NO122006B - - Google Patents

Description

Anordning ved boreutstyr for boring under vann.

Denne oppfinnelse vedrører anordning ved utstyr for boring i jordformasjoner under vann, særlig under dypt, åpent vann,

såsom under havet. Spesielt angår oppfinnelsen en sådan anordning for anvendelse for fullførelse av en brønn for å hindre bøyning og knekning av et forlenget rør mellom havbunnen og en boreplattform ved havoverflaten.

I de senere år er det blitt ønskelig under visse omsten-digheter å foreta boreoperasjoner under vann fra et flytende far-tøy i stedet for fra en stiv konstruksjon eller en plattform som er understøttet på havbunnen. Under sådanne operasjoner er far-tøyet undertiden forbundet med brønnhullet i bunnen over en lang rørformet del, gjennom hvilken brønnbearbeidelsesverktøy, borevæske etc. passerer mellom fartøyet og brønnhullet. Denne lange

rørformede del kalles ofte. en undervann- eller stigeledning.

Ved en fremgangsmåte ved boring under vann er stigeledningens nedre ende forbundet med et brønnhode som omfatter utblås-ningshindrere og styreutstyr, mens den øvre ende er forbundet med borefartøyet. Brønnhodet er utført for stasjonær anbringelse på havbunnen. På den annen side beveger borefartøyet seg kontinuerlig under virkningen av tidevann, strømmer, bølger og vind. Fartøyets bevegelse blir noe motvirket ved forankring og ved spesielle feste-systemer. De voldsomme og stadig skiftende krefter som virker på fartøyet vil imidlertid ofte forskyve det sideveis fra sin stilling over brønnhullet i avstander som overstiger 4 % av vanndybden. Vertikale løftebevegelser som følge av bølgevirkning kan ventes i tillegg til den forholdsvis saktere vertikale bevegelse som skyldes tidevannet. Disse løftebevegelser kan være ganske store. En god-tatt metode for å muliggjøre den relative side- og vertikalbeveg-else mellom fartøyet og brønnhodet består i at der anbringes sideveis bøyelige ledd og teleskopiske ledd i stigeledningen. Dette tillater stigeledningen å tilpasse seg fartøyets bevegelse innenfor bestemte grenser.

Ved boreoperasjoner på dypt vann har det vist seg at selve stigeledningen har tendens til å krumme eller bøye seg mellom de bøyelige ledd, og denne bøyning er ofte så stor at den har resultert i konstruksjonssvikt i stigeledningssøylen. Selv om der ikke oppstår noen svikt, er bøyning uønsket hvis den resulterer i en skarp vinkel i stigeledningen på et hvilket som helst punkt av dens lengde, hvilket bevirker vanskeligheter med passeringen av bo-rrør, brønnforingsrør etc. Dette problem er særlig akutt når det bøyelige eller universale ledd må være inkludert i stigeledningen nær dens nedre ende for å muliggjøre fartøyets bevegelse. Da bøy-ningsmomenter ikke overføres over sådanne ledd, søker enhver bøy-ning av stigeledningen å frembringe en skarp vinkel ved dette ledd. Når der f.eks. anvendes et kuleledd, gjør en vinkel større enn fem grader ved leddet det meget vanskelig å føre borstrengen gjennom leddet. Tendensen mot vinkelstilling ved det nedre universalledd aksentueres' ved fartøybevegelse sideveis fra dets stilling over brønnhodet.

Når åraskene til den ekstreme sidebøyning av stigeledningen analyseres, er det riktig å betrakte stigeledningen som en lang rørformet søyle. Når der bores på dypt vann blir lengden av denne søyle så stor sammenlignet med treghetsmomentet av dens tverrsnittsareal at stigeledningen faktisk ikke har noen søyle-stivhet.. Enhver aksial sammentrykning eller sidekrefter vil der-' for forårsake sterk krumning eller bøyning av stigeledningen.

Hvis stigeledningen bare er understøttet ved sin nedre ende, vil dens egen effektive vekt, dvs. dens vekt i vann, bevirke at den vil være aksialt sammentrykket stigende fra null ved den øvre ende til maksimum ved den nedre understøttelse. Når der bores under dypt vann, vil trykkspenningen i stigeledningen fra denne kilde alene være tilstrekkelig til å knekke stigeledningen. Friksjonen i det teleskopiske ledd under fartøyets vertikale bevegelse mot havbunnen, såvelsom bore- eller brønnbearbeidelsesverktøy som kan festne seg til eller bli understøttet av stigeledningen når de føres ned gjennom denne, bevirker et tillegg til trykkspenningen på stigeledningens vegg og øker derved bøyningen av stigeledningen.

I tillegg til knekk-virkningen som følge av de ovennevnte aksiale trykkrefter som frembringer en samlet trykkspenning i stigeledningens vegg, har strøm- og bølgekrefter som virker på tvers av stigeledningens lengde, tendens til å bøye stigeledningen. Skjønt bølgekreftene avtar logaritsmisk med dybden under overflaten, har nylige undervannsmålinger vist at de rekker dypt nok ned til å utgjøre en vesentlig faktor ved bøyning av stigeledningen. Også sterke strømkrefter er blitt konstatert i vesentlige dybder. I det følgende vil for enkelhets skyld disse strøm- og bølgekrefter bli omtalt som "omgivende krefter". Det bemerkes at de, da de virker generelt på tvers av stigeledningens lengde, ikke vil frembringe noen netto aksial sammenpresning i stigeledningsveggen ved noe tverrsnitt, men frembringe en strekk-kraft i en diametrisk halv-del av snittet som er lik og motsatt trykk-kraften i den annen halv-del.

Typen og størrelsen av de forskjellige krefter, såsom de ovenfor diskuterte, som frembringer netto aksial sammentrykning i stigeledningens vegg, såvelsom de omgivende krefter som virker generelt på tvers av stigeledningens lengde, varierer under forskjellige driftsbetingelser. Ekspertene erkjenner tilstede-værelsen av disse krefter og har søkt å overvinne deres virkning ved å påtrykke"en tilstrekkelig aksial spenning på stigeledningen til å utjevne vekten av den og til å motvirke bøyning frembragt ved de tverrgående omgivende krefter.

