht, so wird Fluid möglicherweise mit
einem Druck in den Hohlraum 1794 geleitet, der höher ist
als der Fluiddruck im Zylinder 1784. Der Druckunterschied
zwischen dem Hohlraum 1794 und dem Zylinder 1784 würde die
zusätzliche
Kraft erzeugen, die notwendig ist, um den Kolben 1786 gegen die
Fläche 1804 zu
bewegen und die Anschlagschulter 1778 in der vollständig herausgeschobenen
Position zu halten.
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Wenn
es gewünscht
ist, die Anschlagschulter 1778 zurückzuziehen, so kann Fluid mit
einem Druck in den Zylinder 1784 gedrückt werden, der höher ist
als der Fluiddruck im Hohlraum 1794. Der Druckunterschied
zwischen dem Zylinder 1784 und dem Hohlraum 1794 bewegt
den Kolben 1786 in die zurückgezogene Position. Die Öffnungen 1796 in
der Kappe 1790 gestatten das Ablassen von Fluid aus dem
Hohlraum 1794, wenn sich der Kolben 1786 in die
zurückgezogene
Position bewegt. Auch hier wird, um den Kolben 1786 zurück in die
herausgeschobene Position zu bewegen, Fluiddruck vom Zylinder 1784 abgelassen,
und erforderlichenfalls wird dem Hohlraum 1794 zusätzlicher
Fluiddruck zugeführt.
Es können
Drucksensoren verwendet werden, um den Druck unter der Spindelbaugruppe 1740 und
im Hohlraum 1794 und im Zylinder 1784 zu überwachen,
um bei der Bestimmung zu helfen, wie ein Druck angelegt werden kann,
um die Anschlagschulter 1778 vollständig herauszuschieben oder
zurückzuziehen.
Es kann ein (nicht gezeigter) Positionsanzeiger hinzugefügt werden,
um den Bohranlagenbediener anzuzeigen, dass der Kolben sich in der
herausgeschobenen oder in der zurückgezogenen Position befindet.
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Ein
Verbinder 1810 am Kopf 1712 und der Montageflansch
1812 am unteren Ende des Körpers 1716 ermöglichen
das Anschließen
der Ablenkvorrichtung 1710 im Bohrlochkopfschacht 37.
Bei einer Ausführungsform
kann der Montageflansch 1812 am oberen Ende des Durchflussrohres 104 (in 2B gezeigt) angebracht werden, und der Verbinder 1810 kann
eine Schnittstelle zwischen dem Schlammhubmodul 40 (in 2B gezeigt) und dem Schlammtank 42 mit
Druckausgleich oder dem Riserrohr 52 (in 1 gezeigt)
bereitstellen. Wenn der Montageflansch 1812 am oberen Ende
des Durchflussrohres 104 angebracht ist, so steht der Raum 1818 unter dem
Packer 1774 in strömungsmäßiger Verbindung mit
dem Bohrloch-Ringraum 66 (in 1 gezeigt).
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Die
vertikalen Bohrungen 1714 und 1718 haben einen
solchen Durchmesser, dass jedes -Werkzeug, das durch das Unterwasser-Riserrohr 52 (in 1 gezeigt)
geführt
werden kann, auch durch die vertikalen Bohrungen 1714 und 1718 hindurchgeführt werden
kann. Die zurückziehbare Anschlagschulter 1778 kann
zurückgezogen
werden, um das Hindurchführen
großer
Werkzeuge zu ermöglichen, und
kann herausgeschoben werden, um das richtige Positionieren der Spindelbaugruppe 1740 in
den Bohrungen 1714 und 1718 zu ermöglichen.
Die Spindelbaugruppe 1740 kann entsprechend bemessen sein,
damit sie durch das Unterwasser-Riserrohr 52 hindurchgeführt werden
kann und in die vertikalen Bohrungen 1714 und 1718 an
einem Bohrstrang, beispielsweise Bohrstrang 1770, hineingeführt und
von dort wieder herausgeholt werden kann. Wie gezeigt, ist ein Handhabungswerkzeug 1771 am
Bohrstrang 1770 so konfiguriert, dass es das untere Packerelement 1774 der
Spindel 1760 dergestalt in Eingriff nehmen kann, dass die
Spindelbaugruppe 1740 in die vertikalen Bohrungen 1714 und 1718 hineingeführt werden
kann. Wenn die Spindelbaugruppe 1740 auf der Anschlagschulter 1774 aufsetzt,
so wird das innere elastomere Element 1748 so betätigt, dass
es die Spindelbaugruppe 1740 in Eingriff nimmt. Sobald die
Spindelbaugruppe 1740 in Eingriff genommen ist, kann das
Handhabungswerkzeug 1771 von der Spindelbaugruppe 1740 getrennt
werden, indem der Bohrstrang 1770 weiter abgesenkt wird.
Das Handhabungswerkzeug 1771 nimmt die Spindelbaugruppe 1740 wieder
in Eingriff, wenn sie zum unteren Packerelement 1774 gezogen
wird, wodurch die Spindelbaugruppe 1740 an die Oberfläche geholt
werden kann.
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Schlammtank
mit Druckausgleich
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2C zeigt den Schlammtank 42 mit Druckausgleich,
der zuvor in 1 veranschaulicht wurde, in
größerer Detailliertheit.
Wie gezeigt, enthält der
Schlammtank 42 mit Druckausgleich einen allgemein zylindrischen
Körper 230 mit
einer durch diesen Körper
hindurch verlaufenden Bohrung 231. Die Bohrung 231 ist
so konfiguriert, dass sie einen Bohrstrang, beispielsweise einen
Bohrstrang 60, eine Grundlochbaugruppe und weitere Bohrwerkzeuge aufnehmen
kann. In dem Körper 230 ist
eine ringförmige
Kammer 235, die einen ringförmigen Kolben 236 beherbergt,
ausgebildet. Der ringförmige
Kolben nimmt die Innenwände 238 und 240 des
Körpers 230 in
Eingriff und dichtet gegen sie ab, dergestalt, dass in dem Schlammtank 42 eine
Meerwasserkammer 242 und eine Schlammkammer 244 gebildet
werden. Die Meerwasserkammer 242 ist über die Öffnung 246 mit dem
offenen Meerwasser verbunden. Dadurch kann in der Meerwasserkammer 242 jederzeit
der Meerwasser-Umgebungsdruck
aufrechterhalten werden. Es kann stattdessen aber auch eine (nicht
gezeigte) Pumpe an der Öffnung 246 angeordnet
sein, um den Druck in der Meerwasserkammer 242 auf, über oder
unter dem Meerwasser-Umgebungsdruck zu
halten. Die Schlammkammer 244 ist über eine Öffnung 248 mit den
Rohren verbunden, welche den Bohrloch-Ringraum 66 mit den
Ansaug-Enden der Unterwasser-Schlammpumpen 102 verbinden.
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Der
Kolben 236 bewegt sich axial in der ringförmigen Kammer 235 hin
und her, wenn ein Druckunterschied zwischen der Meerwasserkammer 242 und
der Schlammkammer 244 besteht. Ein (nicht gezeigter) Strömungsmesser
an der Öffnung 246 misst die
Rate, mit der Meerwasser in die Meerwasserkammer 242 eintritt
oder die Meerwasserkammer 242 verlässt, wenn sich der Kolben 236 in
der Kammer 235 hin und her bewegt. Strömungsmesswerte von dem Strömungsmesser
liefern die nötigen
Informationen, um Schlammniveauänderungen
im Schlammtank 42 festzustellen. Es kann auch ein (nicht
gezeigter) Positionsanzeiger vorhanden sein, um die Position des
Kolbens 236 in der ringförmigen Kammer 235 zu
verfolgen. Die Position des Kolbens 236 kann dann dazu
verwendet werden, das Schlammvolumen im Schlammtank 42 zu
errechnen.
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In
dem Körper 230 ist
eine Abstreifvorrichtung 232 installiert. Die Abstreifvorrichtung 232 enthält eine
Abstreifaufnahme 233, die ein Abstreifelement 234 (in 5 gezeigt)
beherbergt. Wie in 5 gezeigt, enthält das Abstreifelement 234 eine
Kartusche 256, die aus einem Stapel aus mehreren elastomeren
Scheiben 258 besteht. Die elastomeren Scheiben 258 sind
so konfiguriert, dass sie einen Bohrstrang, beispielsweise Bohrstrang 60,
aufnehmen und diesen Bohrstrang mit geringem Druck umschließen. Die
elastomeren Scheiben 258 streifen außerdem Schlamm vom Bohrstrang
ab, wenn der Bohrstrang durch das Abstreifelement 234 hindurchgezogen
wird. Die Anordnung der elastomeren Scheiben 258 bildet
eine stufenweise Abdichtung, die es ermöglicht, dass jede einzelne
Scheibe nur einen Bruchteil des Gesamtdruckunterschieds am Abstreifelement 234 enthält. Das
Abstreifelement 234 wird mit einem (nicht gezeigten) Handhabungswerkzeug,
das am Bohrstrang 60 angebracht ist, in die Abstreifaufnahme 233 hineingeführt und
aus der Abstreifaufnahme 233 herausgeführt.
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In 2C ist gezeigt, wie ein Riserrohrverbinder 260 an
der Abstreifaufnahme 233 angebracht ist. Der Riserrohrverbinder 260 passt
mit einem Riserrohrverbinder 262 am unteren Ende des Unterwasser-Riserrohres 52 zusammen.
Am unteren Ende des Körpers 230 ist
ebenfalls ein Riserrohrverbinder 115 vorhanden. Der Riserrohrverbinder 115 ist
so konfiguriert, dass er mit dem Riserrohrverbinder 112 (in 2B gezeigt) im Schlammhubmodul 40 zusammenpasst.
Durchflussöffnungen
im Riserrohrverbinder 115 sind über die Rohre 122 und 124 und
Durchflussöffnungen
in den Riserrohrverbindern 260 und 262 mit den
Schlammrücklaufleitungen 56 und 58 verbunden.
Wenn der Riserrohrverbinder 115 mit dem Riserrohrverbinder 112 zusammengefügt ist,
so stehen die Rohre 122 und 124 in strömungsmäßiger Verbindung
mit den Rohren 118 und 120.
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Wenden
wir uns den 2A bis 2C zu. Wenn
das Schlammhubmodul 40, der Schlammtank 42 mit
Druckausgleich und das Riserrohr 52 an der Bohrlochkontrollvorrichtung 38 angebracht
sind, so gestattet das flexible Verbindungsstück 94 eine winklige
Bewegung dieser Vorrichtungen, wenn sich das Bohrschiff (in 1 gezeigt)
seitlich bewegt. Die winklige Bewegung bzw. das Schwenken des Schlammhubmoduls 40 kann
vermieden werden, indem man das flexible Verbindungsstück 94 vom UURP 44 entfernt
und es zwischen dem Schlammhubmodul 40 und dem Schlammtank 42 mit
Druckausgleich oder zwischen dem Schlammtank 42 mit Druckausgleich
und dem Riserrohr 52 anordnet. Wenn das flexible Verbindungsstück 94 vom
UURP 44 entfernt wird, so kann das Schlammhubmodul 40 dann
am UURP 44 angebracht werden, indem man das Durchflussrohr 104 mit
dem oberen Ende des Ring-Ausblasverhinderers 92 verbindet.
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Die
Höhe des
Bohrlochkopfschachtes 37 (in 1 veranschaulicht)
kann verringert werden, indem man den Schlammtank 42 mit
Druckausgleich durch kleinere Schlammtanks mit Druckausgleich ersetzt,
die im Schlammhubmodul 40 angeordnet sein können. Bei
dieser Ausführungsform
würde dann
der Verbinder 262 am unteren Ende des Riserrohres 52 mit
dem Verbinder 112 an der rotierenden Unterwasser-Ablenkvorrichtung 108 zusammenpassen.
Anstatt den Verbinder 262 direkt mit dem Verbinder 112 zu
verbinden, kann ein flexibles Verbindungsstück, ähnlich dem flexiblen Verbindungsstück 94,
zwischen den Verbindern 112 und 262 angeordnet
werden. Wie in 6 gezeigt, enthält ein kleinerer
Schlammtank 234 mit Druckausgleich eine Meerwasserkammer 265,
die von einer Schlammkammer 266 durch eine schwimmende,
ausdehnbare elastomere Kugel 267 getrennt ist. Es kann
selbstverständlich
auch jedes andere trennende Medium, wie beispielsweise ein schwimmender
Kolben, verwendet werden, um die Meerwasserkammer 265 von
der Schlammkammer 266 zu trennen.
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Meerwasser
kann durch eine Öffnung 268 in die
Meerwasserkammer 265 eintreten oder die Meerwasserkammer 265 verlassen.
An die Öffnung 268 können eine
oder mehrere (nicht gezeigte) Pumpen angeschlossen sein, um den
Druck in der Kammer 265 auf, über oder unter dem Meerwasser-Umgebungsdruck
zu halten. Ein (nicht gezeigter) Strömungsmesser kann an der Öffnung 268 angeschlossen
sein, um die Rate zu messen, mit der Meerwasser in die Meerwasserkammer 265 eintritt
oder die Meerwasserkammer 242 verlässt. Schlamm kann durch eine Öffnung 269 in
die Schlammkammer 266 gelangen oder die Schlammkammer 266 verlassen. Die Öffnung 269 könnte mit
den Rohren, die den Bohrloch-Ringraum mit den Ansaug-Enden der Unterwasser-Schlammpumpen 102 (in 2B gezeigt) verbinden, oder mit dem Strömungsauslass 125 im Durchflussrohr 104 (in 2B gezeigt) verbunden sein. Es kann auch ein (nicht
gezeigter) Positionsanzeiger vorhanden sein, um die Position des
trennenden Mediums zu überwachen,
wie oben im Zusammenhang mit dem Schlammtank 42 mit Druckausgleich
erläutert.
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Die
Höhe des
Bohrlochkopfschachtes 37 (in 1 veranschaulicht)
kann auch verringert werden, indem man den Schlammtank 42 mit
Druckausgleich weglässt
und das Riserrohr 52 dazu verwendet, die Funktion des Schlammtanks
mit Druckausgleich zu übernehmen.
Wie in 7 gezeigt, kann, wenn der Schlammtank 42 mit
Druckausgleich weggelassen wird, eine Unterwasser-Ablenkvorrichtung,
beispielsweise die rotierende Unterwasser-Ablenkvorrichtung 1710,
die zuvor in 4C veranschaulicht wurde, die Schnittstelle
zwischen dem Schlammhubmodul 40 und dem Riserrohr 52 bilden.
Bei dieser Ausführungsform
passt der Verbinder 1810 am oberen Ende der rotierenden
Unterwasser-Ablenkvorrichtung 1710 mit dem Verbinder 262 zusammen,
und der Montageflansch 1812 passt mit dem oberen Ende des
Durchflussrohres 104 zusammen. Der Auslass 1816 im
Verbinder 1810 ist mit einer Öffnung 1820 im Durchflussrohr 104 durch
Rohre 1822 verbunden, dergestalt, dass Schlamm vom Bohrloch-Ringraum 66 in
das Riserrohr 52 fließen
kann. Weil der Schlamm im Bohrloch-Ringraum 66 schwerer
ist als das Meerwasser im Riserrohr 52, bleibt der Schlamm 1821 aus
dem Bohrloch-Ringraum 66 am
Boden des Riserrohres 52, während das Meerwasser 1823 obenauf
schwimmt. Dadurch kann der Boden des Riserrohres 52 als
Kammer zur Aufnahme von Schlamm vom Bohrloch-Ringraum 66 dienen. Schlamm
kann aus dem Riserrohr 52 nach Bedarf in den Bohrloch-Ringraum 66 abgelassen
werden. Ein Umgehungsventil 1824 in den Rohren 1822 kann
so betätigt
werden, dass es die strömungsmäßige Verbindung
zwischen dem Bohrloch-Ringraum 66 und dem Riserrohr 52 steuert.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
kann, wie in 7B gezeigt, eine schwimmende
Sperre 1825, die eine Bohrung zur Aufnahme eines Bohrstrangs,
beispielsweise eines Bohrstrangs 60, aufweist, im Riserrohr 52 angeordnet
sein, um das Meerwasser im Riserrohr vom Bohrschlamm zu trennen.
Die schwimmende Sperre 1825 kann eine höhere Dichte haben als das Meerwasser,
aber eine geringere Dichte als der Bohrschlamm, so dass sie auf dem
Bohrschlamm schwimmt und dadurch den Bohrschlamm 1821 vom
Meerwasser 1823 trennt. Auf diese Weise wird die Vermischung,
die durch die Drehung des Bohrstrangs im Riserrohr bewirkt wird,
minimiert werden. Zwischen der schwimmenden Sperre 1825 und
dem Riserrohr 52 können
Mittel, beispielsweise federbelastete Rippen, vorgesehen sein, um die
Drehung der schwimmenden Sperre in dem Riserrohr zu mindern. Wenn
die schwimmende Sperre 1825 in dem Riserrohr 52 angeordnet
wird, wie dargestellt, so braucht das Schlammhubmodul keine Ablenkvorrichtung 1710 (in 7A gezeigt) zu enthalten. Es kann aber auch zweckmäßig sein,
die schwimmende Sperre 1825 in der in 7A gezeigten Ausführungsform zu verwenden, weil
die Fluide im Riserrohr ebenfalls vermischt werden, wenn der Bohrstrang
gedreht wird.
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Wenden
wir uns den 1 bis 5 zu.
Die Vorbereitung auf das Bohren beginnt mit der Positionierung des
Bohrschiffes 12 am Bohrort, wobei unter anderem Signalfeuer
oder andere Bezugspunkte auf dem Meeresboden 17 gesetzt
werden können.
Möglicherweise
müssen
ferngesteuerte Fahrzeuge, Unterwasserkameras oder sonstige Vorrichtungen
eingesetzt werden, um Bohrtechnik auf den Meeresboden 17 zu
führen.
Die Verwendung von Führungsseilen
zum Führen
der Bohrausrüstung
auf den Meeresboden kommt bei zu großer Wassertiefe möglicherweise
nicht in Frage. Nachdem das Bohrschiff 12 positioniert
ist, beginnt der Bohrvorgang normalerweise mit dem Absenken der
Führungskonstruktion 36,
des Führungsgehäuses 33 und
des Führungsrohres 32 an
einem Absenkwerkzeug, das über
einer Grundlochbaugruppe befestigt ist. Die Grundlochbaugruppe,
die eine Bohrkrone und weitere ausgewählte Komponenten enthält, um entlang
eines projektierten Bohrpfades zu bohren, ist an einem Bohrstrang
befestigt, der von der Bohranlage 20 getragen wird. Die Grundlochbaugruppe
wird auf den Meeresboden herabgelassen, und das Führungsrohr 32 wird
mit Strahldüsen
an seine Stelle auf dem Meeresboden bewegt.