I vanndybder opp til omkring 76 m har tilfredsstillende resultater vanligvis vært oppnådd ved tilførsel av spenning bare tilstrekkelig til å kompensere for de typer av krefter som er omtalt ovenfor. I større dybder inntreffer imidlertid fremdeles knekking og overdreven bøyning når denne metode anvendes. Den mang-lende mulighet for å bestemme årsaken til dette har resultert i store økonomiske tap.

Det er nå blitt konstatert at knekking som gjentatte ganger har oppstått ved dypvanns stigeledninger skyldes den høye egen-vekt av borefluidet i stigeledningen. Skjønt forskjellen i egen-vekt mellom borefluidet og det omgivende sjøvann ikke forårsaker at en netto trykkspenning påføres direkte på stigeledningen, har den tross dette en knekkingsvirkning på ledningen. Beviset for dette, både analytisk og eksperimentelt, vil bli omhandlet nedenfor i den detaljerte beskrivelse av oppfinnelsen..

Det vil også bli bevist at der ved en lang stigeledning som overfører tett borefluidum, kan kompenseres for denne virkning ved at stigeledningen, i tillegg til strekk-kreftene, for å kompensere for de aksiale trykk-krefter som virker direkte på stigeledningen og de tverrgående omgivende krefter, påtrykkes en ekstra strekk-kraft av en størrelse som beregnet i overensstemmelse med formler som er utviklet i denne beskrivelse for å utligne bøynings-virkningen av det tette borefluidum.

Når der bores under på dypt vann blir størrelsen av de strekk-krefter som kreves for å oppnå de ønskede resultater, overordentlig, store. Anordningen ifølge oppfinnelsen kan tilføre rela-tivt store strekk-krefter til stigeledningen på en sådan måte at den tilførte strekk-kraft blir konstant uten hensyn til bevegelsen av fartøyet i forhold til brønnhodet. Den store oppådrettede kraft tilføres stigeledningen ved anordningen ifølge oppfinnelsen på en sådan måte at den oppådrettede kraft vil bli fordelt i tilfelle av konstruksjonssvikt i stigeledningen. Denne vil derfor ikke bli skutt opp av vannet og derved sette personalet i fare. Anordningen ifølge oppfinnelsen gjør det også mulig for personalet på borefar-tøyet å foreta innstilling av størrelsen av den kraft som påtrykkes stigeledningen når driftsbetingelsene og størrelsen av den kraft som kreves, varierer.

Nærmere bestemt angår oppfinnelsen en anordning ved boreutstyr for boring under vann, omfattende en rørledning som består av et nedre røravsnitt som er teleskopisk forbundet med et øvre røravsnitt,. av hvilke røravsnitt det nedre rager ned i vannet og er festet aksialt til sjøbunnen, og den øvre ende av det øvre rørav-snitt ved hjelp av innretninger er festet til en flytende plattform for aksial bevegelse i forhold til det nedre røravsnitt, og det sær-egne ved oppfinnelsen er angitt i de etterfølgende krav.