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Nachdem
das Führungsrohr 32 mit
Strahldüsen
an seine Stelle bewegt wurde, wird die Grundlochbaugruppe entriegelt,
um ein Loch für
das Oberflächenrohr 36 zu
bohren. Das Bohren des Lochs beginnt damit, dass die Bohrkrone mittels
eines Drehtisches oder eines Oberantriebs gedreht wird. Es kann auch
ein über
der Bohrkrone angeordneter Schlammmotor verwendet werden, um die
Bohrkrone zu drehen. Während
die Bohrkrone gedreht wird, wird Fluid in der Bohrung des Bohrstrangs
entlang gepumpt. Das Fluid im Bohrstrang verlässt als Strahl die Düsen in der
Bohrkrone und spült
dabei Bohrgut von der Bohrkrone weg. In dieser ersten Bohrphase kann
das Fluid, das in die Bohrung des Bohrstrangs gepumpt wird, Meerwasser
sein. Nachdem das Loch für
das Oberflächenrohr 36 gebohrt
ist, werden der Bohrstrang und die Grundlochbaugruppe heraufgezogen.
Dann wird das Rohr 36 in das Loch eingeführt und
einzementiert. Am oberen Ende des Oberflächenrohres 36 ist
der Unterwasserbohrlochkopf 35 angebracht. Der Unterwasserbohrlochkopf 35 wird
in dem Führungsgehäuse 33 an
seinem Platz verriegelt.
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Die
Schlammhubbohrarbeiten beginnen damit, dass der Bohrlochkopfschacht 37 durch
die Ölaufnahmeöffnung 22 im
Schiffsboden zum Meeresboden abgesenkt wird. Das erfolgt dergestalt,
dass das untere Ende des Unterwasser-Riserrohres 52 mit dem oberen
Ende des Schlammtanks 42 an der Oberseite des Bohrlochkopfschachtes 37 verriegelt wird.
Dann wird das Unterwasser-Riserrohr 52 zum Meeresboden
abgelassen, bis der Unterwasser-Ausblasverhinderungsschacht 46 am
Boden des Bohrlochkopfschachtes 37 auf dem Bohrlochkopf 35 aufsetzt
und dort verriegelt wird. Die Meerwasserkammer 242 und
der Schlammtank 42 füllen
sich mit Meerwasser, während
der Bohrlochkopfschacht 37 abgesenkt wird. Die Schlammrücklaufleitungen 56 und 58 sind
mit den Durchflussöffnungen
in der Ölaufnahmeöffnung 22 im
Schiffsboden verbunden, nachdem der Bohrlochkopfschacht 37 auf
dem Unterwasserbohrlochkopf 35 befestigt ist.
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Der
Bohrstrang 60 mit der Spindel 178 wird durch das
Riserrohr 52 in den Gehäusekörper 162 der
Abstreifvorrichtung 108 abgesenkt. Wenn die Spindel 178 auf
der zurückziehbaren
Anschlagschulter 174 in dem Gehäusekörper 162 aufsetzt,
so wird der Bohrstrang gedreht, damit die Riegel in dem Gehäusekörper in
die Ausnehmungen in der Spindel 178 eingreifen können. Dann
wird der Bohrstrang durch die Ablenkvorrichtung 106, das
Durchflussrohr 104 und die Bohrlochkontrollvorrichtung 38 hindurch auf
den Grund des Bohrlochs abgesenkt. Wenn die Bohrkrone 64 den
Grund des Bohrlochs 30 berührt, so wird die Oberflächenpumpe
angeworfen, und Schlamm wird vom Bohrschiff 12 aus in der
Bohrung des Bohrstrangs 60 entlang gepumpt. Der Bohrstrang 60 wird
von der Oberfläche
aus durch einen Drehtisch oder einen Oberantrieb gedreht. Es kann auch
ein über
der Bohrkrone angeordneter Schlammmotor verwendet werden, um die
Bohrkrone zu drehen. Während
der Bohrstrang 60 oder die Bohrkrone 64 gedreht
wird, schneidet sich die Bohrkrone 64 in die Formation.
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Der
Schlamm, der in die Bohrung des Bohrstrangs 60 hineingepumpt
wird, wird durch die Düsen der
Bohrkrone 64 hindurch in den Grund des Bohrlochs hinein
gedrängt.
Der Schlamm, der sich als Strahl von der Krone 64 fort
bewegt, steigt wieder nach oben durch den Bohrloch-Ringraum 66 zur
Abstreifvorrichtung 108, wo er zu den Ansaug-Enden der
Unterwasser-Schlammpumpen 102 und zur Öffnung 248 der Schlammkammer 244 des
Schlammtanks 42 abgelenkt wird. Die Pumpen 102 lassen
den Schlamm an die Schlammrücklaufleitungen 56 und 58 ab.
Die Schlammrücklaufleitungen 56 und 58 transportieren
den Schlamm zum Schlammrücklaufsystem
auf dem Bohrschiff 12. Der Schlammtank 42 mit
Druckausgleich ist offen, um Schlamm vom Bohrloch-Ringraum 66 aufzunehmen,
wenn der Schlammdruck am Einlass der Schlammkammer 244 höher ist
als der Meerwasserdruck in der Meerwasserkammer 242. Der
Riserrohr-Ringraum wird mit Meerwasser gefüllt, dergestalt, dass der Druck
der Fluidsäule
im Riserrohr in jeder Tiefe dem Druck des Meerwassers entspricht.
Natürlich
kann auch jedes andere leichte Fluid zum Füllen des Riserrohr-Ringraums
verwendet werden.
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Unterwasser-Schlammpumpe
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8 zeigt
die Komponenten der Unterwasser-Schlammpumpe 102,
die zuvor in 2B veranschaulicht wurde. Wie
gezeigt, enthält
die Unterwasser-Schlammpumpe 102 eine Mehrelementpumpe 350,
eine Hydraulikvorrichtung 352 und einen Elektromotor 354.
Der Elektromotor 354 treibt die Hydraulikvorrichtung 352 an,
die der Mehrelementpumpe 350 druckbeaufschlagtes Hydraulikfluid
zuführt.
Die Mehrelementpumpe 350 enthält Membranpumpenelemente 355.
Es können
aber auch andere Arten von Pumpenelementen, wie weiter unten beschrieben, anstelle
der Membranpumpenelemente 355 verwendet werden.
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Membranpumpenelement
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9A zeigt einen vertikalen Querschnitt durch das
Membranpumpenelement 355, das zuvor in 8 veranschaulicht
wurde. Wie gezeigt, enthält das
Membranpumpenelement 355 ein kugelförmiges Druckgefäß 356 mit
Endkappen 358 und 360. Eine elastomere Membran 362 ist
im unteren Abschnitt des Druckgefäßes 356 angeordnet.
Die elastomere Membran 362 isoliert eine Hydraulikarbeitskammer 370 von
einer Schlammkammer 372 und verdrängt Fluid im Inneren des Gefäßes 356 in
Reaktion auf einen Druckunterschied zwischen der Hydraulikarbeitskammer 370 und
der Schlammkammer 372. Die elastomere Membran 362 schützt außerdem das
Gefäß 356 vor
dem abrasiven und korrosiven Schlamm, der in der Schlammkammer 372 aufgenommen
werden kann.
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Die
Endkappe 358 enthält
eine Öffnung 374, durch
die Hydraulikfluid in die Hydraulikarbeitskammer 370 hineingeleitet
oder aus der Hydraulikarbeitskammer 370 herausgeleitet
werden kann. Die Endkappe 360 enthält eine Öffnung 376, durch
die Fluid in die Schlammkammer 372 hineingeleitet oder
aus der Schlammkammer 372 herausgeleitet werden kann. Die
Endkappe 360 besteht vorzugsweise aus einem korrosionsbeständigen Material,
um die Öffnung 376 vor
dem abrasiven Schlamm zu schützen, der
in die Schlammkammer 372 hineingelangt oder sie verlässt. Die
Endkappe 360 ist mit einem Ventilverteiler 378 verbunden,
der Ansaug- und Auslassventile zum Steuern des Schlammflusses in
die und aus der Schlammkammer 372 enthält. Der Ventilverteiler 378 hat
eine Einlassöffnung 380 und
eine Auslassöffnung 382.
Die Öffnungen 380 und 382 können selektiv
mit der Öffnung 376 in
der Endkappe 360 verbunden werden. Wie in 8 gezeigt,
sind die Einlassöffnungen 380 mit:
einem Kanal 384 verknüpft,
der mit dem Strömungsauslass 125 in
dem Durchflussrohr (in 2B gezeigt)
verbunden sein kann. Obgleich nicht gezeigt, sind die Auslassöffnungen 382 ebenfalls
mit einem Kanal verknüpft,
der mit den Schlammrücklaufleitungen 56 und 58 verbunden sein
kann.
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Kolbenpumpenelement
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9B zeigt ein Kolbenpumpenelement 390,
das anstelle des Membranpumpenelements 355 verwendet werden
kann, das zuvor in 8 veranschaulicht wurde. Wie
gezeigt, enthält
das Kolbenpumpenelement 390 ein zylindrisches Druckgefäß 392 mit
einem oberen Ende 394 und einem unteren Ende 396.
Ein Kolben 398 ist in dem Gefäß 392 angeordnet.
Dichtungen 400 bilden eine Abdichtung zwischen dem Kolben 398 und
dem Druckgefäß 392. Der
Kolben 398 definiert eine Hydraulikarbeitskammer 402 und eine
Schlammkammer 404 in dem Druckgefäß 392 und bewegt sich
axial in dem Gefäß 392 in
Reaktion auf einen Druckunterschied zwischen den Kammern 402 und 404.
Der Kolben 398 und das Druckgefäß 392 bestehen vorzugsweise
aus einem korrosionsbeständigem
Material. Hydraulikfluid kann über
eine Öffnung 406 am
Ende 394 des Gefäßes 392 in
die Hydraulikarbeitskammer 402 eingeleitet oder aus der
Hydraulikarbeitskammer 402 abgelassen werden. Schlamm kann über eine Öffnung 408 am
Ende 396 des Gefäßes 392 in
die Schlammkammer 404 eingeleitet oder aus der Schlammkammer 404 abgelassen
werden. Ein Ventilverteiler 410 ist am Ende 396 des
Gefäßes 392 angeschlossen. Der
Ventilverteiler 410 enthält Ansaug- und Auslassventile
zum Steuern des Schlammflusses in die und aus der Schlammkammer 404.
Der Ventilverteiler 410 hat eine Einlassöffnung 412 und
eine Auslassöffnung 414,
die selektiv mit der Öffnung 408 in
strömungsmäßiger Verbindung
stehen.
-
Membranpumpenelement
mit Membranpositionsanzeiger
-
9C zeigt das Membranpumpenelement 355,
das zuvor in 9A veranschaulicht wurde, mit einem
Membranpositionsanzeiger, beispielsweise einem Linearverschiebungs-Magnetostriktionswandler 2011.
Der Linearverschiebungs-Magnetostriktionswandler 2011 enthält eine
Magnetostriktions-Wellenleiterröhre 2012,
die in einem Gehäuse 2013 am oberen
Ende des Membranpumpenelements 355 angeordnet ist. Eine
Ringmagnetbaugruppe 2014 ist in einem Abstand um die Magnetostriktions-Wellenleiterröhre 2012 herum
angeordnet. Die Magnetbaugruppe 2014 ist an einem Ende
eines Magnetträgers 2015 befestigt.
Das andere Ende des Magnetträgers 2015 ist
mit der Mitte der elastomeren Membran 362 verbunden. Der
Magnetträger 2015 ist
so konfiguriert, dass er sich an der Magnetostriktions-Wellenleiterröhre 2012 entlang
bewegen kann, wenn sich die elastomere Membran 362 in dem
Kugelgefäß 356 bewegt.
In der Magnetostriktions-Wellenleiterröhre 2012 befindet
sich ein (nicht gezeigter) Leiterdraht. Der Leiterdraht und die
Magnetostriktions-Wellenleiterröhre 2012 sind
mit einem Wandler 2016 verbunden, der sich außerhalb
des Gehäuses 2013 befindet.
Der Wandler 2016 enthält
Mittel zum Anlegen eines Abfragestromimpulses an den Leiterdraht
in der Magnetostriktions-Wellenleiterröhre 2012.
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Die
Hydraulikarbeitskammer 370 steht mit dem Inneren des Gehäuses 2013 in
strömungsmäßiger Verbindung.
Eine Öffnung 2017 in
dem Gehäuse ermöglicht es,
Hydraulikfluid zu der Hydraulikarbeitskammer 370 zu leiten
und von dort abzuziehen. Wenn während
des Betriebes Hydraulikfluid abwechselnd zu der Hydraulikarbeitskammer 370 geleitet und
von dort abgezogen wird, bewegt sich die Mitte der elastomeren Membran 360 vertikal
in dem Druckgefäß 356.
Wenn sich die Mitte der elastomeren Membran 360 bewegt,
so bewegt sich auch die Magnetbaugruppe 2014 um die gleiche
Distanz an der Magnetostriktions-Wellenleiterröhre 2012 entlang. Die
Magnetostriktions-Wellenleiterröhre 2012 hat
einen Bereich in der Magnetbaugruppe 2014, der magnetisiert
wird, wenn die Magnetbaugruppe an der Magnetostriktions-Wellenleiterröhre entlang
verschoben wird. Der Leiterdraht in der Magnetostriktions-Wellenleiterröhre 2012 empfängt periodisch
einen Abfragestromimpuls von dem Wandler 2016. Dieser Abfragestromimpuls
erzeugt ein toroidales Magnetfeld um den Leiterdraht und in der Magnetostriktions-Wellenleiterröhre 2012.
Wenn das toroidale Magnetfeld auf den magnetisierten Bereich der
Magnetostriktions-Wellenleiterröhre 2012 trifft,
so entsteht in der Wellenleiterröhre 2012 ein
schraubenförmiges
Schallrücklaufsignal.
Der Wandler 2016 erfasst das schraubenförmige Rücklaufsignal und erzeugt ein
elektrisches Signal für
ein (nicht gezeigtes) Messgerät
oder eine sonstige Anzeigevorrichtung, um die Position der Magnetbaugruppe 2014 und
damit die Position der elastomeren Membran 362 anzuzeigen.
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Der
hier beschriebene Linearverschiebungs-Magnetostriktionswandler 2011 ähnelt dem
Linearverschiebungs-Magnetostriktionswandler 2011, der
in den US-Patenten 5,407,172 und 5,320,325 an Kenneth Young et al., übertragen
auf Hydril Company, offenbart ist. Der Linearverschiebungs-Magnetostriktionswandler 2011 erlaubt
es, die absolute Position der elastomeren Membran 362 in
dem Druckgefäß 356 zu
messen. Diese Messungen der absoluten Position können verlässlich zu den Volumen in der Hydraulikarbeitskammer 370 und
der Schlammkammer 372 in Beziehung gesetzt werden. Diese
Volumeninformationen können
dazu verwendet werden, den (nicht gezeigten) Pumpenhydraulikantrieb
und die (nicht gezeigten) aktivierten Pumpenansaug- und -auslassventile
effizient zu steuern. Es versteht sich, dass außer dem Linearverschiebungs-Magnetostriktionswandler
noch andere Mittel verwendet werden können, die absolute Position
der elastomeren Membran 362 in dem sphärischen Gefäß 356 zu messen, beispielsweise
der lineare variable Differentialtransformator und die Ultraschallmessung.
Es versteht sich des Weiteren, dass das Membranpumpenelement 355 in
verschiedenen Anwendungen als Pulsationsdämpfer verwendet werden kann,
sofern die Hydraulikarbeitskammer 370 mit einem komprimierbaren
Fluid, wie beispielsweise Stickstoffgas, anstatt mit einem Hydraulikfluid
gefüllt
ist. Bei einer Anwendung als Pulsationsdämpfer kann ein Mittel zum Messen
der absoluten Position der elastomeren Membran 362 in dem
sphärischen
Druckgefäß 356 wichtige Informationen über Pulsationen
und Druckspitzen in Hydrauliksystemen liefern. Der Linearverschiebungs-Magnetostriktionswandler 2011 kann
auch mit dem Kolbenpumpenelement 390 (in 9B gezeigt) verwendet werden, um die Position
des Kolbens 398 zu verfolgen, wenn sich der Kolben in dem
Druckgefäß 392 bewegt.
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Hydraulikantriebskreise
für die
Unterwasser-Schlammpumpen
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10A zeigt ein Offenkreis-Schaubild für den Hydraulikantrieb 352 (in 8 gezeigt).
Wie gezeigt, enthält
der Offenkreis-Hydraulikantrieb eine Verstellpumpe 420 mit
Druckausgleich und eine Hilfspumpe 490. Die Pumpen 420 und 490 werden
in einem Hydraulikfluidreservoir 424 mit Druckausgleich
versenkt. Die Pumpen 420 und 490 können stattdessen
aber auch außerhalb
des Reservoirs 424 angeordnet sein. Das Hydraulikfluid
in dem Reservoir 424 kann Öl oder ein anderes geeignetes
fluides Kraftübertragungsmedium
sein. Die Pumpe 420 wird von einem Elektromotor 432 angetrieben,
der vom Bohrschiff aus mit Strom versorgt wird. Der Elektromotor 432 stellt
den Elektromotor 354 dar, der zuvor in 8 veranschaulicht
wurde. Die Pumpe 490 ist mit der Pumpe 420 gekoppelt
und wird von dem Elektromotor 432 angetrieben. Die Pumpe 490 kann
auch durch eine andere Quelle angetrieben werden, wie beispielsweise
durch einen pumpeneigenen Elektromotor.
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Die
Pumpe 420 zieht Hydraulikfluid aus dem Reservoir 424 ab
und gibt druckbeaufschlagtes Fluid an die Hydraulikarbeitskammern 2020b und 2022b der
Pumpenelemente 2020 und 2022 über die Ventile 426b bzw. 428b ab.
Die Stellungen der Ventile 426b und 428b werden
durch die Steuerlogik im Steuerungsmodul 2034 bestimmt.
Die Pumpe 490 zieht Fluid aus dem Reservoir 424 ab
und pumpt das Fluid durch die (nicht gezeigten) Lager in der Pumpe 420. Am
Reservoir 424 ist ein Volumenausgleichsbehälter 425 angebracht,
um Volumenschwankungen im Reservoir auszugleichen, zu denen es kommt,
wenn die Rate, mit der Fluid aus dem Reservoir 424 abgepumpt
wird, sich von der Rate unterscheidet, mit der Fluid zum Reservoir über die
Ventile 426a und 428a zurückkehrt. Die Stellungen der
Ventile 426a und 428a werden ebenfalls durch die
Steuerlogik im Steuerungsmodul 2034 bestimmt. Die Ventile 426a, 426b, 428a und 428b sind
Zweiweg-Zweistellungs-Federrückhol-Magnetventile.