Virknnngen og fordelene ved oppfinnelsen vil fremgå av

følgende detaljerte beskrivelse under henvisning til tegningene, på hvilke fig*.\1 viser et sideriss av anordningen i drif tstilling, fig. 2 viser et forstørret riss av deler av fig. 1, fig. 2a viser et alternativt arrangement for den nedre ende av stigeledningen, fig. 3 viser et skjematisk diagram av virkningen av aksial sammentrykking av en bjelkeseksjon og fig. 4 viser en skjematisk illustrasjon av virkningen av aksialsammentrykking av en begrenset væske; fig. 5 viser et sideriss, delvis i snitt, av strekkanordningen og kardanopphengningen for den øvre ende av stigeledningen, fig. 6 viser et planriss av kardanopphengningen ifølge fig. 5, fig. 7 viser et snitt etter linjen 7-7, fig. 6, og fig. 8 viser et sideriss sva-rende til fig. 5 av en endret utførelse av strekkanordningen og endeopphengningen. ;Fig. 1 og 2 viser et fartøy 1 som flyter på havoverflaten 2 og har en vertikal åpning 3 gjennom skroget nær fartøyets langsgående og tverrgående midte. På fartøyets øvre dekk h, tilnærmet sentrert over åpningen 3, er der understøttet en derrikk-konstruksjon 5 som understøtter den øvre ende av et borrør 8 ved en vandre-blokk 9 og svivel 10. Derrikk-konstruksjonen og meget av det der-med forbundne utstyr er av en type som vanligvis brukes ved boring under vann og er ikke vist i detalj. Tilnærmet sentrert i derrik-kens underdel finnes en bæreplattform 6 og et roterbart bord 7. Borrøret.:. 8 passerer vertikalt gjennom på linje liggende åpninger i plattformen og det roterbare bord 7 på vanlig måte. Ankere forbundet med ankerkjettinger 12 og 13 begrenser fartøyets bevegelse fra dets normale stilling over brønnen. ;Et brønnhode 20 er anbragt på det sted på bunnen 11,;hvor hullet er boret. Brønnhodet omfatter en underdel 21 og over hverandre anbragte utblåsingshindrere 22 og 23 som er løsbart forbundet med underdelen ved koblingen 24. Et antall brønnféringsrør 2 7 og 2 8 rager ut under brønnhodet og ned i brønnen. Minst to før-ings søyler 2 5 og 2 6 rager vertikalt ned fra adskilte punkter nær underdelens 21 omkrets. Føringsliner 29 og 30 som forløper fra føringssøylene 25 og 26 til fartøyet 1, brukes til å lede utstyr ;når det senkes, fra fartøyet ned til brønnhodet.. Disse føringsliner løper opp gjennom åpningen 3 i bunnen av fartøyet,, over skiver 31 og 32, og er ved sine øvre ender forbundet med strammeanordninger,. såsom vinsjer 33 hhv. 34 med konstant stramning. Disse vinsjer holder føringslinene stramme på tross av relativ bevegelse mellom fartøyet 1 og brønnhodet 20. Føringsarmer 35 og 36 er rettet utad fra koblingen 24 og omfatter føringshylser nær sine ytre ender. Etter at underdelen 21 med sine føringssøyler 25 og 26 og førings-linene 29 og 30 er bragt på plass, kan utblåsingshindringsmonter-ingen som omfatter koblingen 24, senkes fra fartøyet med en førings-line som passerer gjennom hver føringshylse for å anbringe monter-ingen som vist. Koblingen og utblåsingshindrerne kan fjernstyres fra fartøyet ved trykkvæske fra ledningene 37, 38 og 39 som for-løper til fartøyet gjennom rørledningen 40. Eventuelt kan ståltau som løper langs stigeledningen, anvendes for manøvrering. ;Med brønnhodet på plass på sjøbunnen kan stigeledningen senkes for å forbinde fartøyet med brønnhodet. Denne stigeledning er ved sin nedre ende løsbart forhundet med brønnhodet ved en kobling 4 5 og ved sin øvre ende forbundet med fartøyet på en måte som vil bli beskrevet nedenfor. Stigeledningen omfatter et kuleledd 48 nær sin nedre ende for å redusere den torsjonsspenning som over-føres til brønnhodet når fartøyet flytter seg sideveis fra sin stilling over brønnen under virkning av vind, tidevann, bølger og strømmer. Den tunge kobling 4 5 henger under det universale kuleledd 48. Føringsarmen 46 og 47 er arrangert langs en linje som forrykker kulens 48 vertikale senterlinje, således at forbindelsen med koblingen 45 sikres og er>uavhengig av stigeledningens skrå-stilling. ;Hvis utblåsingshihdrermonteringen skal senkes på plass samtidig som stigeledningen, kan føringsarmene 35 og 36 sløyfes. ;Den vesentligste del av stigeledningen består av en rekke forlengede, rørformede deler 51, som er forbundet over koblingene 52 for å forløpe fra det teleskopiske ledd 50 til kuleleddet 48. Borevæske av høy spesifikk vekt mates til brønnen fra en pumpe på fartøyet. Borevæsken føres gjennom en bøyelig slange 5 5 ned gjennom en passasje i borrørets akse og ut ved borspissen 56 ved bunnen av borehullet. Borevæsken føres tilbake til forrådet ved å passere oppad, rundt yttersiden av borrøet, gjennom brønnféringsrørene 28 og 27, gjennom brønnhodet 20 og deretter opp gjennom stigeledningen. Borevæsken returneres til slamsysternet på fartøyet gjennom røret 57 som er bøyelig forbundet med stigeledningen nær dennes øvre ende. ;Som nevnt ovenfor er det blitt fastslått at borevæskens tetthet søker å bringe stigeledningen til å bøye seg. En analyse av fenomenet åpenbarer at den aksiale kraft som følge av væsketrykk i et sylindrisk rør har nøyaktig den samme virkning på sideavbøy-ning, eller knekking som er lik den aksiale trykk-kraft i rørveggen. Dette kan demonstreres ved løsning av den differensialligning som vanligvis anvendes ved beregning av bøyning og knekking av en bjelke som følge av aksiale belastninger, hvorved det er blitt påvist at bøyningsvirkningen er den samme enten en gitt aksial kraft påtrykkes i den innvendige væske eller i rørveggen. De følgende tegn-systemer vil bli brukt ved denne utledning: ;X er avstanden langs bjelkens akse i cm fra den nærmeste understøt-telse, A X er lengden i cm av en liten forøkelse av bjelken, Y er sideavbøyningen av bjelken i cm, A9 er en liten vinkel langs buen av en svakt buet bjelke i radianer, q er sidekraft pr. lengdeenhet av bjelken i kg/cm, F er aksial trykk-kraft i kg og R er radius av buen av den bøyde bjelke i cm. ; som er å finne i lærebøker, f.eks. Timoshenko, Strength of Materials, 2nd ed. Vol, 1, s. 135 (1940). ;Den fundamentale avbøyningsligning er:; ; som også ér vist i Timoshenko, s. 137.;På fig. 3 er 80 den ubøyde stilling av bjelkedelens 81 akse. Aksen er blitt bøyet til stillingen 82 under de aksiale trykk-krefter F. ;A e Den vertikale komponent av kreftene F er 2F sin(-y-) som for små vinkler er FAG. Da q er definert som sidekraften, er lengdeenheten av bjelken ; Følgelig er Kombineres ligningene (1), (2) og (4), fåes Integreres denne ligning to ganger og forutsettes hengs-lede ender (moment = 0 ved hver ende), fåes ; Dette er den velkjente differensiallinging for beregning av den aksiale bøyekraft for en bjelke (se Timoshenko, Vol 2, s. 25). ;Det bemerkes at denne derivering ikke inneholder noen formodning om at bjelken er massiv, og hvis den er en rørformet ledning, passer deriveringen like godt enten den aksiale kraft er i den indre væske eller i ledningsveggen. Det kan derfor sluttes at det er den algebraiske sum av de aksiale krefter som påtrykkes den innvendige væske og ledningsveggen som må tas i betraktning ved be-retningen av ledningens bøyning. Knekking kan derfor inntreffe med et høyt væsketrykk, selvom den aksiale kraft i ledningsveggen er strekk, dersom trykk-kraften i væsken overstiger strekk-kraften i ledningsveggen, således at den resulterende aksiale kraft er en trykk-kraft. ;En mindre analytisk tilnærming har undertiden vært til hjelp for å vise at aksiale krafter som påtrykkes en i et rør innesluttet væske, søker å bøye røret. I den forbindels-e refereres til eksemplet på fig. 4 som viser et langsgående tverrsnitt gjennom en lengde av en rørformet stålledning 60 fylt med en væske 61. Røret er overordentlig langt sammenlignet med sin diameter, således at det virker som en lang, slank søyle. Partiet av dets lengde er utelatt for å forenkle tegningen. Endene av røret 60 er tettet ved glidbare stempler 62 og 6 3 som kan bevege seg fritt aksialt i røret 60. Hvert stempel omfatter et tapplager 6<4 på sin ytre ende. En klemdel 65 omfattende én skruedel 6 6 er formet til å utøve trykk mellom klemdelens stasjonære side 67 og skruens bevegelige ende-flate 68. Trykket overføres over stemplene 62 og 63 til væsken 61 som er praktisk talt usammentrykkbar. Virkningen er derfor lik den å anbringe en belastning på en massiv søyle. En tilstrekkelig. stor kraft som påføres lageret 64 ved tiltrekning av skruen 6 6 vil bringe røret 60 til å krumme seg fra sin opprinenlige rette, stilling. Rørets, bøyning er angitt ved a. Det er tydelig at når forholdet mellom rørets 60 diameter og lengde blir større, kreves der mindre kraft for å krumme røret da det virker som en lang søyle. Det kan derfor sees at en trykk-kraft som påtrykkes en væske som er innesluttet i en lang, rørformet del, forårsaker bøyning og knekking av den rørformede del på samme måte som trykk-krefter som virker på en massiv, lang søyle. ;Under henvisning til fig. 3 kan verdien av sidekomponen-Ax ;ten av aksialkraft F — K som utviklet i ligning (3) ovenfor, fåes ved at sidekomponenten av væsketrykk over lengden Ax av søylen integreres. Da den radielle ytre buelengde er større enn den radielle indre buelengde i fig. 3, vil den netto kraft være radielt utvendig. På lignende måte vil fluidumtrykk ved rørets ytterside frembringe et netto radielt innvendig trykk. ;Den netto effektive aksiale sammenpresningskraft for betraktning av sidebøyning, og knekking, ved et hvilket som helst snitt av et rør f.eks. som vist i fig. 3 er da: ; hvor A-, er innvendig tverrsnittsareal av røret i cm^, A„ er utvendig tverrsnittsareal av røret i cm , P-^ er innvendig fluidumtrykk i kg/cm^, Pjer utvendig fluidumtrykk i kg/cm^ og S er gjennomsnitt-lig trykkspenning i rørveggtverrsnittet i kg/cm . ;Ved å anvende denne ligning (7) på stigeledningen ifølge fig. 1 og 2, betraktes stigeledningen som en lang, rørformet søyle som ikke er understøttet sideveis mellom sine ender. ?2vil være null ved vannflaten og øke lineært med vanndybden til et maksimum ved havbunnen. Borevæskens trykk P-^vil være i hovedsaken konstant ved toppen av stigeledningen på grunn av pumpetrykk og friksjon i returledningen 57 og vil øke lineært med dybden til et maksimum ved bunnen av brønnen. Den gjennomsnittlige trykkspenning S over et hvilket som helst tverrsnitt av stigeledningsveggen vil omfatte nettotrykket i stigeledningen fra alle kilder, såsom fartøybeveg- - else, utstyr som hviler på stigeledningen og selve vekten av denne. Av disse verdier kan den totale aksiale sammentrykningskraft i et hvilket som helst tverrsnitt av stigeledningen beregnes ved hjelp av ligning (7). ;Den ovennevnte, analyse er gjentatte ganger blitt bevist;i praksis, ved stigeledningssvikt, hvor virkningen av borevæsken ikke har vært tatt i betraktning. Også eksperimenter har vært ut-ført med en modell av en stigeledning i liten målestokk. Ved disse eksperimenter ble et langt stålrør med liten diameter understøttet bare ved sin øvre ende (for å fjerne enhver trykkspenning som skyldes vekten av selve røret) og fylt med kvikksølv. Kvikksølvet ble understøttet av en plugg ved den nedre ende og pluggen var glidbar aksialt i røret. Under disse forhold ble belastningen av kvikksøl-vet som ble påtrykt røret, lik den av borevæsken på en stigeledning. Rørets avbøyning under sådan belastning viste seg å være i full overensstemmelse med den ovennevnte analyse. ;Praktisk anvendelse av analysen på en stigeledning ved boring under vann krever overveielser av de forhold som stigeledningen utsettes for. Som nevnt ovenfor er bølge- og strømkreftene såvelsom de krefter som oppstår ved fartøyets bevegelse, kontinuerlig varierende innen store grenser. Mens verdien av disse krefter kan beregnes og bestemmes eksperimentelt, er enhver sådan bestemmelse nødvendigvis bare en tilnærming som følge av disse krefters naturlige ustadighet og sammensatte natur. Det er derfor ønskelig å tilføye en sikkerhetsfaktor i form av en ekstra spenning. ;Et annet praktisk moment er at stigeledningen ved boreoperasjoner på dypt vann er ytterst lang sammenlignet med dens tverrsnitts treghetsmoment, således at den i virkeligheten må an-sees som ikke å ha noen søylestivhet. Selv uten siderettede omgivende krefter vil den derfor ikke motstå noen vesentlig total aksial trykk-kraft over en vesentlig del av sin lengde uten uønsket stor bøyning og eventuell svikt i konstruksjonen. Skjønt stigeledningen ved fravær av siderettede omgivende krefter, teoretisk kunne motstå en viss aksial trykk-kraft over forholdsvis korte tilvekster i dens lengde, foretrekkes det av praktiske grunner og for å sikre pålite-lig drift, at det totale, aksiale sammenpresningstrykk F i ligningen (7) er lik null eller fortrinnsvis negativt, dvs. strekk i stedet for trykk i stigeledningens hele lengde; deretter tilføres overtrekk eller ekstra trekk-kraft for å begrense bøyningen som følge av de omgivende krefter. ;Det kan, når stigeledningen anvendes ved boring under vann, være hensiktsmessig å uttrykke ligning (7) således: den netto aksiale trykk-kraft som virker på hvert tverrsnitt, er lik vekten i vann av søylen av borevæske over det nevnte tverrsnitt pluss vekten i vann av stigeledningssøylen over samme tverrsnitt, med tillegg av eventuelle andre trykk-krefter som påtrykkes stigeledningen direkte over dette tverrsnitt. Dette forhold er basert på den antagelse at trykket av borevæsken,er null ved søylens topp og at dens trykk øker lineært med dybden i forhold til dens vekt. Mens denne forenkling av ligningen ikke er helt nøyaktig i alle tilfelle, er denne form generelt formålstjenlig for å gi en praktisk bestemmelse av de krefter som innebæres i en stigeledning som brukes ved boring under vann. ;En videre kraft som kan forårsake krumning av stigeledningen under boring og brønnbearbeidelsesoperasjoner skyldes den trykkspenning som er forårsaket av materialer, såsom brønnforings-rør, som føres aksialt gjennom stigeledningen. Hvis foringsrøret bindes mot stigeledningens indre vegg, således at dets vekt bæres av stigeledningen, vil trykkspenningen S i stigeledningen øke. ;Hvis brønnf6ringsrøret i stedet understøttes nedenfra, såsom mot sidene av brønnboringen, vil foringsrøret frembringe trykkspenning i sine egne vegger. Brønnforingsrøret vil, hvis det har stor lengde, faktisk ikke ha noen søylestivhet. Den tverrgående kraft av det krummede foringsrør vil derfor overføres på stigeledningens vegg. Et borerør under aksialt trykk vil ha en lignende virkning. For å planlegge de værste forhold som kan oppstå, er det ønskelig ;å innbefatte disse krefter i planen. Dette kan der tas hensyn til ved en revisjon av ligning (7) til: ; ; hvor Ag er innvendig tverrsnittsareal av brønnfOringsrøret eller borrøret i cm , A^ er utvendig tverrsnittsareal av brønnforings-røret eller borrøret i cm , P3er trykket av væsken i rommet mellom stigeledningens indre vegg og brønnforingsrørets eller borrørets ytre vegg i kg/cm<2>, P^er trykket av væsken i brønnforingsrøret eller borrøret i kg/cm , og S2er den gjennomsnittlige trykkspenning i brønnforingsrøret eller borrøret i kg/cm<2>. ;De øvrige symboler er de samme som i ligning (7).;Andre varierende tilstander kan der kompenseres for ved at den prinsippielle ligning (7) varieres i overensstemmelse med ovenstående forklaring. Den omfattende formel kan hensiktsmessig fastsettes som den totale aksiale trykk-kraft som søker å bøye el ler knekke stigeledningen ved et hvilket .som helst tverrsnitt,, er lik den algebraiske sum av alle de aksiale krefter som virker på stigeledningens vegger ved dette tverrsnitt, og alle de aksiale krefter som virker på alle materialer inne i stigeledningen ved dette tverrsnitt med fradrag av produktet av trykket av sjøvannet utenfor dette tverrsnitt ganger det utvendige areal av stigeledningen. ;Som tidligere forklart er det ikke ønskelig at der oppstår en skarp vinkel ved kuleleddet som er anordnet ved den nedre ende av stigeledningen. Når fartøyet beveges sideveis fra en stilling over brønnhodet, aksentuerer vekten av de materialer som inneholdes i stigeledningen, denne vinkel fordi vekten fremkaller-, et moment om kuleleddet. Denne vinkel kan reguleres ved overtrekk som til-føres stigeledningen. ;Forholdet mellom mengden av overtrekk og vinkelen ved ethvert punkt langs stigeledningen kan bestemmes av ligningen ; ; hvor E er stigeledningens elastisitetsmodul i kg/cm<2>, I er treghetsmomentet av siigeledningens tverrsnitt i cm<*>, X er den vertikale avstand fra stigeledningens nedre ende i cm, Y er stigeledningens forskyvning fra vertikalen i cm, ^ er tangenten av vinkelen mellom stigeledningen og vertikalen, q er sidebelastningen i kg/cm^ lengde, W er den vertikale komponent av spenningsforandringen i kg/cm av stigeledningens lengde og F er den vertikale komponent av netto aksial kraft som bestemt av ligning (7) eller (8).