Es können
aber auch andere Richtungssteuerventile verwendet werden, um den Hydraulikfluss
in die Hydraulikarbeitskammern 2020b und 2022b hinein
und aus den Hydraulikarbeitskammern 2020b und 2022b heraus
zu steuern.
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Jedes
der Pumpenelemente 2020 und 2022 hat Positionsanzeiger 2026,
die Signale zum Steuerungsmodul 2034 senden. Die Anzeiger 2026 messen
das Schlammvolumen in den Schlammkammern 2020a und 2022a.
Die Schlammkammern 2020a und 2022a der Pumpenelemente 2020 bzw. 2022 sind über Ansaugventile 1890a an
die Leitung 456 und über
Auslassventile 1890b an die Leitung 458 angeschlossen.
Die Ventile 1890a und 1890b sind Rückschlagventile,
die es ermöglichen,
dass Schlamm von der Leitung 456 in die Schlammkammern 2020a und 2022a bzw.
von den Schlammkammern in die Leitung 458 fließt. Obgleich
einzelne Ventile 1890a und 1890b gezeigt sind,
versteht es sich, dass anstelle dieser Ventile auch ein Dreiwegventil
verwendet werden kann, das eine wechselweise Verbindung der Schlammkammern 2020a und 2022a mit
den Leitungen 456 oder 458 gestatten würde. Im
Betrieb kann die Leitung 456 hydraulisch mit dem Strömungsauslass 125 im
Durchflussrohr 104 des Schlammhubmoduls 40 (in 2B gezeigt) verbunden sein, und die Leitung 458 kann
hydraulisch mit den Schlammrücklaufleitungen 56 und 58 (in 1 gezeigt)
verbunden sein.
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In
dem Kreis von 10A wird die Hydraulikarbeitskammer 2022b mit
Hydraulikfluid befüllt, während die
Schlammkammer 2022a Schlamm abgibt. Des Weiteren wird die
Schlammkammer 2020a mit Schlamm befüllt, während die Hydraulikarbeitskammer 2020b Hydraulikfluid
abgibt. Die zeitliche Abfolge des Befüllens einer Arbeitskammer mit
Hydraulikfluid, während
Hydraulikfluid aus der anderen Arbeitskammer abgegeben wird, der
des Ablassens von Schlamm aus einer Schlammkammer, während die
andere Schlammkammer mit Schlamm gefüllt wird, wird so gesteuert,
dass der Schamm-Gesamtstrom
von den Pumpenelementen 2020 und 2022 relativ
pulsationsfrei ist. Die Pumpenelemente 2020 und 2022 sind
als Membranpumpenelemente, d. h. Membranpumpenelemente 355,
dargestellt, aber die Pumpenelemente 2020 und 2022 können auch
von einem anderen Pumpenelement-Typ sein, beispielsweise ein Kolbenpumpenelement 390.
Den Pumpenelementen 2020 und 2022 können auch
ein oder mehrere Pumpenelemente hinzugefügt werden, um die Pumpleistung
der Unterwasser-Schlammpumpe zu ändern.
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10B ist eine Darstellung der Zeit-Positions-Beziehung zwischen
den Schlammkammern 2020a und 2022a während des
Pumpbetriebes. Am Anfang des Diagramms nimmt das Schlammvolumen in
der Schlammkammer 2022a ab, während das Schlammvolumen in
der Schlammkammer 2020a zunimmt. Die Strömungsrate
in die Schlammkammer 2020a hinein ist größer als
die Strömungsrate
aus der Schlammkammer 2022a heraus. Schlamm fließt in die
Schlammkammer 2020a infolge des positiven Druckunterschieds,
der zwischen dem Schlamm in der Leitung 456 und dem Hydraulikfluid
im Reservoir 424 aufrechterhalten wird.
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Dieser
positive Druckunterschied, der nötig ist,
um die Schlammkammer 2020a zu füllen, kann auf verschiedene
Weise erzeugt werden. Wenn das Pumpsystem unter Wasser verwendet
wird, so ist die Ansaugseite der Pumpe mit dem Bohrloch-Ringraum 66 (in 1 gezeigt) über die Öffnung 125 im
Durchflussrohr 104 (in 2B gezeigt)
verbunden. Der Druck des Schlamms im Bohrloch-Ringraum 66 (in 1 gezeigt)
variiert je nach der Rate, mit der Schlamm von den (nicht gezeigten)
Oberflächen-Schlammpumpen an
der Bohranlage 20 durch den Bohrstrang 60 in den
Bohrloch-Ringraum 66 gepumpt wird, und der Rate, mit der
die Unterwasserpumpen den Schlamm aus dem Bohrloch-Ringraum abtransportieren.
Ein Drucksensor 2028 misst den Druckunterschied zwischen
dem Schlamm im Bohrloch-Ringraum und dem Meerwasser, welches das Reservoir 424 umgibt.
Das Ausgangssignal des Drucksensors 2028 wird zum Steuerungsmodul 2034 übertragen,
das seinerseits ein Ratensteuerungssignal zur Verstellpumpe 420 (in 10A gezeigt) sendet. Der Druck im Bohrloch-Ringraum kann daher durch
das Steuerungsmodul 2034 dergestalt erhöht oder gesenkt werden, dass
er über
dem Meerwasser-Umgebungsdruck gehalten wird. Dieser Steuerungsmodus
gewährleistet,
dass die Rate, mit der die Schlammkammer 2020a gefüllt wird
(durch das Segment KJ angedeutet), die Strömungsrate des aus der Schlammkammer 2022a abfließenden Schlamms (durch
das Segment LA angedeutet) übersteigt.
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Die
Steuerungslogik im Steuerungsmodul 2034 (in 10A gezeigt) erzeugt den in 10B gezeigten Pumpzyklus. Wie oben besprochen,
ist der Schlammbefüllungszyklus
der Schlammkammer 2020a beendet, wenn das Volumen in der
Schlammkammer 2020a den Punkt J erreicht. An diesem Punkt
schaltet das Steuerungsmodul 2034 die Stellung des Ventils 426a dergestalt
um, dass kein Hydraulikfluid mehr aus der Hydraulikarbeitskammer 2020b ausfließt und somit
kein Schlamm mehr in die Schlammkammer 2020a hineinfließt. Der
Zustand der Hydraulikarbeitskammer 2020b wird beibehalten, bis
der Schlamm, der aus der Schlammkammer 2022a abgelassen
wird, den Punkt A erreicht. In diesem Moment wird das Ventil 426b in
eine Durchlassstellung geschaltet, bei der Hydraulikfluid in die
Hydraulikarbeitskammer 2020b einströmen kann, um Schlamm aus der
Kammer 2020a in demselben Moment zu verdrängen, da
Schlamm aus der Schlammkammer 2022a verdrängt wird.
Der Hydraulikfluss von der Verstellpumpe 420 bleibt konstant,
doch er wird zwischen den beiden Hydraulikarbeitskammern 2020b und 2022b aufgeteilt.
Die Gesamtmenge des Schlamms, die in die Leitung 458 hineinströmt, bleibt konstant.
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Wenn
das Schlammvolumen in der Schlammkammer 2022a den Punkt
C erreicht, so wird das Hydraulikbefüllungsventil 428b durch
das Steuerungsmodul 2034 in eine Sperrstellung geschaltet,
wodurch der Schlammfluss aus der Schlammkammer 2022a gestoppt
wird. Nach einer Zeitverzögerung,
die durch das Segment CE dargestellt wird, schaltet das Steuerungsmodul 2034 Hydraulikauslassventil 428a in
die Durchlassstellung, wodurch Hydraulikfluid aus der Hydraulikarbeitskammer 2020b in
das Reservoir 424 verdrängt
werden kann, während
Schlamm die Schlammkammer 2022a füllt. Die Rate, mit der Schlamm
die Schlammkammer 2022a füllt, ist höher als die Rate, mit der die Pumpe 420 der
Hydraulikfluidkammer 2020b Hydraulikfluid zuführt, und
damit höher
als die Rate, mit der Schlamm aus der Schlammkammer 2020a ausfließt. Der
Befüllungszyklus
für die
Schlammkammer 2022a, der durch das Liniensegment EF dargestellt wird,
hält an,
wenn das Schlammvolumen in der Schlammkammer 2022a den
Punkt F erreicht. An diesem Punkt schaltet das Steuerungsmodul 2034 das
Ventil 428a in eine Sperrstellung, wodurch der Hydraulikfluidfluss
von der Hydraulikfluidkammer 2022b zum Reservoir 424 gestoppt
wird.
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Der "Voll"-Zustand der Schlammkammer 2022a wird
beibehalten, bis der an dem Pumpenelement 2020 angebrachte
Positionsanzeiger 2026 anzeigt, dass das Schlammvolumen
in der Schlammkammer 2020a den "Leer"-Punkt G erreicht
hat. Das Steuerungsmodul 2034 betätigt dann das Ventil 428a dergestalt,
dass Hydraulikfluid in die Hydraulikarbeitskammer 2022b fließen kann,
um den Schlamm in der Schlammkammer 2022a in die Leitung 458 hinein
zu verdrängen.
Auch hier wird der Fluss von der Pumpe 420 zwischen den
Hydraulikfluidkammern 2022b und 2020b aufgeteilt,
bis das Volumen in der Schlammkammer 2020a den Punkt I
erreicht. Die Aufteilung des Flusses wird durch die beiden Segmente
HM und GI in 10B angezeigt. Wenn das Volumen
in der Schlammkammer 2020a den Punkt I erreicht, so signalisiert
das Steuerungsmodul 2034 dem Ventil 426a, in eine
Sperrstellung umzuschalten, wodurch der Schlammstrom aus der Schlammkammer 2020a gestoppt
wird. Die volle Leistung der Pumpe 420 wird dann dafür verwendet,
den Schlamm aus der Schlammkammer 2022a mit der Rate abzulassen,
die durch das Liniensegment MN angedeutet ist.
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Die
Strömungsanalyse
zeigt, dass der Schlammaustrag aus den Schlammkammern 2020a und 2022a ununterbrochen
erfolgt. Die Anfangsrate des Schlammaustrags aus der Schlammkammer 2022a ist
durch das Segment LA definiert. Das nächste Segment ist die Kombination
der Segmente BD (aus der Schlammkammer 2020a) und AC (aus der
Schlammkammer 2022a), was der Strömungsrate des Segments LA gleich
kommt. Das folgende Segment, das den Schlamm bezeichnet, der aus
der Schlammkammer 2020a verdrängt wird, ist DG und hat die
gleiche Rate wie LA. Der Fluss wird dann zwischen den Schlammkammern 2022a und 2020a aufgeteilt,
wie durch die Segmente HM bzw. GI gezeigt. Die Summe der Strömungsraten
der Segmente HM und GI ist gleich der Strömungsrate des Segments LA.
Der Schlammfluss aus der Schlammkammer 2022a setzt sich
im Segment MN fort, der wiederum der gleiche ist wie beim anfänglichen
Segment LA. Dann wiederholt sich der Ablauf. Die Pumpströmungsrate,
die durch die Liniensegmente MN und DG angedeutet ist, wäre – basierend
auf der Befüllungsrate,
die durch den Schlammdruck in der Leitung 456 bestimmt
wird – die
maximale Strömungsrate
für die
Unterwasser-Schlammpumpe. Wenn der Schlammfluss in den Bohrloch-Ringraum
hinein abzunehmen beginnt, so würde
auch der Druck im Bohrloch-Ringraum abnehmen. Das Steuerungsmodul 2034 würde die Änderung
im Drucksensor 2028 erkennen und die Strömungsrate
von der Pumpe 420 verringern, die ihrerseits das Volumen
des Hydraulikfluids verringern würde,
das durch die Pumpe 420 zu den Hydraulikarbeitskammern 2020b und 2022b abgegeben
wird. Diese verringerte Schlammströmungsrate vom Bohrloch-Ringraum
würde den
benötigten
Schlammdruck in der Leitung 456 wieder herstellen.
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Das
Steuerungsmodul 2034 enthält sämtliche Eingabe- und Ausgabe-Komponenten (E/A-Komponenten),
die benötigt
werden, um Signale von den verschiedenen Punkten, die in 10B gezeigt sind, entgegenzunehmen und Steuerungssignale
an die Steuerventile 426a, 426b, 428a und 428b zu
senden. Diese Steuerungsvorrichtung würde einen (nicht gezeigten)
residenten Computer, der an die E/A-Komponenten angeschlossen ist,
oder eine Kommunikationsverbindung mit einem (nicht gezeigten) Computer
an der Oberfläche
zu den E/A-Komponenten haben. Die Steuerung für die Skalierung von Sensoreingangssignalen
und die Logik zum Erzeugen der Steuerungssignale, die für die in 10A gezeigte Konfiguration benötigt werden, sind Teil der
Software für
den Computer. Dieses Steuerungsmodul 2034 würde unabhängig davon verwendet
werden, ob die Pumpe unter Wasser oder an der Oberfläche arbeitet.
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10C veranschaulicht die Leistung des in 10A gezeigten Pumpenkreises unter Verwendung des
in 10B beschriebenen Steuerungsverfahrens.
Wie gezeigt, ist die Schlammaustragsrate konstant und weist keine
feststellbare Pulsation auf. Die Ansaugströmungsrate hingegen wird durch
eine Reihe von Strömungsimpulsen
gebildet. Dies erfordert die Verwendung irgendeiner Art von Ansaugpulsationsdämpfer. Das
Unterwasser-Pumpsystem besitzt diese Funktion, d. h. die Verringerung
von Druckschwankungen im Bohrloch-Ringraum, in dem Schlammtank 42 mit
Druckausgleich, der in 2C oder
in 7A gezeigt ist, wenn das Umgehungsventil 1824 geöffnet ist,
damit Schlamm zwischen dem Riserrohr 52 und dem Bohrloch-Ringraum
transportiert werden kann. Alternativ können auch ein oder mehrere
zusätzliche
Pumpenelemente, die nicht phasengleich mit den Pumpenelementen 2022a und 2020a arbeiten,
verwendet werden, um den Schlamm so anzusaugen, dass keine Pulsation
entsteht, während
gleichzeitig ein Schlammabfluss aufrecht erhalten wird, der ebenfalls
pulsationsfrei ist.
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Die
Pumprate, die benötigt
wird, um Schlamm vom Meeresboden zur Oberfläche zu heben, wenn in einer
Wassertiefe von 10.000 Fuß gebohrt
wird, beträgt
schätzungsweise
bis zu 1.600 Gallonen in der Minute. Wenn beispielsweise der Ausstoßhub jedes
Pumpenelements sechs Sekunden dauert, so würde jedes Pumpenelement in
einer Minute fünf
Ausstoßhübe vollführen. Wenn
die Pumpenelemente eine Nennkapazität von 40 Gallonen haben, so
würde ein
Pumpenelement in einer Minute ein Schlammvolumen von 200 Gallonen
ausstoßen. Um
400 Gallonen Schlamm in einer Minute zu pumpen, muss die Pumpe 420 eine
Pumprate von wenigstens 400 Gallonen in der Minute haben. Natürlich würde man
vier Pumpenmodule benötigen,
um die geschätzte
Pumprate von 1.600 Gallonen in der Minute zu erreichen, die nötig ist,
wenn in einer Wassertiefe von 10.000 Fuß gebohrt wird.
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11A veranschaulicht einen Offenkreis-Hydraulikantrieb, ähnlich dem
von 10A, jedoch unter Hinzufügung eines
dritten Pumpenelements 2036, eines Durchflusssteuerventils 2042 und eines
Strömungsmessers 2040 in
der Hydraulikrücklaufleitung,
welche die Hydraulikarbeitskammern 2020b, 2022b und 2036b mit
dem Reservoir 424 verbindet. Das Steuerungsmodul 2044 muss
um zusätzliche
Strömungsalgorithmen
erweitert werden, um den Pumpzyklus für dieses System zu koordinieren.
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Die
Rate, mit der Schlamm aus den Schlammkammern 2020a, 2022a und 2036a ausfließt, wird
so gesteuert, wie es oben für 10A beschrieben ist. Die Strömungsratensequenzierung für das Pumpsystem
von 11A ist in 11B gezeigt. Das Diagramm ähnelt dem von 10B, doch es enthält die Pumpkurve 1 für das dritte
Pumpenelement 2036, das den Pumpkurven 2 und 3 für die Pumpenelemente 2022 bzw. 2020 hinzugefügt wurde.
Am Anfang des Diagramms wird das Pumpenelement 2020 mit
Schlamm befüllt,
und sowohl das Hydrauliksteuerventil 426a als auch das
Hydrauliksteuerventil und 426b wurden durch das Steuerungsmodul 2044 in
die Sperrstellung versetzt, wie in 11A gezeigt.
Schlamm wird aus der Schlammkammer 2022a in die Leitung 458 abgelassen,
während
Hydraulikfluid die Hydraulikarbeitskammer 2022b füllt, wobei
das Steuerventil 428b in der Durchflussposition und das
Steuerventil 428a in Sperrstellung steht. Schlamm füllt die
Schlammkammer 2036a, wodurch das Hydraulikfluid in der Hydraulikfluidkammer 2036b durch
das Steuerventil 2038a verdrängt wird.
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Die
erste Steuerungsaktion wird eingeleitet, wenn das Schlammvolumen
in der Schlammkammer 2022a den Punkt A ("Leer"-Einstellpunkt) erreicht. Der
Positionsanzeiger 2026 beobachtet das Schlammvolumen im
Pumpenelement 2022 und übermittelt
dieses Signal an das Steuerungsmodul 2044. Das Steuerungsmodul 2044 leitet
eine Durchflusssteuerungsaktion ein, um das Fließen von Hydraulikfluid in die
Hydraulikarbeitskammer 2020b hinein zu beginnen, indem
es das Steuerventil 426a von der Sperrstellung in die Durchflussstellung
umschaltet. Wenn Hydraulikfluid in die Hydraulikarbeitskammer 2020b hineinfließt, so wird
Schlamm aus der Schlammkammer 2020a über das entsprechende Rückschlagventil 1890b in
die Leitung 458 abgelassen. Der Fluss von der Pumpe 420 wird
zwischen den Hydraulikarbeitskammern 2020b und 2022b für die Strömungssegmente
BD und AC aufgeteilt. Der Schlammfluss aus der Schlammkammer 2022a wird gestoppt,
wenn das Volumen den Punkt C erreicht und die gesamte Pumpmenge
der Pumpe 420 durch das Pumpenelement 2020 hindurchfließt. Der Schlammbefüllungszyklus
für das
Pumpenelement 2036 wird fortgesetzt, und das Steuerungsmodul 2044 erkannt
anhand der Ausgangssignale vom Positionsanzeiger 2046 den
Punkt E. Dies löst
im Steuerungsmodul 2044 ein Steuerungsausgangssignal aus,
das Steuerventil 428a in Durchflussstellung zu schalten.