Da fartøyets sidevegelse er liten i forhold til stigeledningens lengde, er den aksiale komponent av den vertikale kraft F praktisk talt lik den vertikale kraft F og kan forutsettes å være den samme.

Som et spesifikt eksempel på anvendelsen av den ovennevnte analyse på en stigeledning skal det forutsettes at operasjonene skal utføres i en dybde av 18 3 m raed en ledning med ytre diameter 34 cm og veggtykkelse .9,5 mm som stigeledning og en borevæske som veier 1,922 kg/liter, er det eneste materiale i stigeledningen.

Den maksimale kraft F fra ligning (7) vil oppstå ved den nedre ende av stigeledningen og vil vasre tilnærmet lik vekten i vann av hele stigeledningssøylen (11300 kg) pluss vekten i vann av hele volumet av borevæske som inneholdes i stigeledningen (132 50 kg), hvilket gir en total kraft F på 24560 kg. En oppadrettet kraft som overstiger denne verdi, er derfor nødvendig.

Hvis operasjonene skal foregå fra et flytende fartøy som kan være forskjøvet sideveis fra stillingen over brønnhodet, f.eks. en avstand på 7,3 m, og forutsatt normale strømkrefter, kan stigeledningens vinkel ved kuleleddet begrenses til 4° ved en over-trekk-kraft på 9216 kg (ligning 9). Denne over-trekk-kraft er en oppadrettet kraft i tillegg til de 24560 kg som kreves for å redusere F til null. Ytterligere trekk-kraft kan tilføres som en sikkerhetsfaktor og/eller av hensyn til friksjonen i det teleskopiske ledd.

I betraktning av størrelsen av den oppådrettede kraft som påtrykkes.stigeledningen for å oppnå det ovenfor beskrevne resul-tat , er en motvirkende nedadgående kraft nødvendig for å hindre stigeledningen i å bli trukket opp av vannet. Vekten i vann av stigeledningen motvirker den oppadvirkende kraft, men er ikke tilstrekkelig til å motvirke den fullstendig. Det kan regnes med at brønnhodet og det forbundne utstyr enten helt eller delvis motvirker den oppadgående kraft, enten ved sin vekt eller ved vekter som tilføres brønnhodet eller ved at 'brønnhodet eller brønnforings-røret som henger ned fra samme, forankres til bunnen. En annen måte til å skaffe en del av eller hele den nedadrettede kraft er ved å forbinde en stor vektmasse eller motvekt med den nedre ende av stigeledningen.