Schlamm fließt
in die Schlammkammer 2022a, wodurch das Hydraulikfluid
von der Hydraulikarbeitskammer 2022b veranlasst wird, durch
das Steuerventil 428a, den Strömungsmesser 2040 und das
Strömungssteuerventil 2042 zu
fließen.
Hydraulikfluid wird des Weiteren aus der Hydraulikarbeitskammer 2036b über denselben
Strömungspfad
verdrängt.
Die kombinierte Strömungsrate
des Hydraulikfluids, das zum Reservoir 424 zurückfließt, wird durch
das Strömungssteuerventil 2042 so
gesteuert, dass sie der Abflussströmungsrate der Hydraulikpumpe 420 entspricht.
Der Strömungsmesser 2040 stellt
die benötigten
Strömungsmessungen
für das Strömungssteuerventil 2042 bereit.
Die Hydraulikströmungsrate
wird durch ein Signal vom Steuerungsmodul 2044 an den Verstellsteuermechanismus,
der an der Pumpe 420 angebracht ist, gesteuert.
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Wenn
der Steuerungspunkt G erreicht ist, so wird das Strömungssteuerventil 2038a in
Sperrstellung geschaltet. Dadurch fließt kein Schlamm mehr in die
Schlammkammer 2036a, und der gesamte Schlammfluss von der
Leitung 456 fließt
in die Schlammkammer 2022a. Das Strömungssteuerventil 2042 hält die Rate,
mit der Schlamm in die Pumpenelemente fließt, auf der gleichen Rate,
mit der Hydraulikfluid von der Pumpe 420 ausgestoßen wird. Die
Steuerungspunkte, die angesteuerten Strömungsventile und die resultierenden
Strömungsbedingungen
für den
in 11A gezeigten Hydraulikantrieb
sind in 11C im Überblick dargestellt.
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Das
Steuerungsschema basiert darauf, dass der Schlammauslass aus dem
vollen Pumpenelement beginnt, wenn das entsprechende Pumpenelement
in der letzten Phase des Auslassens den "Leer"-Stand
erreicht. Der oben beschriebene Prozess wird fortgesetzt, wobei
die Pumprate durch die Strömungsrate
bestimmt wird, welche die Pumpe 420 erbringen muss, um
den Druck des in die Pumpenelemente fließenden Schlamms auf dem erforderlichen Einstellpunkt
zu halten, der durch den Drucksensor 2028 gemessen wurde
und dem Steuerungsmodul 2044 übermittelt wird. Die Strömungsraten
des Schlamms in die Pumpe und aus der Pumpe unter Verwendung des
in 11A gezeigten Hydraulikantriebskreises
sind immer die gleichen Werte und weisen keine Pulsation auf. Dieser
pulsationsfreie Fluss resultiert aus dem Überlappen des Befüllungs- und
des Auslasszyklus' der
drei Pumpenelemente in der oben beschriebenen Weise. Weil die Pulsation
im Schlammansaugabschnitt der Pumpe beseitigt wird, braucht man
keine Ansaugpulsationsvorrichtung.
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Das
Steuerungsmodul 2044 enthält sämtliche Eingabe- und Ausgabe-Komponenten (E/A-Komponenten),
die benötigt
werden, um Signale von den verschiedenen Punkten, die in 11A gezeigt sind, entgegenzunehmen und Steuerungssignale
an die Steuerventile in 11A zu
senden. Dieses Steuerungsmodul würde
einen (nicht gezeigten) residenten Computer, der an die E/A-Komponenten angeschlossen
ist, oder eine Kommunikationsverbindung mit einem (nicht gezeigten)
Computer an der Oberfläche
zu den E/A-Komponenten haben.
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Die
Steuerung für
die Skalierung von Sensoreingangssignalen und die Logik zum Erzeugen
der Steuerungssignale, die für
die in 11A gezeigte Konfiguration
benötigt
werden, sind Teil der Software für
den Computer. Das Steuerungsmodul 2044 würde unabhängig davon
verwendet werden, ob die Pumpe unter Wasser oder an der Oberfläche arbeitet.
Die Software im Steuerungsmodul 2044 würde außerdem ein Logikmodul enthalten,
das die Strömungsraten
des Hydraulikfluids, das von der Pumpe 420 gepumpt wird,
und des Hydraulikfluids, das zum Reservoir 424 zurückgeleitet
wird, überwacht.
Steuerungssignale zum Strömungssteuerventil 2042 würden die
Rate der Strömung,
die zum Reservoir 424 zurückkehrt, gleich der Rate der
Strömung
halten, die von der Pumpe 420 gepumpt wird, und zwar in
Reaktion auf das Signal, welches das Steuerungsmodul 2044 zur
Pumpe sendet. Ein zusätzliches
Steuerungsmodul würde
die Zeit überwachen,
die zwischen Ventilbetätigungssignalen
verstreicht, die an die Ventile 426a, 426b, 428a, 428b, 2038a und 2038b übermittelt
werden, und würde
geringfügige Justierungen
am Strömungssteuerventil 2042 vornehmen,
um – auf
der Basis der Pumprate der Pumpe 420 – diese verstrichenen Zeiten
auf zuvor festgelegten Werten zu halten. Dies würde das offenkundige Steuerungsproblem überwinden,
das entsteht, wenn man nur die oben erwähnten Strömungsratenmesswerte benutzt,
um die Pumpsequenz synchron zu halten, so wie es bei der in 10B gezeigten Konfiguration vorgesehen ist.
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12 zeigt ein Geschlossenkreisschaubild für den Hydraulikantrieb 352,
der zuvor in 8 veranschaulicht wurde. Der
Geschlossenkreis-Hydraulikantrieb
enthält
einen Elektromotor 490, der eine Strömungsumkehr-Verstellpumpe 492 mit
Druckausgleich antreibt. Auch hier stellt der Elektromotor 490 den
Elektromotor 354 dar, der zuvor in 8 veranschaulicht
wurde. Die Pumpe 492 ist als in einem Hydraulikreservoir 494 mit
Druckausgleich versenkt dargestellt, aber sie kann auch außerhalb
des Reservoirs 494 angeordnet sein. Ein Pumpenelement 496 ist
an eine erste Pumpöffnung
der Pumpe 492 angeschlossen, und ein Pumpenelement 498 ist
an eine zweite Pumpöffnung
der Pumpe 492 angeschlossen. Eine Druckerhöhungspumpe 490 versorgt
die Pumpe 492 Lagerspülfluid
und Zusatzfluid.
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Während der
ersten Hälfte
eines Pumpzyklus' gibt
die Pumpe 492 Fluid an die Hydraulikarbeitskammer 502 des
Pumpenelements 496 ab und erhält gleichzeitig Fluid von der
Hydraulikarbeitskammer 504 des Pumpenelements 498.
Die Schlammkammer 506 des Pumpenelements 496 gibt
Schlamm ab, während
die Schlammkammer 508 des Pumpenelements 498 sich
mit Schlamm füllt.
Der Fluss wird für die
zweite Hälfte
des Pumpzyklus' umgekehrt,
so dass die Pumpe 492 Fluid an die Hydraulikarbeitskammer 504 des
Pumpenelements 498 abgibt, während sie Fluid von der Hydraulikarbeitskammer 502 des
Pumpenelements 496 erhält.
Die Schlammkammer 508 des Pumpenelements 498 gibt
nun Schlamm ab, während
die Schlammkammer 506 des Pumpenelements 496 mit
Schlamm gefüllt
wird.
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Die
Pumpe 492 gibt die gleiche Menge Fluid ab, wie sie erhält, so dass
es keine Volumenschwankung im Hydraulikreservoir 494 gibt.
Dadurch entfällt die
Notwendigkeit einer Volumenausgleichsvorrichtung für das Reservoir 494.
Aufgrund der Zeit, welche die Pumpe 492 für das Umkehren
ihrer Strömungsrichtung
benötigt,
kommt es vor und nach jedem Ansaughub und Ausstoßhub der Pumpenelemente zu einer
Pulsation. Das bedeutet, dass am Ansaug- und am Auslass-Ende der
Pumpenelemente möglicherweise
Pulsationsdämpfer
erforderlich sind, damit die Pumpe effizient arbeiten kann. Wie
bereits erwähnt, können der
Schlammtank 42 mit Druckausgleich oder das Riserrohr eine
Zweitfunktion als Pulsationsdämpfer
am Ansaug-Ende der Pumpenelemente übernehmen.
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Die
Unterwasser-Schlammpumpen 102 emulieren Verdrängungs-Kolbenpumpen. Kolbenpumpen,
wie auch andere Verdrängungspumpen, eignen
sich sehr gut für
das Pumpen hoch-viskoser Fluide. Bei konstanten Drehzahlen erzeugen
sie nahezu konstante Strömungsraten
und einen praktisch unbegrenzten Druckhöhenanstieg. Es versteht sich jedoch,
dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwendung von Verdrängungs-Kolbenpumpen
zum Heben des Schlamms vom Bohrloch zur Oberfläche beschränkt ist. Es können beispielsweise
auch Zentrifugalpumpen, die durch Meerwasser oder mit Strom betrieben
werden, oder eine Wasserstrahlpumpe verwendet werden. Es können außerdem auch
andere Verdrängungspumpen,
wie beispielsweise eine Schraubenpumpe oder Moyno-Pumpe, verwendet
werden.
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Ansaug-/Auslassventil
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Die
Unterwasser-Schlammpumpen 102 benötigen Ansaug- und Auslassventile,
um zu funktionieren. 13A zeigt
einen vertikalen Querschnitt durch ein Ventil 1890, das
als Ansaug- oder Auslassventil fungieren kann. Das Ventil 1890 umfasst
einen Körper 1892 und
einen Ventildeckel 1894. Der Körper 1892 weist eine
vertikale Bohrung 1896 auf. Der Ventildeckel 1894 hat
einen Flansch 1898, der auf das obere Ende des Körpers 1892 passt.
Ein metallischer Dichtring 1900 bildet eine Dichtung zwischen
dem Flansch 1898 und dem Körper 1892. Eine Dichtungsbaugruppe 1904 ist
in einer ringförmigen
Ausnehmung 1906 im Körper 1892 angeordnet
und wird von einer Einlassplatte 1908 gehalten. Die Dichtungsbaugruppe 1904 enthält einen
oberen Dichtungssitz 1910, eine elastomere Dichtung 1912 und
einen unteren Dichtungssitz 1914. Die Dichtung 1912 befindet sich
zwischen den Dichtungssitzen 1910 und 1914 und
wird durch sie gestützt.
Ein Runddichtring 1916 und Zusatzdichtringe 1918 bilden
eine Dichtung zwischen dem Körper 1892 und
den Dichtungssitzen 1910 und 1914. Der obere Dichtungssitz 1910,
die Dichtung 1912 und der untere Dichtungssitz 1914 definieren
eine Bohrung 1920, die eine strömungsmäßige Verbindung zwischen einer Öffnung 1922 in
der Einlassplatte 1908 und einer Öffnung 1926 im Körper 1892 gestattet.
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Ein
Kolben 1928 ist in der Bohrung 1896 im Körper 1892 und
in der Bohrung 1930 im Ventildeckel 1894 angeordnet
und kann sich darin bewegen. Der Aufwärtshub des Kolbens 1928 ist
durch eine Verschlussstopfbüchse 1932 am
oberen Ende des Ventildeckels 1894 begrenzt, und der Abwärtshub des Kolbens 1928 ist
durch die Dichtungsbaugruppe 1904 im Körper 1892 begrenzt.
Ein oberer Abschnitt des Kolbens 1928 enthält voneinander
beabstandete Rippen 1936, die Fluid von der Bohrung 1896 im
Körper 1892 zur
Bohrung 1930 im Ventildeckel 1894 gelangen lassen.
Ein unterer Abschnitt des Kolbens 1928 enthält eine
Dichtfläche 1942,
welche die Dichtung 1912 in Eingriff nimmt, wenn sich der
Kolben 1928 in die Bohrung 1920 hinein erstreckt.
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Eine
Betätigungsvorrichtung 1944,
die dazu dient, den Kolben 1928 im und zwischen Körper 1892 und
Ventildeckel 1894 zu bewegen, ist an der Verschlussstopfbüchse 1932 angebracht.
In der veranschaulichten Ausführungsform
enthält
die Betätigungsvorrichtung 1944 einen
Zylinder 1946, der einen Kolben 1948 beherbergt.
Der Kolben 1948 bewegt sich in dem Zylinder 1946 infolge
eines Fluiddrucks zwischen einer Öffnungskammer 1950 und
einer Schließkammer 1952.
Eine Stange 1954 verbindet den Kolben 1948 mit
einem Kolben 1928 und überträgt eine
Bewegung des Kolbens 1948 zum Kolben 1928. Die
Stange 1954 erstreckt sich durch eine Bohrung 1956 in
der Verschlussstopfbüchse 1932. Dichtungen 1958 bilden
eine Dichtung zwischen der Verschlussstopfbüchse 1932 und der
Stange 1954, dem Ventildeckel 1894 und dem Zylinder 1946 und verhindert
dadurch eine Strömungsverbindung
zwischen dem Zylinder 1946 und dem Ventildeckel 1894.
Zwischen der Stange 1954 und der Verschlussstopfbüchse 1932 sind
Abstreifer 1960 angeordnet, um die Stange 1954 abzustreifen,
während sie
sich durch die Bohrung 1956 hin und her bewegt. Die Verschlussstopfbüchse 1932 enthält durch
sie hindurch eine Abzugsöffnung 1959,
um Druck und Fluid abzulassen. Wie in 13B gezeigt,
kann ein Kolbenpositionsanzeiger 1949, der dem Membranpositionsanzeiger 2011 (in 9C gezeigt) ähnelt, vorgesehen
sein, um die Position des Kolbens 1948 im Zylinder 1946 zu
beobachten. Es können
auch andere Mittel, wie sie zuvor für das Membranpumpenelement 355 in 9C beschrieben wurden, verwendet werden, um die
Position des Kolbens 1948 im Zylinder zu beobachten.
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Wenn
das Ventil 1890 als Ansaugventil verwendet wird, so steht
die Öffnung 1926 in
dem Körper 1892 in
strömungsmäßiger Verbindung
mit der Schlammkammer des Pumpenelements, beispielsweise der Schlammkammer 372 des
Membranpumpenelements 355 (in 9A gezeigt),
und die Öffnung 1922 in
der Einlassplatte 1908 steht in strömungsmäßiger Verbindung mit dem Bohrloch-Ringraum 66 (in 1 gezeigt).
Wenn das Ventil 1890 als Auslassventil verwendet wird,
so steht die Öffnung 1922 in
strömungsmäßiger Verbindung
mit der Schlammkammer des Pumpenelements, und die Öffnung 1926 steht
in strömungsmäßiger Verbindung mit
der Schlammrücklaufleitung 56 und/oder 58 (in 1 gezeigt).
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Im
Betrieb, wenn der Kolben 1928 sich in die Bohrung 1920 hinein
erstreckt, wirkt der Fluiddruck über
dem oberen Dichtungssitz 1910 und/oder unter dem unteren
Dichtungssitz 1914 dergestalt auf die Dichtungssitze, dass
die Dichtung 1912 extrudiert wird. Die extrudierte Dichtung 1912 nimmt
die Dichtfläche 1942 des
Kolbens 1928 in Eingriff und dichtet gegen sie ab. Wenn
Fluid in die Bohrung 1896 gezogen werden soll, so wird
Hydraulikfluid mit einem Druck in die Öffnungskammer 1950 gedrückt, der
höher ist
als der Fluiddruck in der Schließkammer 1952. Dadurch
bewegen sich der Kolben 1948 und der Kolben 1928 aufwärts. Wenn
sich der Kolben 1948 nach oben bewegt, so fließt Fluid
in die Bohrung 1986. Das Fluid in der Bohrung 1896 verlässt den
Körper 1892 durch
die Öffnung 1926.
Das Fluid, das in die Öffnung 1896 eintritt,
wird auch durch die Kanäle
zwischen den voneinander beabstandeten Rippen 1936 zur Bohrung 1930 geleitet.
Dadurch wird der Druck im Körper 1892 mit
dem Druck in dem Ventildeckel 1894 ausgeglichen. Die Durchgänge zwischen
den voneinander beabstandeten Rippen 1936 sind sehr klein,
so dass Festpartikel im Fluid unter dem Kolben 1928 nicht über den
Kolben wandern.
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Wenn
kein Fluid mehr in die Bohrung 1896 fließen soll,
so wird Fluid mit einem Druck in die Schließkammer 1952 gedrückt, der
höher ist
als der Fluiddruck in der Öffnungskammer 1950.
Dadurch bewegen sich der Kolben 1948 und der Kolben 1928 abwärts. Der
Kolben 1928 bewegt sich nach unten, bis er sich wieder
in die Bohrung 1920 hinein erstreckt. Weil der Druck im
Ventildeckel 1894 und im Körper vollständig ausgeglichen ist, schließt der Kolben 1928 gegen
eine sehr geringe Differenzialkraft.
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Behandlung
von Festpartikeln
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Wenn
mit Festpartikeln gearbeitet wird, wie beispielsweise solchen, wie
sie im Schlammrücklauf vorhanden
sind, so müssen
die Ansaug- und Auslassventile sowie weitere Komponenten im Pumpsystem
solche Festpartikel verarbeiten können. Die Obergrenze für die Größe solcher
Festpartikel wird durch den Durchmesser der Schlammrücklaufleitungen
bestimmt. Es gibt somit eine Obergrenze für die Größe von Festpartikeln, die das
Pumpsystem verarbeiten kann. Allerdings dürfen nicht die Ansaug- und Auslassventile
die größenbegrenzenden
Komponenten im Pumpsystem sein. Für Fälle, wo große Formations- oder Zementbrocken
im Schlammrücklauf
mitgeführt
werden, müssen
darum unbedingt Mittel vorhanden sein, mit denen große feste
Brocken zerkleinert werden oder im Bohrloch zurückgehalten werden, bis sie
durch den Bohrstrang oder die Bohrkrone zerkleinert worden sind.
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Gesteinszerkleinerer
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14A und 14B veranschaulichen
einen Gesteinszerkleinerer 550, der an den Ansaug-Enden
der Unterwasserpupen 102 angeordnet sein kann, um große feste
Brocken zu zerkleinern. Wie in 14A gezeigt,
enthält
der Gesteinszerkleinerer 550 einen Körper 552 mit Endwänden 554 und 555 und
einer Umfangswand 556. Wie in 14B gezeigt,
sind Platten 558 und 560 in dem Körper 552 montiert.