Ved påtrykning av den oppadvirkende kraft av den størrel-se som kreves for å vedlikeholde den nødvendige spenning i stigeledningsveggen, oppstår mange problemer. Kraften må praktisk talt være konstant, selv mens fartøyet beveger seg vertikalt i forhold til havbunnen med stor hastighet. Det er ikke ønskelig å forbinde de nedsenkede partier av stigeledningen med omfangsrike mekanismer, både fordi det er vanskelig å behandle dem og fordi det økede areal vil bli utsatt for bølge- og strømkrefter.

Et annet meget vanskelig problem er sikkerhetsfaren for personer og utstyr i nærheten hvis der oppstår svikt av stigeledningen. Hvis den således brekkes av ved et punkt mellom stedet hvor den oppådrettede kraft påtrykkes, og det sted hvor den nedadrettede kraft påtrykkes, kan den oppådrettede kraft aksellerere det øvre bruddstykke av stigeledningen med stor hastighet opp av van net.. Av denne grunn er det vesentlig at den oppådrettede kraft hurtig hlir avledet eller spredt ved svikt i stigeledningen.

For å overvinne disse problemer anvendes der ved anordningen ifølge oppfinnelsen væsketrykk for å tilveiebringe den oppadvirkende kraft. Ved en foretrukket utførelse tilføres trykkvæske til en stempel- og sylinderkombinasjon som er inkorporert i stigeledningen og danner en del av denne. Denne stempel- og sylin-derkombinas jon tjener også som et teleskopledd som tillater forlengelse og forkortelse av stigeledningen når fartøyet beveges i forhold til havbunnen.

Kombinasjonen teleskopisk ledd og strammer, generelt betegnet 50 på fig. 1 og 2, skal beskrives med spesiell henvisning til fig. 5.

Den øvre del av stigeledningen omfatter en rørformet vippenippel 101 som er forbundet med fartøyet under det dreibare bort 7 på en måte som skal beskrives senere. En flens 10 3 er stivt forbundet med den nedre ende av nippelen 101 og er avstivet til denne ved delene 104. En rørformet del 10 5 strekker seg under nippelen 101 i linje med denne for å danne en kontinuerlig ledning. Flensen 106 ved den øvre ende av den rørformede del 105 er på eg-net måte forbundet med flensen 10 3, f.eks. ved bolter 10 2.

Den øverste 51a av de rørformede ledningsdeler 51 omfatter et parti 107 med forstørret diameter ved sin øvre ende over overgangen 115. Dette parti 107 opptar den rørformede del 105 i teleskopisk forhold. Da delen 105 vil bevege seg med fartøyet mens det forstørrede parti 107 er aksialt fast i forhold til havbunnen, bevirker overlappingen mellom delene 105 og 107 at de vil danne en kontinuerlig ledning ved alle stillinger av fartøyet i forhold til brønnhodet innenfor valgte bestemte grenser.

Sylinderen 108 omslutter den rørformede del 105 og den overlappede del av 107 og er ved sin øvre ende forbundet med flensen 106 som således tjener som en kappe for å tette den øvre ende av rommet mellom den rørformede del 105 og sylinderen 108, hvis nedre ende er tettet ved en kappe 119. Ringpakninger 120 og 121 sørger for en glidende tetning mellom det øvre parti 107 med forstørret diameter og kappen 119. Et ringformet stempel 116 er forbundet med den øvre ende av partiet 107 og omslutter aksialt glidende delen 105. Ringpakninger 117 og 118 sørger for glidende tetning mellom stemplet 116 og sylinderen 108.

Høytrykksfluddum (væske eller gass) tilføres sylinderen 10 8 nær dennes nedre ende gjennom ledningen 12 3 fra en kilde på borefartøyet.. Dette høytrykksfluidum virker på stemplets 116 underside for å påtrykke en oppadrettet kraft på den øvre ende av stigeledningens nedre del. Størrelsen av denne kraft kan varieres ved innstilling av trykket av det fluidum som tilføres fra kilden. En sådan innstilling kan foretas ved hjelp av en hvilken som helst kjent anordning og skal derfor ikke beskrives i detalj. Når bore-fartøyet 1 beveges i forhold til brønnhodet 20, vil sylinderen 108 og den rørformede del 105 bevege seg aksialt i forhold til stemplet 116. Trykket av væsken som tilføres sylinderen gjennom ledningen 123, reguleres således at trykket vedlikeholdes tilnærmet konstant på tross av sådan relativbevegelse, og den oppadvirkende kraft på den øvre ende av stigeledningen vil derfor bli forholdsvis konstant.

For å holde baktrykket over det ringformede stempel 116 forholdsvis konstant når stemplet beveges i forhold til sylinderen 108, tjener perforeringer 122 i den rørformede del 105 som venti-lasjonsåpninger. Disse perforeringer1 tillater borevæske som ledes gjennom stigeledningen, å passere gjennom perforeringene inn i partiet av sylinderen over stemplet 116 når stemplet beveges nedad i forhold til sylinderen og tillater borevæske å passere ut av dette rom når stemplet føres oppad i forhold til sylinderen 108. Perforeringene 122 er fortrinnsvis tilstrekkelig store til å til-late spon som kan være suspendert i borevæsken, å strømme lett ut av rommet over stemplet 116 i stedet for å samle seg i dette.

Den ytre overflate av partiet 107 er forbundet med stoppere 125 og 126 som begrenser nedadbevegelsen av stemplet 116 i forhold til sylinderen 108 mens stoppere 135 og 136 forbundet med sylinderen 108 begrenser oppadbevegelsen.