Die Platten 558 und 560 definieren zusammen mit
den Wänden 554 und 556 eine
Zerkleinerungskammer 562 in dem Körper 552. Die Zerkleinerungskammer 562 hat
eine Zufuhröffnung 564,
die mit einer Leitung 566 verbunden ist, und eine Auslassöffnung 568,
die mit einer Leitung 570 verbunden ist. Die Leitung 566 hat
eine Einlassöffnung 569 zur Aufnahme
von Schlamm aus dem Bohrloch-Ringraum 66, und die Leitung 570 hat
eine Auslassöffnung 572 zum
Ablassen von verarbeitetem Schlamm aus der Zerkleinerungskammer 562.
Der Gesteinszerkleinerer 550 kann in die Pumpenelemente
der Unterwasserpupen 102 integriert werden, indem die Einlassöffnung 380 der
Pumpen 350 (in 8 gezeigt) mit der Öffnung 572 des
Gesteinszerkleinerers verbunden wird. Die Öffnung 569 des Gesteinszerkleinerers 550 würde dann
mit dem Strömungsauslass 125 (in 2B gezeigt) im Durchflussrohr 104 verbunden
sein.
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An
den Endwänden 554 bzw. 555 sind
Rotoren 574 und 576 (in 14A gezeigt)
angebracht. Die Rotoren 574 und 576 sind mit Wellen 578 bzw. 580 verbunden,
die sich durch die Zerkleinerungskammer 562 erstrecken.
Die Rotoren 574 und 576 drehen die Wellen 578 und 580 in
entgegengesetzter Richtung. Die Welle 578 trägt eine
Schaufelbaugruppe 582, und die Welle 580 trägt eine
Schaufelbaugruppe 584. Die Schaufelbaugruppen 582 und 584 enthalten
Schaufeln, die versetzt um ihre jeweilige Tragwelle herum angeordnet
sind. In der Zerkleinerungskammer ist ein Gitter 557 angeordnet.
Das Gitter 557 enthält
voneinander beabstandete Gitterelemente 588, die gerade
so breit sind, dass die Schaufeln der Schaufelbaugruppen 582 und 584 durch
sie hindurchpassen. Die Schaufeln sind so angeordnet, dass sie zwischen
den Gitterelementen 588 rotieren, so dass die festen Brocken
an dem Gitter 557 zerkleinert werden.
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Im
Betrieb tritt Schlamm durch die Öffnung 569 in
den Gesteinszerkleinerer 550 ein und wird durch die Öffnung 564 in
die Zerkleinerungskammer 562 weitergeleitet. Die rotierenden
Schaufelbaugruppen 582 und 584 schieben den Schlamm
zu dem festen Gitter 557 und zerkleinern gleichzeitig die
festen Brocken im Schlamm. Gesteinsbrocken, die so klein sind, dass
sie die Gitterelemente 588 des festen Gitters 557 passieren,
werden infolge der Wirkung der rotierenden Schaufeln durch die Gitterelemente 588 hindurchgedrückt. Der
Schlamm mit den kleineren Festpartikeln verlässt den Zerkleinerer 550 durch
die Öffnungen 568 und 572.
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Abscheider
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15A zeigt eine Festkörperabscheider 620,
der dazu verwendet werden kann, große feste Brocken im Schlammrücklauf auszusondern,
der vom Bohrloch-Ringraum 66 aus zu den Ansaug-Enden der
Unterwasserpumpen 102 (in 2B gezeigt)
fließt.
Der Festkörperabscheider 620 enthält ein Gefäß 622.
Der Verbinder 630 am unteren Ende des Gefäßes 622 kann
mit dem Verbinder 114 am oberen Ende des flexiblen Verbindungsstücks 94 (in 2A gezeigt) zusammenpassen. Eine mit Durchbrüchen versehene
Tonne 632 mit Reihen von Löchern 634 ist in dem
Gefäß 622 angeordnet.
Das untere Ende der Tonne 632 sitzt in einer Nut 636 in
dem Gefäß 622,
und ein komplementär
geformter Flansch 628 hält
die Tonne 632 in dem Gefäß 622 an ihrem Platz.
Zwischen dem Gefäß 622 und
der Tonne 632 ist ein Strömungskanal 638 definiert.
Es sind Öffnungen 640 vorhanden,
durch die Fluid, das in dem Strömungskanal 638 auf
genommen wurde, aus dem Gefäß 622 herausfließen kann.
Die Öffnungen 640 können mit
den Ansaug-Enden der Unterwasser-Schlammpumpen 102 (in 2B gezeigt) verbunden sein.
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Im
Betrieb tritt Schlamm aus dem Bohrloch-Ringraum durch einen Strömungskanal
im Verbinder 630 in die Tonne 632 ein und fließt durch
die Löcher 634 in
den Strömungskanal 638.
Schlamm verlässt
den Strömungskanal 638 durch
die Öffnungen 640.
Feste Brocken, die größer sind
als der Durchmesser der Löcher 634,
können
die Löcher 634 nicht
passieren und kehren in den Bohrloch-Ringraum zurück, wo sie
durch den Bohrstrang oder die Bohrkrone zerkleinert werden. Der
Abscheider 620 kann in Verbindung mit – oder anstelle von – einem Gesteinszerkleinerer 578 (in 14A und 14B gezeigt)
verwendet werden, um die Größe von Festpartikeln
im Pumpsystem zu steuern.
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Festkörperabscheider/Unterwasser-Ablenkvorrichtung
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15B zeigt eine rotierende Unterwasser-Ablenkvorrichtung 1970,
die dazu ausgebildet ist, große
feste Brocken im Schlammrücklauf
auszusondern, der vom Bohrloch-Ringraum 66 aus zu den Ansaug-Enden
der Unterwasser-Schlammpumpen 102 fließt. Die rotierende Unterwasser-Ablenkvorrichtung 1970 hat
ein Ablenkvorrichtungsgehäuse 1972,
das einen Kopf 1974 und einen Körper 1976 enthält. Der Kopf 1974 und
der Körper 1976 werden
durch eine radiale Arretierung 1977, ähnlich der radialen Arretierung 1720,
und Riegel 1979, ähnlich
den Riegeln 1722, zusammengehalten. In dem Ablenkvorrichtungsgehäuse 1972 ist
eine zurückziehbare Spindelbaugruppe 1978 angeordnet.
Die Spindelbaugruppe 1978 ähnelt der Spindelbaugruppe 1740 und
enthält ein
Spindelgehäuse 1980,
das mittels einer elastomeren Klemme 1981, ähnlich der
elastomeren Klemme 1744, an dem Körper 1976 befestigt
ist.
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Am
unteren Ende des Körpers 1976 ist
ein Abscheidergehäuse 1982 angebracht.
Das Abscheidergehäuse 1982 hat
eine Bohrung 1984 und einen Strömungsauslass 1986.
In der Bohrung 1984 ist eine mit Durchbrüchen versehene
Tonne oder ein Sieb 1988 angeordnet. Das obere Ende der
mit Durchbrüchen
versehenen Tonne 1988 ist mit dem Spindelgehäuse 1980 verbunden,
und das untere Ende der mit Durchbrüchen versehenen Tonne 1988 wird
von einer zurückziehbaren
Anschlagschulter 1990 getragen. Die Anschlagschulter 1990 kann
mittels einer hydraulischen Betätigungsvorrichtung 1994, ähnlich der
hydraulischen Betätigungsvorrichtung 1782,
in den Hohlraum 1992 in dem Abscheidergehäuse 1982 zurückgezogen
oder in die Bohrung 1984 hineingeschoben werden. Die mit
Durchbrüchen
versehene Tonne 1988 enthält Reihen von Löchern 1996,
die neben dem Strömungsauslass 1986 angeordnet
sind, wenn das untere Ende der Tonne 1988 von der Anschlagschulter 1990 getragen
wird.
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Das
untere Ende 1998 des Abscheidergehäuses 1982 und der
Riserrohrverbinder 2000 an dem Kopf 1972 ermöglichen
die Integration der rotierenden Unterwasser-Ablenkvorrichtung 1970 in
einem Bohrlochkopfschacht, beispielsweise dem Bohrlochkopfschacht 37.
Bei einer Ausführungsform
ersetzt die rotierende Unterwasser-Ablenkvorrichtung 1970 das
Durchflussrohr 104 und die Unterwasser-Ablenkvorrichtungen 106 und 108 (in 2B gezeigt) im Schlammhubmodul 40. Bei
dieser Ausführungsform
würde dann
das untere Ende 1998 des Abscheidergehäuses 1982 mit dem
Riserrohrverbinder 114 (in 2A gezeigt)
am oberen Ende des flexiblen Verbindungsstücks 94 zusammenpassen,
und der Riserrohrverbinder 2000 am Kopf 1972 kann
mit dem Riserrohrverbinder 115 (in 2C gezeigt)
am unteren Ende des Schlammtanks 42 mit Druckausgleich
oder direkt mit dem Riserrohrverbinder 262 (in 2C gezeigt) am unteren Ende des Riserrohres 52 verbunden
werden. Der Strömungsauslass 1986 in
dem Abscheidergehäuse 1982 würde dann
mit den Ansaug-Enden der Unterwasser-Schlammpumpen 102 (in 2B gezeigt) verbunden sein. Wenn der Schlammtank 42 mit
Druckausgleich weggelassen wird, wie oben beschrieben, so kann der
Strömungsauslass 1986 in
dem Abscheidergehäuse
auch mit dem Strömungsauslass 2002 im
Riserrohrverbinder 2000 verbunden werden. Auf diese Weise
kann Fluid je nach Bedarf aus dem Bohrloch-Ringraum 66 in
das Riserrohr 52 abgelenkt werden.
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Während eines
Bohrvorgangs erstreckt sich ein Bohrstrang 2004 durch die
Spindelbaugruppe 1978 und die mit Durchbrüchen versehene
Tonne 1988 in das Bohrloch hinein. Die Packer 2006 und 2008 nehmen
den Bohrstrang 1998 in Eingriff und dichten gegen ihn ab.
Schlamm im Bohrloch-Ringraum 66 fließt durch
das Einlassende des Abscheidergehäuses 1982 in die Tonne 1988,
wird aber durch die Packer 2006 und 2008 daran
gehindert, durch das Ablenkvorrichtungsgehäuse 1972 zu fließen. Der
Schlamm verlässt
die Tonne 1988 durch die Löcher 1996 und fließt durch
den Strömungsauslass 1986 im
Abscheidergehäuse 1982 in
die Ansaug-Enden der Unterwasser-Schlammpumpen 102 hinein. Feste
Brocken, die größer sind
als der Durchmesser der Löcher 1996,
können
die Löcher 1996 in den
Ansaug-Enden der Unterwasser-Schlammpumpen nicht passieren und kehren
in den Bohrloch-Ringraum zurück,
wo sie durch den Bohrstrang oder die Bohrkrone zerkleinert werden.
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Schlammzirkulationssystem
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16 zeigt ein Schlammzirkulationssystem für das zuvor
beschriebene Offshore-Bohrsystem 10. Wie gezeigt, enthält das Schlammzirkulationssystem einen
Bohrloch-Ringraum 650,
der sich vom Grund des Bohrlochs 652 zum Abstreifer 658 erstreckt.
Ein Riserrohr-Ringraum 656 erstreckt sich vom Abstreifer 658 zum
oberen Ende des Riserrohres 660. Unter dem Abstreifer 658 befindet
sich eine rotierende Ablenkvorrichtung 654 und eine nicht-rotierende Ablenkvorrichtung 661.
Die Ablenkvorrichtung 661 wird geöffnet, damit Schlamm vom Grund
des Bohrlochs 652 zur Ablenkvorrichtung 654 fließen kann.
Die Ablenkvorrichtung 661 kann geschlossen werden, wenn die
Ablenkvorrichtung 654 und der Abstreifer 658 zur Oberfläche geholt
werden.
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Eine
Leitung 662 erstreckt sich vom Bohrloch-Ringraum 650 nach
außen
und zweigt in eine Leitung 664 ab, die zum Einlass einer
Unterwasser-Schlammpumpe 670 führt. In der Leitung 664 ist ein
Gesteinszerkleinerer 665 angeordnet. Die Leitung 662 schließt sich
auch an eine Drossel-/Absperrleitung 674 an,
die zu einer Schlammrücklaufleitung 676 führt. In ähnlicher
Weise erstreckt sich eine Leitung 678 vom Bohrloch-Ringraum 650 nach
außen
und zweigt in eine Leitung 680 ab, die zum Einlass einer
Unterwasser-Schlammpumpe 686 führt. In der Leitung 680 ist
ein Gesteinszerkleinerer 681 angeordnet.
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Die
Leitung 678 schließt
sich auch an eine Drossel-/Absperrleitung 690 an,
die zu einer Schlammrücklaufleitung 692 führt. In
den Leitungen 662 und 678 befinden sich Strömungsmesser 694, um
die Rate zu messen, mit der Schlamm aus dem Bohrloch-Ringraum 650 ausfließt.
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Eine
Leitung 700 verbindet den Auslass der Unterwasser-Schlammpumpe 670 mit
der Schlammrücklaufleitung 676.
In ähnlicher
Weise verbindet eine Leitung 708 den Auslass der Unterwasser-Schlammpumpe 686 mit
der Schlammrücklaufleitung 692.
Die Leitungen 700 und 708 sind durch eine Leitung 712 miteinander
verbunden, so dass der Fluss nach Wunsch selektiv durch die Rücklaufleitungen 676 und 692 gelenkt
werden kann.
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Die
Schlammrücklaufleitungen 676 und 692 führen zu
dem (nicht gezeigten) Bohrschiff an der Oberfläche, wo sie an ein Schlammrücklaufsystem 714 angeschlossen
sind. Die Schlammrücklaufleitungen 676 und 692 können erforderlichenfalls
auch als Drossel-/Absperrleitungen verwendet werden. Die Schlammkammer 720 des
Schlammtanks 722 mit Druckausgleich ist durch eine Strömungsleitung 724 mit
dem Bohrloch-Ringraum 650 verbunden. Über die Strömungsleitung 728 wird
Meerwasser in die Meerwasserkammer 726 eingeleitet oder
aus der Meerwasserkammer 726 abgeleitet. Ein Strömungsmesser 730 in
der Strömungsleitung 728 misst
die Rate der Strömung
des Meerwassers in die Meerwasserkammer 726 hinein und
aus der Meerwasserkammer 726 heraus und liefert so die
notwendigen Daten zur Bestimmung des Schlammvolumens in der Schlammkammer 720.
Die Strömungsleitung 728 ist mit
dem Meerwasser oder optional mit einer Pumpe 731 verbunden,
die einen Druckunterschied zwischen dem Schlamm im Bohrloch-Ringraum 650 und dem
Meerwasser im Riserrohr-Ringraum 656 aufrechterhält.
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Eine
Strömungsleitung 740 ist
an einem Ende mit einem Punkt zwischen den Ring-Ausblasverhinderern 742 und 744 und
am anderen Ende mit der Drossel-/Absperrleitung 690 verbunden.
Eine Strömungsleitung 746 ist
an einem Ende mit einem Punkt unter den Blind-/Scherschiebern in
dem Schieber-Ausblasverhinderer 748 und am anderen Ende mit
der Drossel-/Absperrleitung 690 verbunden. Eine Strömungsleitung 768 ist
an einem Ende mit einem Punkt unter dem Paar Schieber-Ausblasverhinderer 750 und
am anderen Ende mit der Drossel-/Absperrleitung 690 verbunden.
Die Strömungsleitungen 740, 746 und 768 enthalten
die Ventile 764, die im geöffneten Zustand einen kontrollierten
Schlammfluss vom Bohrloch-Ringraum 650 zu der Drossel-/Absperrleitung 690 oder
von der Drossel-/Absperrleitung 690 zum Bohrloch-Ringraum 650 ermöglichen. Eine
Strömungsleitung 760 ist
an einem Ende mit einem Punkt zwischen dem Paar Schieber-Ausblasverhinderer 750 und
am anderen Ende mit den Drossel-/Absperrleitungen 674 verbunden.
Eine Strömungsleitung 766 ist
an einem Ende mit einem Punkt zwischen den Schieber-Ausblasverhinderern 748 und 750 und
am anderen Ende mit der Drossel-/Absperrleitungen 674 verbunden.
Die Strömungsleitungen 766 und 760 enthalten
die Ventile 770, die einen kontrollierten Fluss in den
Bohrloch-Ringraum 650 hinein und aus dem Bohrloch-Ringraum 650 heraus
ermöglichen.
Eine ähnliche
Verrohrungsanordnung wird auch bei anderen Kombinationen von Ausblasverhinderern
verwendet.
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Druckmesswertwandler
(a) sind strategisch positioniert, um den Schlammdruck an den Auslass-Enden
der Pumpen 670 und 686 zu messen. Druckmesswertwandler
(b) messen den Schlammdruck an den Einlass-Enden der Pumpen 670 und 686.
Druckmesswertwandler (c) messen die Drücke in den Drossel-/Absperrleitungen 674 und 690. Druckmesswertwandler
(d) messen den Druck am Einlass der Schlammkammer 720 des
Schlammtanks 722. Druckmesswertwandler (e) messen den Meerwasserdruck
in der Strömungsleitung 728.
Weitere Druckmesswertwandler sind in geeigneter Weise positioniert,
um je nach Bedarf den Meerwasser-Umgebungsdruck und den Druck im
Bohrloch-Ringraum zu
messen.
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Die
verschiedenen Umgehungs- und Absperrventile, die zur Definierung
des Strömungspfades
im Schlammzirkulationssystem benötigt
werden, sind mit den Buchstaben A bis I bezeichnet.
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Ventile
A trennen die Auslassverteiler der Unterwasserpumpen 670 und 686 von
den Schlammrücklaufleitungen 676 und 692,
wodurch die Schlammrücklaufleitungen 676 und 692 als
Drossel-/Absperrleitungen
verwendet werden können. Ventile
B trennen die Drossel-/Absperrleitungen 674 und 690 von
den Schlammrücklaufleitungen 676 und 692.
Wenn die Ventile B geschlossen sind, so kann Schlamm vom Bohrloch-Ringraum 650 durch
die Schlammrücklaufleitungen 676 und 692 zur
Oberfläche
gepumpt werden. Wenn die Ventile B offen sind und die Ventile C
geschlossen sind, so kann Schlamm von den Unterwasserpumpen 670 und 686 durch
die Drossel-/Absperrleitungen 674 und 690 in den
Bohrloch-Ringraum 650 abgelassen werden.