I tilfelle av svikt av stigeledningen ved et punkt over brønnhodet, men under spenningsanordningen, vil stemplet 116 stige under virkningen av høytrykksvæsken inntil det når den øvre grense av sitt slag. Ved dette punkt vil den relative bevegelse mellom den øvre og nedre del av stigeledningen være stanset og stigeledningen vil være opphengt under borefartøyet. Den oppådrettede kraft som utøves på stemplet 116 av høytrykksvæsken vil bli over-ført til sylinderen 108 hvor den vil bli motvirket ved den like og motsatt rettede, nedadgående kraft som utøves på kappen 119 av væsken. Den oppadvirkende kraft motvirkes derfor øyeblikkelig ved

svikt av stigeledningen og ingen fare oppstår.

Den motvirkende nedadgående trekk-kraft ved den nedre ende av stigeledningen kan tilveiebringes ved selve brønnhodet og forbundet utstyr, som vist på fig. 2. Alternativt kan en konsen-trert motvekt 155 henges opp på stigeledningen ved stive vinkel-plater 156 og 157, se fig. 2a. Motvekten er opphengt rundt kuleleddet 48 således at vektens tyngdepunktsenter ikke ligger høyere enn kuleleddets omdreiningssenter. Når stigeledningen beveges i forhold til vertikalen, utøver motvekten 15 5 ikke noe motsatt moment om kuleleddet 48.

En endret form for strammeren ifølge oppfinnelsen er vist på fig. 8, hvor den rørformede del 105 ikke er perforert. Sylinderen 108 omfatter et utløp 130 nær sin øvre ende som danner ventilasjonsåpning for sylinderens øvre del til atmosfæren. Ringene 131 og 132 i stemplet 116 skaffer en glidende tetning mellom stemplets indre rom og den rørformede dels 105 utvendige overflate. Eventuelt kan en tetning være anordnet mellom den rørformede del 105 og partiet 107 med utvidet diameter ved den nedre ende av delen 105.

Hvis en gass benyttes i stedet for en væske som høy-trykksf luidum, er det å foretrekke å anordne et oljebad 134 i den nedre ende av sylinderen for å smøre kontakten mellom partiet 10 7 og ringene 120 og 121.

Det er undertiden ønskelig å begrense den hastighet med hvilken stemplet 116 kan beveges i forhold til sylinderen 10 8.

På den måte vil i tilfelle svikt av stigeledningen stemplets 116 slag mot stopperne 135 og 136 reduseres. Hvis væske brukes som høytrykksfluidum vil den maksimale hastighet, med hvilken væsken kan passere gjennom ledningen 12 3, i tilstrekkelig grad begrense stemplets 116 bevegelseshastighet i forhold til sylinderen 108. Ekstra begrensning kan oppnås ved en passende dimensjonert åpning, hvis så ønskes. Hvis der anvendes gass, kan dempning tilveiebringes enten ved en riktig dimensjonering av perforeringene 122 ved den på fig. 5 viste utførelse for å motvirke relativ stempelbeveg-else over en viss hastighet, eller der kan anbringes et munnstykke i utløpet 130 ved utførelsen ifølge fig. 8. Utløpet 130 kan da enten være forbundet med en væskekilde eller i visse tilfelle være innrettet til å være nedsenket under vannoverflaten.

Anordningen for å forbinde stigeledningens øvre ende med det flytende fartøy skal beskrives under henvisning til fig. 5, 6

og 7.

Dreiebordet 7 er understøttet av glidebjeiker 138 som hviler på hovedbæreplattformen 6. Denne omfatter langsgående hoved-bjelker 141 og korte tverrgående bjelker 142 og 143 mellom tilgrensende lengdebjelker 141 under bordet. Bjelkene 142 og 14 3 er for-sterket ved plater 144 hhv. 143. Den øvre ende av stigeledningen, inklusive den øvre rørformede del 101, forløper til et punkt litt under det roterende bord og er tilnærmet sentrert mellom de langsgående og tverrgående bjelker. Det er ønskelig at den øvre ende av stigeledningen er understøttet av den ovenfor beskrevne konstruksjon ved et sted nær det roterende bord, således at vippenippelens 101 boring ikke vil beveges fra stillingen under bordet 7 når far-tøyet 1 vipper og ruller i forhold til stigeledningens øvre ende.

Vippenippelen 101 omfatter ved sin øvre ende en spesiell krave 139, hvis indre overflate er traktformet, som vist ved 140, for å lette passeringen av borstreng og andre materialer inne i stigeledningens øvre ende, særlig når plattformen danner en vinkel med horisontalen som følge av at fartøyet vipper og ruller. Stigeledningens øvre ende er understøttet av plattformen 6 ved en kardanopphengning med to innbyrdes perpendikulære dreieakser for å til-late universell.vihkélbevegelee av fartøyet i forhold til stigeledningens øvre ende.

En av kardanopphengningens dreieakser omfatter to hule spindler 158 som er dreibart lagret i forhold til stigeledningen i

hvert sitt av to lågere 157. Hvert lager er innesluttet i et av to lagerhus 150 som er forbundet med den spesielle krave 139 for å ra-ge nedad på diametralt motstående sider av vippenippelen 101. Spin-delens 158 akse skjærer stigeledningens akse i rett vinkel.

En forlenget plate 154 er forbundet med hver spindel 158 ved yttersiden av det forbundne hus 150. Hver plate 154 dreier med sin forbundne spindel i et plan parallelt med stigeledningens akse. En forlenget plate 155 er forbundet med hver spindel 158 for å dreie med denne ved innersiden av det forbundne hus 150. En feste-bolt 156 tjener til å forbinde hver spindel 158 med sine respektive forbundne plater 154 og 15 5. Hver av platene 154 er også forbundet med sin forenede plate 155 ved små tverrplater 159 og 160.- På den måte er platene 154 og 155 montert for dreiebevegelse om en akse i rett vinkel til ledningsdelens 101 akse i et plan parallelt med hovedbjelkene 141.

Mellom platene 1S5 er dei'nær hver ende av disse med mel-lomrom forbundet to parallelle plater 161 og 162 og opp mellom disse plater rager et lager 165 i et lagerhus 166. Platene 161 og 162 ved hver ende av platene 155 er dreibart forbundet med lagerhuset ved en stoppebolt 168, en hul spindel 169 og lagret 165. Hvert lagerhus 166 er festet i forhold til fartøyet ved platen 175 som hviler på bæredelene 18 0 som på sin side ei'forbundet med bjelkenes 141 flenser. Delene 176, 177, 178 og platene 181 forsterker konstruksjonen. Platen 175 har'en åpning 179, gjennom hvilken den rør-formede del 101 er ført.