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Ventile
D trennen den Bohrloch-Ringraum 650 vom Einlass der Unterwasserpumpen 670 und 686.
Ventile E kann der Fluss vom Bohrloch-Ringraum 650 auf
den Meeresboden abgelassen werden. Ventile F trennen die Drossel-/Absperrleitungen 674 und 690 vom
Einlass der Unterwasserpumpen 670 und 686. Ventile
G sind Unterwasser-Drosselventile, die einen kontrollierten Schlammfluss
von den Drossel-/Absperrleitungen 674 und 690 zu
den Strömungsleitungen 662 und 678 ermöglichen.
Ventil H isoliert den Schlammtank 722 mit Druckausgleich, wenn
die Einlässe
der Unterwasser-Schlammpumpen mit Drücken arbeiten, die über dem
Nenndruck des Schlammtanks liegen, oder wenn kein Schlamm in die
Schlammkammer 720 des Schlammtanks 722 hineinfließen soll.
Ventile I trennen einzelne Pumpen von dem Rohrsystem.
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Schlamm
wird von einer Oberflächen-Schlammpumpe 716 in
die Bohrung des Bohrstrangs 774 gepumpt. Schlamm fließt durch
den Bohrstrang 774 zum Grund des Bohrlochs 652.
In dem Maße,
wie mehr Schlamm die Bohrung des Bohrstrangs 774 entlang
gepumpt wird, wird der Schlamm am Grund des Bohrlochs 652 im
Bohrloch-Ringraum 650 nach oben zur Ablenkvorrichtung 654 hin
gedrückt.
Die Ventile 764 und 770 geschlossen, damit kein
Schlamm in die Drossel-/Absperrleitungen 674 und 690 hinein
fließt.
Die Absperrventile A, C, D, I und H sind offen. Die Absperrventile
B, E und F sind geschlossen. Dadurch kann der Schlamm im Bohrloch-Ringraum 650 zu
den Einlässen
der Unterwasserpumpen 670 und 686 gelenkt werden.
Die Unterwasserpumpen 670 und 686 erhalten den Schlamm
vom Bohrloch-Ringraum 650 und geben ihn mit einem höheren Druck
in die Schlammrücklaufleitungen 676 und 692 hinein ab.
Die Schlammrücklaufleitungen 676 und 692 transportieren
den Schlamm zum Schlammrücklaufsystem 714.
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Im
Schlammtank 722 bewegt sich ein Schwimmerkolben 780,
der die Schlammkammer 720 von der Meerwasserkammer 726 trennt,
in Reaktion auf einen Druckunterschied zwischen den Kammern 720 und 726.
Der Kolben 780 befindet sich in einer Gleichgewichtsstellung
in dem Schlammtank 722, wenn der Druck in der Meerwasserkammer 726 im
Wesentlichen gleich dem Druck in der Schlammkammer 720 ist.
Wenn der Schlammdruck am Einlass der Schlammkammer 720 den
Druck in der Meerwasserkammer 726 übersteigt, so bewegt sich der
Kolben aus der Gleichgewichtsstellung heraus nach oben, um Meerwasser
aus der Meerwasserkammer 726 herauszudrücken, während gleichzeitig Schlamm
in die Schlammkammer 720 einströmen kann. Wenn der Druck in
der Schlammkammer 720 unter den Druck in der Meerwasserkammer 726 abfällt, so
bewegt sich der Kolben aus der Gleichgewichtsstellung heraus nach
unten, um Schlamm aus der Schlammkammer 720 herauszudrücken, während gleichzeitig
Meerwasser in die Meerwasserkammer 726 einströmen kann.
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Während der
Schlammzirkulation wird das Volumen der Unterwasserpumpen 670 und 686,
die für
die Erhöhung
des Drucks der Rücklaufschlammsäule verantwortlich
sind, so gesteuert, dass ein nahezu konstanter Druckgradient im
Bohrloch-Ringraum 650 aufrechterhalten bleibt. Alternativ
können die
Unterwasserpumpen 670 und 686 auch so gesteuert
werden, dass der Schlamm-Füllstand
im Schlammtank 722 beibehalten bleibt, d. h. dass der Kolben 780 in
einer Gleichgewichtsstellung im Schlammtank 722 gehalten
wird. Die Strömungsraten,
die von den Strömungsmessern 730 gemessen werden,
können
als Steuerungs-Sollwertpunkte verwendet werden, um die Pumpraten
der Unterwasserpumpen zu justieren.
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Das
in 16 gezeigte Schlammzirkulationssystem stellt ein
Gradientensystem mit zwei Schlammdichten bereit, das aus der Schlammsäule, die
sich vom Grund des Bohrlochs 652 zur Schlammgrenze oder
zum Ansaugpunkt der Unterwasserpumpen 670 und 686 erstreckt,
und dem Meerwasserdruck, der an der Schlammgrenze mittels der Unterwasser-Schlammpumpen 670 und 686 aufrecht
erhalten wird, um den Rücklaufschlammsäulendruck zu
erhöhen,
besteht. 17 vergleicht dieses Gradientensystem
mit zwei Schlammdichten mit einem Gradientensystem mit einer einzigen
Schlammdichte für
den Fall eines 15.000 Fuß tiefen
Bohrlochs in einer Wassertiefe von 5.000 Fuß. Es sind Schlammdrucklinien
für das
Gradientensystem mit einer einzigen Dichte für Schlammgewichte von 10 Pfund/Gallone
bis 18 Pfund/Gallone gezeigt. Das Gewicht des Meerwassers (oder
des Schlamms) oberhalb der Schlammgrenze beträgt für das Gradientensystem mit
zwei Schlammdichten 8,56 Pfund/Gallone, während das Gewicht des Schlamms
unterhalb der Schlammgrenze 13,5 Pfund/Gallone beträgt.
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Die
Drucklinien für
das Gradientensystem mit einer einzigen Dichte beginnen bei 0 psi
an der Wasseroberfläche
und erhöhen
sich linear bis zum Grund des Bohrlochs. Um mit einem Gradientensystem
mit einer einzigen Schlammdichte einen Schlammdruck zu erreichen,
der dem Formationsporendruck an der Schlammgrenze gleicht, müsste das Schlammgewicht-
ungefähr
8,56 Pfund/Gallone betragen. Ein Schlammgewicht von 8,56 Pfund/Gallone stellt
aber gegenüber
den Formationsporendrücken einen
Unterausgleich dar. Um einen Überausgleich der
Formationsporendrücke
zu bewirken, benötigt man
ein Schlammgewicht von über
8,56 Pfund/Gallone. Wie gezeigt, führen höhere Schlammgewichte zu Schlammdrücken, welche
die Bruchgradienten für große Längen des
Bohrlochs übersteigen.
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Im
Gegensatz zum Gradientensystem mit einer einzigen Schlammdichte
hat das erfindungsgemäße Gradientensystem
mit zwei Schlammdichten einen Meerwassergradienten oberhalb der Schlammgrenze
und einen Schlammgradienten, der besser an die natürlichen
Porendrücke
der Formation angepasst ist. Das ist möglich, weil die Unterwasserpumpen 670 und 686 den
Rücklaufleitungsschlammsäulendruck
erhöhen,
um im Bohrloch einen Druck aufrecht zu erhalten, der einem Meerwasserdruck
an der Schlammgrenze in Kombination mit einem Schlammgradienten
im Bohrloch entspricht. Weil die duale Dichte Formationsdrücke über-ausgleicht, ohne
die Bruchgradienten für
große
Längen
des Bohrlochs zu übersteigen,
wird die Anzahl von Futterrohrsträngen, die für das Vollenden des Bohrlochs benötigt werden,
minimiert. In dem gezeigten Beispiel kreuzt die Drucklinie für den Abschnitt
mit hoher Dichte der Drucklinie für das erfindungsgemäße Gradientensystem
mit zwei Schlammdichten die Nulltiefenachse bei -1.284 psi.
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Freier Fall
des Schlamms
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Während des
Bohrvorgangs ist es hin und wieder erforderlich, Verbindungen im
Bohrstrang aufzubrechen. Vor dem Aufbrechen einer Verbindung wird
die Oberflächenpumpe 716 (in 16 gezeigt) angehalten. Die Schlammsäule im Bohrstrang übt einen
größeren hydrostatischen
Druck aus als die Summe des hydrostatischen Drucks der Schlammsäule im Bohrloch-Ringraum 650 und
der Meerwassersäule
im Riserrohr-Ringraum 656.
Wenn die Oberflächenpumpe 716 angehalten
wird, so fällt Schlamm
frei vom Bohrstrang in das Bohrloch, bis der hydrostatische Druck
der Schlammsäule
im Bohrstrang mit den hydrostatischen Drücken der Schlammsäule im Bohrloch-Ringraum
und der Meerwassersäule
im Riserrohr-Ringraum ausgeglichen ist. Wenn der Schlamm den Bohrstrang
nicht verlassen kann, indem der Schlammtank abgesperrt wird oder
indem der Schlamm nicht herausgepumpt wird, so entsteht am Bohrlochgrund
ein übermäßig hoher Druck,
der zum Brechen der Formation führen
kann.
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Das
Phänomen
des freien Falls des Schlamms tritt normalerweise während der Schlammzirkulation
nicht auf, weil zwischen dem Schlamm, der in den Bohrstrang 774 hinein
gepumpt wird, und dem Schlamm, der aus dem Bohrloch-Ringraum 650 heraus
gepumpt wird, ein Gleichgewicht gewahrt wird. Wenn Schlamm im Bohrstrang 774 frei fällt, so
wird der überschüssige Schlamm,
der in den Bohrloch-Ringraum 650 fällt, zur Schlammkammer 720 des
Schlammtanks 722 und/oder zu den Einlässen der Unterwasserpumpen 670 und 686 abgelenkt. Die
Unterwasserpumpen arbeiten in dem Maße langsamer, wie der freie
Fall des Schlamms im Bohrstrang nachlässt.
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Wenn
der Bohrstrang zur Oberfläche
gezogen wird, so wird das Bohrloch 652 mit einem Schlammvolumen
gefüllt,
das dem Volumen des aus dem Bohrloch herausgezogenen Bohrstrangs
entspricht. Das Füllen
des Bohrlochs 652 mit Schlamm gewährleistet den richtigen hydrostatischen
Druck der Schlammsäule,
um die Kontrolle über
das Bohrloch zu behalten. Der Schlamm, der das Bohrloch 652 füllt, kann
aus der Schlammkammer 720 des Schlammtanks 722 kommen.
Das Volumen des Schlamms, der das Bohrloch füllt, wird anhand der Strömungsraten,
die der Strömungsmesser 730 misst,
oder anhand der Ablesewerte von einem Kolbenpositionsanzeiger für den Kolben 780 ermittelt. Wenn
das Schlammvolumen, welches das Bohrloch füllt, geringer ist als das Volumen
des Bohrstrangs, so kann es im Bohrloch zu einem Rückstoßen gekommen
sein; und es. müssen
geeignete Maßnahmen
ergriffen werden. wenn der Schlammfüllstand im Schlammtank 722 niedrig
wird, während
das Bohrloch 650 mit Schlamm gefüllt wird, so wird die Oberflächenpumpe 716 angeworfen,
um Schlamm durch die Rücklaufleitung 676 und/oder 692 und
die Drossel-/Absperrleitung 690 in
den Schlammtank 722 zu pumpen. Wenn Schlamm in den Schlammtank 722 gepumpt
wird, sind die Ventile B, C, F und H offen, und die Ventile A, D
und I sind geschlossen.
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Wenn
der Bohrstrang in das Bohrloch hineingeführt wird, so kann Schlamm gepumpt
werden, um den Bohrstrang teilweise zu füllen. Während der Bohrstrang zum Bohrlochgrund
hinabgelassen wird, wird ein Schlammvolumen gleich dem Volumen des Bohrstrangs
in den Schlammtank 722 gedrückt oder wird durch die Unterwasserpumpen 670 und 686 aus dem
Bohrloch 650 herausgepumpt. Das Volumen des Schlamms, der
in den Schlammtank 722 hineinfließt oder aus dem Bohrloch 650 herausgepumpt wird,
wird gemessen und aufgezeichnet, um zu gewährleisten, dass das aus dem
Bohrloch 650 verdrängte
Schlammvolumen gleich dem Volumen des Bohrstrangs ist. Wenn das
verdrängte
Schlammvolumen geringer ist als das Volumen des Bohrstrangs, so
ist möglicherweise
Schlamm in die Formation gesickert, und es müssen geeignete Maßnahmen
ergriffen werden. Wenn der Schlammtank 722 sich nahezu
gefüllt
hat, während
der Bohrstrang in das Bohrloch eingeführt wird, so werden die Unterwasserpumpen 670 und 686 angeworfen,
um Schlamm aus dem Schlammtank 722 zum Schlammrücklaufsystem 714 zu
pumpen.
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Ein
Bohrloch kann zurückstoßen, während gebohrt
oder Schlamm zirkuliert wird oder während ein Bohrstrang aus dem
Bohrloch herausgezogen wird. Während
des Bohrens und der Schlammzirkulation wird ein Einfließen von
Formationsfluid zuerst angezeigt, wenn ein Druckanstieg im Bohrloch 650 erkannt
wird. Weitere Anzeichen des Einfließens von Formationsfluid können sein:
eine erhöhte
Strömungsrate,
die von den Unterwasser-Strömungsmessern 694 gemessen
werden; plötzliche
große
Volumenzunahmen in der Schlammkammer 720 des Schlammtanks 722;
und große
Volumenzunahmen im Schlammrücklaufsystem,
wenn die Pumpleistung der Unterwasserpumpen 670 und 686 zunimmt. Wenn
ein Einfließen
von Formationsfluid erkannt wird, so werden die Unterwasserpumpen 670 und 686 so
gesteuert, dass sie den Meerwasserdruck zuzüglich einer Bohrlochkontroll-Sicherheitstoleranz
im Bohrloch aufrechterhalten. Der Bohrlochkontrollrand wird anhand
eines Druckintegritätstests
(DIT) ermittelt. Ein DIT wird in der Regel durchgeführt, nachdem ein
neues Futterrohr in das Bohrloch eingeführt und darin einzementiert
wurde, um einen unbedenklichen maximalen Bohrlochdruck herzustellen,
der nicht zum Brechen der Formation führt.
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Wenn
der Druck im Bohrloch auf Meerwasserdruck zuzüglich einer Bohrlochkontroll-Sicherheitstoleranz
gehalten wird, so wird der Ring-Ausblasverhinderer 742 geschlossen,
und das Ventil 764 in der Strömungsleitung 740 wird
geöffnet.
Das Ventil H wird geschlossen, um den Schlammtank 722 von dem
Schlammzirkulationssystem zu trennen, und die Oberflächenschlammpumpe 776 wird
in Vorbereitung darauf angeworfen, eingeströmtes Formationsfluid aus dem
Bohrloch herauszuzirkulieren. Wenn eingeströmtes Formationsfluid aus dem
Bohrloch herauszirkuliert wird, so wird Schlamm über den Bohrstrang in den Bohrloch-Ringraum 650 mit
einer konstanten, zuvor festgelegten Sperrrate hineingepumpt, während die
Drehzahl der Unterwasserpumpen 670 und 686 so
eingestellt wird, dass der erforderliche Rückstau auf den Rücklaufschlammstrom beibehalten
bleibt. Die Druckmesswertwandler (a) an den Auslass-Enden der Unterwasserpumpen 670 und 686 liefern
dem Mengenregler-Bediener an der Oberfläche sofortige Druckwerte des
Pumpenauslassdrucks. Der Mengenregler-Bediener stellt eine oder mehrere Oberflächen-Mengenregler so ein, dass
der Fluss von den Rücklaufleitungen
zur Oberfläche
gesteuert wird und dass große
Schwankungen beim Rückstaudruck
an der Unterwasserpumpe vermieden werden.
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Im
Fall eines Rückstoßes oder
des Einströmens
von Formationsfluid, während
der Bohrstrang aus dem Bohrloch herausgezogen wird, wird das Bohrloch
statisch abgeschlossen, indem ein oder mehrere Ausblasverhinderer
geschlossen werden. Dies verhindert, dass das in das Bohrloch einströmende Formationsfluid
zum Bohrschiff auf der Wasseroberfläche gelangt. Der statische
Futterrohrdruck (SICP), der statische Bohrrohrdruck (SIDP) und der Volumenzuwachs
werden aufgezeichnet. Dann wird der Bohrstrang zum Grund des Bohrlochs
geführt, während ein
konstanter Grundlochdruck aufrechterhalten wird, indem das richtige
Schlammvolumen in den Schlammtank 722 abgelassen wird.
Der Bohrstrang wird zuerst in das Bohrloch geführt, ohne dass Schlamm aus
dem Bohrloch abgelassen wird, bis der Futterrohrdruck auf den SICP
zuzüglich
eines Sicherheitsfaktors, beispielsweise 100 psi; ansteigt und der Bohrstrangpenetrationsdruck
zunimmt. Der Bohrstrangpenetrationsdruckanstieg ist der Ringdruck, der
aus einer Gasblasenverlängerung
resultiert, wenn der Bohrstrang in sie eindringt. Dann werden die
Unterwasserventile 764 und 770 geöffnet, um Schlamm
durch die Mengenregler G in die Schlammkammer 720 des Schlammtanks 722 abzulassen.
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In
dem Maße,
wie der Bohrstrang weiter in das Bohrloch geführt wird, wird Schlamm aus
dem Bohrloch in exakt dosierten Mengen abgelassen, um das Volumen
des Bohrstrangs, der in das Bohrloch eingeführt wird, auszugleichen. Ein
Kolbenpositionsanzeiger, der dazu verwendet wird, die Position des Kolbens
im Schlammtank zu beobachten, oder die Strömungsmesser 730 liefern
die Informationen zur exakten Messung des Ablassvolumens. Es kann
zusätzlicher
Schlamm aus dem Bohrloch abgelassen werden, um eine Gasausdehnung
zu ermöglichen, wenn
eine Gasblase durch das Bohrloch nach oben perkoliert. Ein kontrolliertes
Ablassen von Schlamm aus dem Bohrloch ermöglicht es, den richtigen Bohrlochdruck
am geschlossenen Ausblasverhinderer aufrecht zu erhalten, so dass
weder zusätzliches
Fluid einströmt
noch Zirkulationsverluste eintreten. Wenn die Schlammkammer 720 des
Schlammtanks 722 voll ist, so wird der Einführvorgang
vorübergehend
gestoppt, und der Schlammfüllstand
im Schlammtank wird verringert, indem Schlamm mittels der Unterwasser-Schlammpumpen
aus dem Schlammtank zur Oberfläche
gepumpt wird. Wenn der Bohrstrang zum Grund des Bohrlochs geführt ist, wird
ein Absperrvorgang eingeleitet, um das einströmende Formationsfluid herauszuzirkulieren.