Spindlenes 169 akser ligger i linje med hinannen og i rett vinkel til spindlenes 158 akse. Når'således fartøyet vipper og ruller, bærer'kardanopphengningen den øvre ende av stigeledningen, men tillater fartøyet å bevege seg i vinkel i forhold til samme om to innbyrdes tverrgående akser. Begge akser ligger fortrinnsvis i samme plan, således at begge kan anbringes i den høyest mulige stilling i forhold til stigeledningens øvre ende i forhold til den sentrale passasje gjennom dreiebordet når skipet vipper og ruller.

Lagrene 16 5 er fortrinnsvis trykklagre, da trekk-kraften fra stigeledningen til tider har en komponent langs boltene 16 8, eller trykklagre kan være anordnet mellom platene 161 og bjelkene 142 og 143. Lagrene 157 kan ogaå være trykklagre, skjønt det er liten'sannsynlighet for at de skal bli utsatt for annet enn rett-vinklet belastning.

Den spesielle krave 139 på stigeledningen er avfaset ved 183, således at den ikke slår an mot bjelkenes 141 øvre flenser.

Et alternativt arrangement for å forbinde stigeledningens øvre ende med det flytende fartøy er vist på fig. 8. Her forløper adskilte tverrgående bjelker 250 mellom tilgrensende lengdebjelker av bæreplattformen 6. En horisontal plate 2 51 er ført radialt innad fra bjelkene 2 50 og 141 og ender i en sfærisk lagerflate 2 52. Platen 2 51 er stivt forbundet med og avstivet fra konstruksjons-bjelkene ved plater, såsom 249.

I den sfæriske lagerflate 2 52 hviler glidbart en halv-kuleformet del 253. Den rørformede del 101 er forbundet med delen 253 og passende avstaget ved plater 256. Halvkuledelen 253 og lag eret 252 tjener til å understøtte stigeledningen og samtidig til-late fartøyet å bevege seg i vinkel i forhold til stigeledningen på lignende måte som kardanopphengningen ifølge fig. 5-7.

Det er innlysende at strammeren ifølge fig. 5 kan benyttes i kombinasjon med topplagringsanordningen som ifølge fig. 8 og omvendt.

Claims (4)

1. Anordning ved boreutstyr for boring under vann, omfattende en rørledning (101, 50, 51, 52) som består av et nedre rør-avsnitt (107, 51a, 51, 52) som er teleskopisk forbundet med et øvre røravsnitt (101, 105), av hvilke røravsnitt det nedre rager ned i vannet og er festet aksialt til sjøbunnen (45, 24, 27), og den øvre ende (101) av det øvre røravsnitt ved hjelp av innretninger (150 og følgende, 250 og følgende) er festet til en flytende plattform (et skip) for aksial bevegelse i forhold til det nedre røravsnitt, karakterisert ved en væske-trykkanordning (12 3, 108,

116) som er operativt forbundet mellom det nedre og det øvre rør-avsnitt for å utøve en regulerbar, i det vesentlige konstant, oppadrettet, aksial kraft på den øvre del av det nedre røravsnitt når det øvre røravsnitt beveger seg aksialt i forhold til det nedre av-snitt innenfor valgte, bestemte grenser.

2. Anordning i henhold til krav 1, karakterisert ved at væske-trykkanordningen omfatter et stempel (116) og en sylinder (108) som tillater det øvre røravsnitt å bevege seg aksialt i forhold til det nedre røravsnitt når plattformen (skipet) (1, 4, 6) beveger seg i forhold til sjøbunnen innenfor de valgte, bestemte grenser, og en anordning (12 3) for å tilføre væske under et i det vesentlige konstant, på forhånd valgt trykk til sylinderen for å holde den oppad-rettede, aksiale kraft praktisk talt konstant på en innstillbar, på forhånd valgt verdi når skipet beveger seg i forhold til sjøbunnen.

3. Anordning i henhold til krav 2, hvor rørledningen (101, 50, 51, 52) forbinder en flytende plattform (skip) (1) med et brønn-bor for å føre borevæske og boreverktøy mellom skipet og brønnbor-ingen, karakterisert ved at den øvre ende av det nedre røravsnitt og den nedre ende av det øvre røravsnitt overlapper hinannen teleskopisk, at .et ringformet stempel (116) er utformet på den ene av de teleskopiske ender (107) og en sylinder (108) om-gir stemplet og danner den annen av de teleskopiske ender og er av en sådan lengde at den tillater en tilstrekkelig'aksial forlengelse og forkortelse av rørledningen til å tilpasse seg etter skipets bevegelse i forhold til brønnboret innenfor de valgte grenser, at den gjennom anordningen (12 3) under et innstillbart, praktisk talt konstant trykk til sylinderen tilførte trykkvæske er adskilt fra borevæsken, og at størrelsen av den av trykkvæsken frembragte, oppadvirkende kraft er innstillbar for å overskride vekten i vann av rørledningen og vekten i vann av de materialer som inneholdes i rørledningen.

4. Anordning i henhold til et av de foregående krav, karakterisert ved at rørledningens øvre ende (10) er forbundet med skipet ved undersiden av et dreiebord (7) på plattformen ved hjelp av en kardanopphengning som omfatter et første par plater (154, 155) som er forbundet med rørledningen nær dennes øvre ende for dreining i to parallelle plan på diametralt motstående sider av rørledningen om en første akse (158) som skjærer ledningens øvre endes lengdeakse i rett vinkel, et annet par plater (161, 162) som er forbundet mellom de første par plater for å danne et rektangel rundt rørledningens øvre ende, og anordninger (165, 169) som forbinder det annet par plater med skipet for dreining om en annen akse (169) som skjærer første akse (158) i rett vinkel ved skjæringspunktet mellom første akse og rørledningens lengdeakse.