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Das
erfindungsgemäße Schlammhubsystem gestattet
die Vornahme von Überausgleichsänderungen
durch vorübergehendes
Schließen
des Ventils H zum Schlammtank 722 und Einstellen der Drehzahl der
Unterwasserpumpen 670 und 686 zum Steuern des
Schlammhub-Verstärkungsdrucks.
Ein Überausgleich
ist die Differenz zwischen dem Formationsporendruck und dem Schlammsäulendruck,
wobei der Formationsporendruck höher
ist als der Schlammsäulendruck.
Bei dem Schlammhubsystem empfiehlt es sich, beim Ein- und Ausbauen
des Bohrgestänges eine
Schlammdichte zu verwenden, die hoch genug ist, um einen hydrostatischen
Druck zu erzeugen, der weit über
den Formationsporendrücken
liegt, und anschließend
den Unterwasserverstärkungsdruck
so einzustellen, dass mit einem Unterausgleich oder einem minimalen Überausgleich
gebohrt wird, was die Bohrrate erhöht und Formationsbeschädigungen
verringert. Das Schlammhubsystem stützt sich darauf, dass die rotierende
Ablenkvorrichtung 654 und/oder die nicht-rotierende Ablenkvorrichtung 661 den Druck
halten. Es kann auch ein rotierender Ausblasverhinderer verwendet
werden, um den Druck zu halten.
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Die
Erfindung eignet sich ebenso für
Arbeiten in flachem Wasser und an Land, wo das Schlammhubsystem
den Druck von einer Tiefe unter der Oberfläche dergestalt erhöht, dass
ein Gradientensystem mit zwei Schlammdichten entsteht, wodurch der Überausgleich
durch Änderungen
des Verstärkungsdrucks
des Schlammhubsystems justiert werden kann. Beispielsweise können ein
Schlammhubsystem und eine externe Rücklaufleitung außen an einem
Futterrohrstrang befestigt werden, wenn der Futterrohrstrang in
das Bohrloch eingeführt
ist. Wenn dann der Bohrvorgang unterhalb des Futterrohrstrangs wieder.
auf genommen wird, kann Schlamm aus der unter der Oberfläche liegenden Tiefe
des Schlammhubsystems durch die Rücklaufleitung nach oben zur
Oberfläche
gepumpt werden, wodurch der Überausgleich
verringert wird, um die Bohrrate zu erhöhen und Formationsbeschädigungen
zu verringern.
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Bohrstrangventil
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Die 18, 19A und 19B veranschaulichen ein Bohrstrangventil 880,
das in einem Bohrstrang angeordnet werden kann, um zu verhindern,
dass Schlamm im Bohrstrang frei fällt. Das Bohrstrangventil 880 enthält einen
länglichen
Körper 882 mit
einem oberen Ende 884 und einem unteren Ende 886.
Am oberen Ende 884 ist eine Gewindeaufnahme 888 ausgebildet,
und am unteren Ende 886 ist ein Gewindestift 890 ausgebildet.
Die Gewindeaufnahme 888 und der Stift 890 ermöglichen
den Einbau des Ventils in den Bohrstrang.
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Der
Körper
enthält
ein vorstehendes Element 892, das eine Öffnung 894 zur Aufnahme
eines druckbetätigten
Durchflussmengenreglers 896 definiert. In 19A und 19B sind
vergrößerte Ansichten
des Durchflussmengenreglers 896 im offenen bzw. geschlossenen Zustand
gezeigt. Der Durchflussmengenregler 896 enthält einen
Strömungskegel 898 und
eine Strömungsmessdüse 900,
die in dem Strömungskegel 898 angeordnet
ist. Die Strömungsmessdüse 900 hat
mehrere Öffnungen 902, die
in diametral gegenüberliegenden
Paaren entlang des Umfangs der Düse 900 angeordnet
sind. In der geschlossenen Position des Ventils sind die Öffnungen 902 durch
den Strömungskegel 898 bedeckt.
Am oberen Ende der Strömungsmessdüse 900 befindet sich
ein Rückschlagventil 906,
das einen Fluss aus dem Bohrloch-Ringraum in den Bohrstrang hinein gestatten
kann, wenn der Bohrlochdruck ausreicht, den hydrostatischen Druck
der Schlammsäule
im Bohrstrang zu überwinden.
Das Rückschlagventil 906 kann
durch ein Blindrohr ersetzt werden, so dass es zu keinem Fluss aus
dem Bohrloch-Ringraum in den Bohrstrang hinein kommt. Der Strömungskegel 898 kann
innerhalb der Öffnung 894 des
vorstehenden Elements 892 gleiten und enthält dynamische Dichtungen 908,
die eine Abdichtung zwischen dem vorstehenden Element 892 und
der Strömungsmessdüse 900 herstellen.
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Ein
Strömungsrohr 910,
das am unteren Ende der Strömungsmessdüse 900 ausgebildet
ist, erstreckt sich zum unteren Ende des Körpers 882. Das untere
Ende 912 des Strömungsrohres 910 ist am
unteren Ende des Körpers 882 befestigt.
Der Außendurchmesser
des Strömungsrohres 910 ist
größer als
der Außendurchmesser
der Strömungsmessdüse 900,
wodurch ein Hub-Endanschlag für
den Strömungskegel 898 gebildet
wird, wenn sich der Strömungskegel 898 axial
in dem Körper 882 hin
und her bewegt.
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Die
Innenwand 916 des Körpers 882 und
die Außenwand 918 des
Strömungsrohres 910 definieren
eine ringförmige Federkammer 920.
Die Federkammer 920 ist an der Oberseite mittels der dynamischen
Dichtungen 908 am Strömungskegel 898 abgedichtet.
Der Körper 882 enthält eine
oder mehrere Öffnungen 924,
die eine strömungsmäßige Verbindung
zwischen dem Bohrloch-Ringraum und der Federkammer 920 herstellen.
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In
der Federkammer 920 befindet sich eine Feder 930.
Ein Ende der Feder 930 stützt sich an einer Anschlagleiste 932 ab,
und das andere Ende der Feder 930 stützt sich am unteren Ende 886 des
Körpers 882 ab.
Die Anschlagleiste 932 ist am unteren Ende des Strömungskegel 898 angebracht.
Die Feder 930 ist auf einen zuvor festgelegten Wert vorkomprimiert
und so angeordnet, dass sie die Anschlagleiste 932 dergestalt
nach oben vorspannt, dass diese das vorstehende Element 892 berührt. Wenn
die Anschlagleiste 932 das vorstehende Element 892 berührt, werden
die Durchflussöffnungen 902 vollständig durch
den Strömungskegel 898 geschlossen.
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Im
Betrieb kann das Ventil 880 in einem Bohrstrang oder am
oberen Ende einer Bohrkrone angeordnet sein. Wenn Schlamm in der
Bohrung des Bohrstrangs entlang zum Durchflussmengenreglers 896 gepumpt
wird, so wirkt auf das obere Ende des Strömungskegels 898 der
Schlammdruck im Bohrstrang ein, während auf das untere Ende des
Strömungskegels 898 die
Feder 930 und der Bohrlochringraumdruck in der Federkammer 920 einwirkt.
Wenn ein genügender
Druckunterschied auf den Strömungskegel 898 einwirkt,
so beginnt der Strömungskegel 898,
sich abwärts
zu bewegen, und gibt dabei die Öffnungen 902 frei.
So, wie die Öffnungen 902 geöffnet werden,
strömt
Schlamm in die Strömungsmessdüse 900 und
in das Durchflussrohr 910. Der Schlamm, der in das Durchflussrohr 910 eintritt, strömt durch
die Bohrkronendüsen
in den Bohrloch-Ringraum.
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Mit
zunehmender Strömungsrate
im Bohrstrang nimmt der Druckunterschied zu, der auf den Strömungskegel
einwirkt, und der Strömungskegel 898 wird
weiter abwärts
bewegt, wodurch die freie Durchflussfläche der Öffnungen 902 vergrößert wird. Die
Durchflussfläche
der Öffnungen 902 erreicht
ihr Maximum, wenn die Anschlagleiste das obere Ende des Durchflussrohres 910 berührt, wie
in 19b gezeigt. Wenn die Oberflächen-Schlammpumpe
abgeschaltet wird, nimmt der Druckunterschied ab, der auf den Strömungskegel 898 einwirkt,
wodurch der Strömungskegel 898 sich
aufwärts
bewegen kann, um dabei die Öffnungen 902 zu
schließen.
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Wenn
der Bohrstrang mit dem Ventil 880 aus dem Bohrloch herausgezogen
wird, so verhindert das Ventil 880, dass Schlamm aus dem
Bohrstrang heraustropft. Ein (nicht gezeigtes) nadel- oder kugelbetätigtes Ablassventil
kann im Bohrstrang installiert sein und kann so betätigt werden,
dass der Bohrstrang ablaufen kann, wenn er aus dem Bohrloch gezogen
wird. Alternativ kann auch ein (nicht gezeigter) Schlammkasten an
der Oberfläche
installiert sein, um Schlamm aus dem Bohrstrang aufzufangen, wenn
der Bohrstrang zur Oberfläche
gezogen wird. So, wie der Bohrstrang aus dem Bohrloch gezogen wird,
strömt
Schlamm in das Bohrloch nach, wie zuvor beschrieben, um die Kontrolle über das
Bohrloch zu behalten.
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In
der Besprechung des Hydraulikantriebs für die Unterwasser-Schlammpumpen
wurde erwähnt,
dass der Ansaugdruck der Pumpenelemente auf Meerwasserdruck gehalten
wird. Es kann jedoch zweckmäßig sein,
den Bohrlochringraumdruck am Ansaugpunkt der Pumpenelemente unter
den Meerwasserdruck zu senken. Wie in 20A gezeigt, werden – nachdem
die Futterrohre in die Flachwasserformationen eingebracht sind – die Bruchdruckgradienten
und Porendruckgradienten am besten durch einen Schlammsäulengradienten
in Kombination mit einem Ringraum- oder Schlammgrenzendruck, der sich
vom Meerwasserdruck unterscheidet, überschnitten. Die Hinzufügung einer
Druckerhöhungspumpe
zum Erzeugen des erforderlichen Druckunterschieds zum Füllen der
Pumpe mit Schlamm ist eine Möglichkeit,
diesen geringeren Ringraumdruck zu erzeugen. 20B zeigt
die Hinzufügung
einer Schlammladepumpe 2050, die von einem separaten Elektromotor 2052 angetrieben
wird. Die Pumpe 2050 würde
den geringeren Ringraumdruck zu einem höheren Druck verstärken, der
ausreicht, die Unterwasser-Schlammpumpen
zu betreiben.
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Ein
weiteres Verfahren zur effektiven Erhöhung des Druckunterschieds
zwischen den Schlammkammern der Pumpenelemente, beispielsweise den
Schlammkammern 2020a und 2022a, und ihren jeweiligen
Hydraulikarbeitskammern, d. h. den Hydraulikarbeitskammern 2020b und 2022b,
besteht darin, eine Druckerhöhungspumpe 2054,
wie in 20C gezeigt, hinzuzufügen, die
Fluid aus den Hydraulikkammern absaugt und es in das Reservoir 424 abgibt.
Dies senkt effektiv den Hydraulikdruck in den Hydraulikarbeitskammern,
wenn die entsprechenden Hydrauliksteuerventile einen Strömungspfad
zwischen den Hydraulikarbeitskammern und der Ansaugstelle der Druckerhöhungspumpe 2054 öffnen. Der
Druck des Schlamms, der in die Schlammkammern fließt, kann
um den Betrag des Verstärkungsdrucks
gesenkt werden, der von der Druckerhöhungspumpe 2054 erzeugt
wird. Das Ergebnis des Absenkens des Ringraum- oder Schlammgrenzendrucks
unter den Meerwasserdruck, wie in 20A veranschaulicht,
ist ein Zweigradientensystem mit einem Abschnitt mit einem niedrigen
Gradienten, der durch einen Schlammgrenzendruck (S) definiert wird. In
dem gezeigten Beispiel ist der Schlammgrenzendruck (S) ungefähr 1.000
psi geringer als der Meerwasserdruck (T) an der Schlammgrenze. Der
Meerwasserdruck an der Schlammgrenze wird durch die eine oder mehreren
Ablenkvorrichtungen gegen die einen geringeren Druck aufweisende
Schlammsäule abgedichtet.
Rotierende Ausblasverhinderer, die von beiden Richtungen her abdichten,
können
ebenfalls verwendet werden, um den Meerwasserdruck an der Schlammgrenze
abzudichten.
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Weitere Ausführungsformen
des Offshore-Bohrsystems
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21 veranschaulicht ein weiteres Offshore-Bohrsystem 950,
das einen Bohrlochkopfschacht 952 enthält, der auf einem Bohrlochkopf 953 auf
einem Meeresboden 954 montiert ist. Der Bohrlochkopfschacht 952 enthält eine
Bohrlochkontrollbaugruppe 955 und einen Schlammtank 960 mit Druckausgleich.
Der Bohrlochkopfschacht 952 ist lösbar über ein Unterwasser-Riserrohr 964 mit
dem Bohrschiff 956 verbunden. Ein Bohrstrang 966,
der von einer Bohranlage 968 auf dem Bohrschiff 956 getragen
wird, erstreckt sich über
den Bohrlochkopfschacht 952 in das Bohrloch 972 hinein.
Das Bohrsystem 950 enthält
ein Schlammhubmodul 972, das auf dem Meeresboden 954 montiert
ist. Das Schlammhubmodul 972 ist über eine Ansaugversorgungsleitung 974 mit
dem Bohrloch-Ringraum 973 verbunden. Das Schlammhubmodul 972 ist
des Weiteren über
Auslassversorgungsleitungen 980 und 981 mit den
Schlammrücklaufleitungen 976 und 978 verbunden.
Strom- und Steuerleitungen
zum Schlammhubmodul 972 können in die Versorgungsleitungen
integriert sein oder durch separate Versorgungsleitungen getragen
werden.
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Wie
in 22A gezeigt, enthält die Bohrlochkontrollbaugruppe 955 einen
Unterwasser-Ausblasverhinderungsschacht 958 und
ein unteres Unterwasser-Riserpaket (UURP) 959. Der Unterwasser-Ausblasverhinderungsschacht 958 enthält Schieber-Ausblasverhinderer 982 und 984.
Das UURP 959 enthält
Ring-Ausblasverhinderer 986 und 988 und ein flexibles
Verbindungsstück 989.
An dem Ring-Ausblasverhinderer 988 ist ein Durchflussrohr 990 angebracht.
Das Durchflussrohr 990 hat Durchflussöffnungen 922, die über einen
Strömungskanal in
der Ansaugversorgungsleitung 974 mit den Ansaug-Enden der
Unterwasserpumpen verbunden sind. Eine Ablenkvorrichtung 996 ist
an dem Durchflussrohr 990 angebracht, und eine Ablenkvorrichtung 998 ist
an der Ablenkvorrichtung 996 angebracht. Die Ablenkvorrichtung 996 kann
eine nicht-rotierende Ablenkvorrichtung sein, ähnlich den nicht-rotierenden
Ablenkvorrichtungen, die in den 4A bis 4C gezeigt
sind. Wie in 22B gezeigt, enthält der Schlammtank 960 mit
Druckausgleich, der dem Schlammtank 42 ähnelt, einen Verbinder 1000,
der so konfiguriert ist, dass er mit dem Verbinder 1002 an
der Ablenkvorrichtung 998 zusammenpasst. Der Schlammtank 960 enthält des Weiteren
einen Verbinder 1004, der mit einem Riserrohrverbinder 1006 am
unteren Ende des Unterwasser-Riserrohres 96 zusammenpasst.
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Bis
hierher wurde die Erfindung im Kontext eines Unterwasser-Riserrohres
beschrieben, das einen Bohrlochkopfschacht auf dem Meeresboden mit einem
Bohrschiff auf einem Gewässer
verbindet. Die Erfindung eignet sich aber ebenso für riserrohrlose Bohrkonfigurationen. 23 veranschaulicht ein riserrohrlose Bohrsystem 1100 mit
einem Bohrlochkopfschacht 1102, der auf einem Bohrlochkopf 1104 auf
einem Meeresboden 1106 montiert ist. Der Bohrlochkopfschacht 1102 enthält eine
Bohrlochkontrollbaugruppe 1108, ein Schlammhubmodul 1110 und einen
Schlammtank 1112 mit Druckausgleich. Ein Bohrstrang 1114 erstreckt
sich von einer Bohranlage 1115 auf einem Bohrschiff 1116 über den
Bohrlochkopfschacht 1102 in das Bohrloch 1120 hinein.
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Ein
Rücklaufleitungssystem 1122 verbinden ein
(nicht gezeigtes) Schlammrücklaufsystem
auf dem Bohrschiff 1116 mit den Auslass-Enden von (nicht
gezeigten) Unterwasser-Schlammpumpen
im Schlammhubmodul 1110. Das Rücklaufleitungssystem 1122 stellt
des Weiteren eine Verbindung für
Hydraulik- und Stromversorgung und – steuerung zwischen dem Bohrlochkopfschacht 1102 und
dem Bohrschiff 1116 bereit. Das Rücklaufleitungssystem 1122 enthält eine
untere Versorgungsleitung 1124, einen Arretierungsverbinder 1126,
ein Rücklaufleitungs-Riserrohr 1128,
eine Boje 1130 und eine obere Versorgungsleitung 1132.
Schlamm, der von den (nicht gezeigten) Unterwasser-Schlammpumpen
des Schlammhubmoduls 1110 ausgestoßen wird, fließt durch
die untere Versorgungsleitung 1124, den Arretierungsverbinder 1126,
das Rücklaufleitungs-Riserrohr 1128 und
die obere Versorgungsleitung 1132 in das Schlammrücklaufsystem
auf dem Bohrschiff 1116. Das Rücklaufleitungs-Riserrohr 1128 wird durch
die Boje 1130 vertikal im Wasser gehalten.
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24A und 24B zeigen
die Komponenten der Bohrlochkontrollbaugruppe 1108, die
zuvor in 23 veranschaulicht wurde. Wie
gezeigt, enthält
die Bohrlochkontrollbaugruppe 1108 Schieber-Ausblasverhinderer 1136 und 1138 und Ring-Ausblasverhinderer 1140 und 1142.
Auf dem Ring-Ausblasverhinderer 1140 ist
ein Durchflussrohr 1144 montiert. Eine nicht-rotierende
Ablenkvorrichtung 1145 ist an dem Durchflussrohr 1144 montiert, und
eine rotierende Ablenkvorrichtung 1146 ist an der Ablenkvorrichtung 1145 montiert.
Die Ablenkvorrichtung 1145 kann eine der Ablenkvorrichtungen
sein, die in den 3A und 3B gezeigt
sind. Die Ablenkvorrichtung 1146 kann eine der Ablenkvorrichtungen
sein, die in den 4A bis 4C gezeigt sind.
Das Schlammhubmodul 1110 enthält Unterwasser-Schlammpumpen 1148 mit
Ansaug-Enden, die über
Strömungskanäle 1149 in
der unteren Versorgungsleitung 1124 mit dem Rücklaufleitungs-Riserrohr 1128 verbunden
sind.
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Der
Schlammtank 1112 enthält
einen Verbinder 1150, der so konfiguriert ist, dass er
mit einem ähnlichen
Verbinder 1152 an der Ablenkvorrichtung 1146 zusammenpasst.
Der Schlammtank 1112 ähnelt
dem Schlammtank 42. Ein Abstreifer 1154 am Schlammtank 42 enthält ein Abstreifelement ähnlich dem
Abstreifelement 234 (in 5 gezeigt),
das eine Niederdruckabdichtung gegen einen Bohrstrang darstellt,
der in der Bohrung des Schlammtanks aufgenommen ist. Ein Führungstrichter 1156 an
der Oberseite des Abstreifers 1154 hilft dabei, Bohrwerkzeuge vom
Bohrschiff 1116 in das Bohrloch 1120 zu führen.
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25 zeigt einen vertikalen Querschnitt durch das
Rücklaufleitungs-Riserrohr 1128,
das zuvor in 23 veranschaulicht wurde. Wie
gezeigt, enthält
das Rücklaufleitungs-Riserrohr 1128 eine
erste Rücklaufleitung 1160 und
eine zweite Rücklaufleitung 1162,
die in einer Tragekonstruktion 1164 angeordnet sind. Die
Tragekonstruktion 1164 enthält ein Paar vertikal voneinander
beabstandeter Platten 1166, die durch Zugstangen 1168 zusammengehalten
werden. Die Platten haben aufeinander ausgerichtete Öffnungen
zur Aufnahme der Rücklaufleitungen 1160 und 1162.
Die Platten haben des Weiteren eine Öffnung zur Aufnahme einer Hydraulikfluidleitung 1170.
Die Hydraulikfluidleitung 1170 versorgt den Bohrlochkopfschacht 1102 mit
Hydraulikfluid.
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Ein
Auftriebsmodul 1172 umgibt die Tragekonstruktion 1164,
die Rücklaufleitungen 1160 und 1162 und
die Hydraulikfluidleitung 1170. In dem Auftriebsmodul 1172 befinden
sich Stromkabel 1174. Die Stromkabel 1174 versorgen
die Komponenten im Schlammhubmodul 1110 mit Strom. Die
Rücklaufleitungen 1160 und 1162,
die Hydraulikfluidleitung 1170 und die Stromkabel 1174 sind über den
Arretierungsverbinder 1126 (siehe 23)
mit dem Bohrlochkopfschacht 1102 verbunden. Das Auftriebsmodul 1172 ist
so dargestellt, dass es sich entlang eines oberen Abschnitts der
Rücklaufleitungen 1160 und 1162 erstreckt.
Es versteht sich, dass das Auftriebsmodul die Rücklaufleitungen 1160 und 1162,
einschließlich
der Hydraulikfluidleitung 1170 und der Stromkabel 1174,
vollständig
umschließen
kann.
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26 zeigt ein alternatives Rücklaufleitungs-Riserrohr 1180,
das anstelle des Rücklaufleitungs-Riserrohres 1128,
das in 25 veranschaulicht ist, verwendet
werden kann. Das Rücklaufleitungs-Riserrohr 1180 enthält eine
Rücklaufleitung 1182 mit
einer Flanschkonstruktion 1184, die an ihrem oberen Ende
angebracht ist. Die Flanschkonstruktion 1184 enthält eine Öffnung 1186 zur
Aufnahme einer zweiten Rücklaufleitung 1188 und
eine Öffnung 1189 zur
Aufnahme einer Hydraulikzufuhrleitung 1190. Die Rücklaufleitungen 1182 und 1188,
die Hydraulikzufuhrleitung 1190 und die Stromkabel 1192 sind
in einem Auftriebsmodul 1194 untergebracht. Das Auftriebsmodul 1194 kann
sich über
einen Abschnitt längs
der Rücklaufleitungen
erstrecken oder die Rücklaufleitungen
vollständig
umschließen.
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Während für die Rücklaufleitungs-Riserrohre 1128 und 1180 zwei
Rücklaufleitungen
gezeigt sind, versteht es sich, dass auch eine einzelne Rücklaufleitung
oder mehr als zwei Rücklaufleitungen
verwendet werden können.
Es können
auch mehr als zwei Stromkabel und mehr als eine einzelne Hydraulikzufuhrleitung
in das Rücklaufleitungs-Riserrohrsystem integriert
sein. Das Rücklaufleitungs-Riserrohrsystem 1122 sollte
vom Bohrlochkopfschacht 1102 weit genug entfernt sein,
um zu vermeiden, dass sich das Rücklaufleitungs-Riserrohr 1128 und
der Bohrstrang 1114 gegenseitig behindern.
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27 veranschaulicht ein weiteres Offshore-Bohrsystem 1200,
das einen Bohrlochkopfschacht 1202 enthält, der an einem Bohrlochkopf 1204 auf
einem Meeresboden 1206 montiert ist. Der Bohrlochkopfschacht
enthält
eine Bohrlochkontrollbaugruppe 1208 und einen Schlammtank 1210 mit Druckausgleich.
Ein Bohrstrang 1212, der von einer Bohranlage 1214 auf
einem Bohrschiff 1216 getragen wird, erstreckt sich über den
Bohrlochkopfschacht 1202 in ein Bohrloch 1218 hinein.
Das Bohrsystem enthält
ein Schlammhubmodul 1220, das auf dem Meeresboden 1206 montiert
ist. Das Schlammhubmodul ist über
Ansaugversorgungsleitungen mit dem Bohrloch-Ringraum verbunden.
Das Schlammhubmodul ist des Weiteren über Auslassversorgungsleitungen
mit einem Rücklaufleitungs-Riserrohrsystem verbunden, ähnlich dem
Rücklaufleitungs-Riserrohrsystem 1122,
wie in 23 gezeigt.
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28 veranschaulicht ein weiteres Offshore-Bohrsystem 1300,
das einen Bohrlochkopfschacht 1302 enthält, der auf einem Bohrlochkopf 1303 auf
einem Meeresboden 1304 angeordnet ist. Der Bohrlochkopfschacht 1302 enthält eine
Bohrlochkontrollbaugruppe 1308, einen Schlammtank 1310 mit
Druckausgleich und einen Bohrlochkopf 1312. Ein Bohrstrang 1314,
der von einer Bohranlage 1316 auf dem Bohrschiff 1306 getragen
wird, erstreckt sich in das Bohrloch 1318 hinein. Das Bohrsystem 1306 enthält ein Schlammhubmodul 1320, das
auf dem Meeresboden 1304 montiert ist. Das Schlammhubmodul 1320 ist über Ansaugversorgungsleitungen 1324 mit
dem Bohrloch-Ringraum 1322 verbunden.
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Ein
Rücklaufleitungs-Riserrohrsystem 1326 erstreckt
sich von dem Schlammhubmodul 1328 zum Bohrschiff 1306.
Das Rücklaufleitungs-Riserrohrsystem 1326 enthält ein Rücklaufleitungs-Riserrohr 1330,
eine Boje 1332 und eine obere Versorgungsleitung 1334.
Die Auslass-Enden der Unterwasserpumpen 1336 sind mit dem
unteren Ende des Rücklaufleitungs-Riserrohres 1330 verbunden.
Die obere Versorgungsleitung 1334 verbindet das obere Ende
des Rücklaufleitungs-Riserrohres 1330 mit
einem (nicht gezeigten) Schlammrücklaufsystem
auf dem Bohrschiff 1306. Die Boje 1332 ist so
angeordnet, dass sie das Rücklaufleitungs-Riserrohr 1330 in
einer vertikalen Position hält.
Das Rücklaufleitungs-Riserrohr 1330 sollte
vom Bohrstrang 1314 weit genug entfernt sein, so dass keine
gegenseitigen Behinderungen entstehen.
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Wie
in 29 gezeigt, enthält die Bohrlochkontrollbaugruppe 1308 Schieber-Ausblasverhinderer 1336 und 1338 sowie
Ring-Ausblasverhinderer 1340 und 1342.
Auf dem Ring-Ausblasverhinderer 1342 ist
ein Durchflussrohr 1344 montiert. Das Durchflussrohr 1344 hat
einen Auslass 1350, der über eine Leitung 1324 mit
den Ansaug-Enden der Unterwasser-Schlammpumpen 1352 des
Schlammhubmoduls 1328 verbunden ist. Die Auslass-Enden der
Unterwasser-Schlammpumpen 1352 sind
mit Rücklaufleitungen 1354 und
1356 im Rücklaufleitungs-Riserrohr 1330 verbunden.
Eine nicht-rotierende Ablenkvorrichtung 1346 ist an dem
Durchflussrohr 1344 montiert, und eine rotierende Ablenkvorrichtung 1348 ist
an der Ablenkvorrichtung 1346 montiert. Die Ablenkvorrichtungen 1346 und 1348 sind
dafür konfiguriert,
dass sie den Fluss vom Bohrloch-Ringraum zur
Durchflussleitung 1324 ablenken.
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30 veranschaulicht ein Flachwasserbohrsystem 1450,
das dafür
verwendet werden kann, einen Anfangsabschnitt eines Bohrlochs zu
bohren. Das Flachwasserbohrsystem 1450 enthält eine Durchflussbaugruppe 1452,
die auf einem Führungsgehäuse 1454 montiert
ist. Das Führungsgehäuse 1454 ist
am oberen Ende eines Führungsfutterrohres 1455 befestigt,
das sich in ein Bohrloch 1456 im Meeresboden 1457 hinein
erstreckt. Die Durchflussbaugruppe 1452 enthält eine
rotierende Ablenkvorrichtung 1458, die auf einem Durchflussrohr 1460 montiert
ist. Das Durchflussrohr 1460 ist durch den Verbinder 1462 mit
dem Führungsgehäuse 1454 verbunden.
An Auslässen 1465 des
Durchflussrohres 1460 sind Strömungsmesser 1464 angebracht.
Am Auslass der Strömungsmesser 1464 sind
Ventile 1466 angebracht, und am Auslass der Ventile 1466 sind verstellbare
Mengenregler 1468 angebracht.
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Die
rotierende Ablenkvorrichtung 1458 kann eine der rotierenden
Ablenkvorrichtungen sein, die in den 4A bis 4C gezeigt
sind. Eine nicht-rotierende Ablenkvorrichtung, wie beispielsweise
eine der Ablenkvorrichtungen, die in den 3A und 3B gezeigt
sind, kann ebenfalls zwischen der rotierenden Ablenkvorrichtung 1458 und
dem Verbinder 1462 angeordnet sein. Die Ablenkvorrichtung 1458 ist
so konfiguriert, dass sie Bohrfluid, bei dem es sich um Meerwasser
handeln kann, vom Bohrloch-Ringraum 1470 zu den Auslässen 1465 des
Durchflussrohres 1460 ablenkt.
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Ein
Bohrstrang 1474 erstreckt sich von einem (nicht gezeigten)
Bohrschiff an der Oberfläche zum
Bohrloch 1456. Während
des Bohrens steigt das Bohrfluid, das in den Bohrstrang 1474 hineingepumpt wird,
im Bohrloch- Ringraum 1470 nach
oben zu den Auslässen 1465 des
Durchflussrohres 1460. Das Fluid verlässt die Auslässe 1465 und
tritt in die Strömungsmesser 1464 ein.
Die Strömungsmesser 1464 sind
beispielsweise Strömungsmesser
vom Vollbohrungstyp ohne Strömungsbehinderung.
Fluid verlässt die
Strömungsmesser 1464 und
tritt in die Ventile 1466 ein. Die Ventile 1466 sperren
den Strömungskanal
ab. Fluid verlässt
die Ventile 1466 und tritt in die Mengenregler 1468 ein.
Das in die Mengenregler 1468 eintretende Fluid wird auf
den Meeresboden abgelassen.
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Der
Mengenregler 1468 ähnelt
dem Schlammsparventil, das im US-Patent Nr. 5,339,864, das auf die
Hydril Company übertragen
wurde, beschrieben ist. Die Mengenregler 1468 sind ein
Mittel zum Regeln des Strömungswiderstandes
und ermöglichen
so die Steuerung des Rückstaudrucks
im Bohrloch-Ringraum 1470. Dadurch ist es möglich, mit
leichteren Bohrfluiden, wie beispielsweise Meerwasser, zu bohren
und gleichzeitig einen ausreichenden Druck auf die Formation auszuüben, um
dem Einfließen
von Formationsfluiden in das Bohrloch zu widerstehen.
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Ein
Druckmesswertwandler 1500 misst den Fluiddruck im Bohrloch-Ringraum 1470.
Der Druckmesswertwandler 1500 wird durch ein ferngesteuertes
Fahrzeug (FGF) 1502 über
die Steuerleitung 1510 überwacht.
Die Steuerleitungen 1504, 1506 und 1508 verbinden
die Strömungsmesser 1464,
die Ventile 1466 bzw. die Mengenregler 1468 mit
dem FGF 1502. Das FGF 1502 überwacht die Strömungsraten
in den Strömungsmessern 1464 und
bedient die Ventile 1466 und die Mengenregler 1468.
Die Messwerte von den Strömungsmessern 1464 und dem
Druckmesswertwandler 1500 dienen als Steuerungs-Sollwertpunkte
zum Justieren der Mengenregler 1468.
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Das
Bohrsystem 1450 stellt ein Gradientensystem mit zwei Bohrfluiddichten
bereit, das aus der Bohrfluidsäule,
die sich vom Grund des Bohrlochs zur Schlammgrenze oder zum Meeresboden
erstreckt, und dem Rückstaudruck,
der an der Schlammgrenze mittels der Mengenregler, die dem Regeln
des Ablassflusses dienen, aufrecht erhalten wird, besteht. 31 vergleicht dieses Gradientensystem mit zwei
Bohrfluiddichten mit einem Gradientensystem mit einer einzigen Bohrfluiddichte
für den Fall
eines Bohrlochs in einer Wassertiefe von 5.000 Fuß. Wie gezeigt,
hat das Aufrechterhalten eines Rückstaudrucks
an der Schlammgrenze den Effekt, dass die Schlammdruckgrenze im
Bohrloch nach rechts verschoben wird. Diese verschobene Schlammdruckgrenze
passt besser zum Porendruck- und Bruchgradienten der Formation.
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32 zeigt ein Schlammzirkulationssystem für ein Bohrsystem,
das ein Schlammhubmodul, beispielsweise ein Schlammhubmodul 1651,
mit einer Durchflussbaugruppe, beispielsweise der Durchflussbaugruppe 1652 (in 30 gezeigt), enthält. Ein Bohrloch-Ringraum 1658 erstreckt
sich vom Grund des Bohrlochs 1660 zur Ablenkvorrichtung 1662. Eine
Leitung 1664 erstreckt sich vom Bohrloch-Ringraum 1658 nach
außen
und zweigt zu den Durchflussleitungen 1668 und 1670 ab.
Das Ventil 1686 in der Leitung 1664 kann geöffnet werden,
damit Fluid über
die Leitung 1664 aus dem Bohrloch fließen kann, oder es kann geschlossen
werden, damit kein Fluid über
die Leitung 1664 aus dem Bohrloch fließen kann. Der Strömungsmesser 1686 misst
die Rate, mit der Fluid aus der Durchflussbaugruppe 1652 ausfließt.
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Die
Durchflussleitung 1668 verläuft zu den Ansaug-Enden der
Unterwasserpumpen 1672 und 1674. Absperrventile 1692 und 1693 dienen
erforderlichenfalls dem Abtrennen der Pumpen 1672 und 1674 vom
Rohrsystem. Eine Durchflussleitung 1670 verläuft zur
Schlammkammer 1676 des Schlammtanks 1656. Eine
Durchflussleitung 1680 ermöglicht die Zufuhr oder das
Abziehen von Meerwasser zur bzw. aus der Meerwasserkammer 1678.
Eine in der Durchflussleitung 1680 angeordnete Pumpe 1682 kann
dazu verwendet werden, den Druck in der Meerwasserkammer 1678,
auf, über
oder unter dem Meerwasser-Umgebungsdruck zu halten. Der Strömungsmesser 1684 misst
die Rate, mit der Meerwasser in die oder aus der Meerwasserkammer
ein- bzw. ausfließt.
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Ein
Bohrstrang 1700 erstreckt sich über die Durchflussbaugruppe 1652 in
das Bohrloch 1660. Der Bohrstrang 1700 transportiert
Bohrfluid von der Schlammpumpe 1698 zum Bohrloch-Ringraum 1658.
Die Auslass-Enden der Unterwasser-Schlammpumpen 1672 und 1674 sind
mit einer Rücklaufleitung 1694 verbunden,
die zum Schlammrücklaufsystem 1696 führt.
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Im
Betrieb tritt Fluid, das in der Bohrung des Bohrstrangs 1700 entlang
gepumpt wurde, in das Bohrloch 1660 ein und steigt im Bohrloch-Ringraum 66 nach
oben. Das Fluid im Bohrloch-Ringraum tritt in die Durchflussleitung 1664 ein
und fließt
durch das Ventil 1686, den Strömungsmesser 1688 und
das Ventil 1690 in das Ansaug-Ende der Unterwasserpumpen 1672 und 1674.
Der Fluiddruck wird in die Rücklaufleitung 1694 abgelassen,
und die Rücklaufleitung 1694 transportiert
das Fluid zum Schlammrücklaufsystem
an der Oberfläche.
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Die
Pumpraten der Unterwasserpumpen 1672 und 1674 werden
so gesteuert, dass der gewünschte
Rückstaudruck
im Bohrloch 1660 aufrechterhalten wird. Der Rückstaudruck
kann so eingestellt werden, dass ein ausgeglichener, ein unterausgeglichener
oder ein überausgeglichener
Bohrzustand entsteht.
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Obgleich
die Erfindung anhand einer begrenzten Anzahl Ausführungsformen
beschrieben wurde, fallen dem Fachmann zahlreiche Variationen von
dieser Erfindung ein, ohne dass der erfindungsgemäße Gedanke
und der Geltungsbereich der Erfindung verlassen werden. In den Rahmen
der angehängten
Ansprüche
fallen alle derartigen Modifikationen und Variationen, die dem Durchschnittsfachmann
einfallen.