NO180650B - Stigerör for stor vanndybde - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et stigerør beregnet på bruk ved store vanndyp, for overføring av slamholdig fluid mellom et sted beliggende under en vannmasse og et sted nær vann-overflaten, omfattende et ytterrør og et innerrør, samt perifere rørledninger som strekker seg langs ytterrøret på utsiden av dette, idet et antall flottører omslutter ytter-røret utelukkende på den øvre del av dette. Slike stigerør kan anvendes enten for boring eller ved produksjon. Som eksempel på stigerør av denne art, kan nevnes US 3 768 842.

Boring på store dyp, f.eks. ned til 1000 m og særlig ned til 2000 m gjør det nødvendig å revurdere konstruksjonen av de stigerør som i dag benyttes.

De vanskeligheter som oppstår ved transport, vedlikehold, lagring og montering av et stort antall elementer som utgjør dette stigerør, koplingsrørenes motstand og flottører som utsettes for ekstremt høye statiske og dynamiske spenninger som kan være vanskelige å lokalisere, samt fremstilling, bruk og vedlikehold av en stor mengde slam, vil i stor utstrekning redusere effektiviteten, påliteligheten og sikkerheten ved boresystemer og -operasjoner.

Ordene stigerør, stigerør eller slamrør skal her forstås å bety et rør som gjør det mulig å overføre særlig fluider mellom sjøbunnen og en installasjon som befinner seg ved et øvre nivå, såsom stort sett ved vannoverflaten eller som kan være neddykket.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer et stigerør som gjør det mulig å arbeide på store vanndyp ved at de ovenfor omtalte vanskeligheter overvinnes uten ugunstig innvirkning på stigerørets anvendbarhet eller pålitelighet.

I flere år har operatører stadig øket stigerørets diameter (16M - 18 5/8" - 21") og BOP-arbeidstrykk (serie 10.000 - 15.000), det samme gjelder bruken av slam med høy densitet (aktuell maksimal densitet i dette tilfelle er 17 ppg, dvs. 2,03). Denne utvikling, som har funnet sted med sikte på sikkerhet og anvendbarhet, har særlig gunstig innvirkning på stigerørets funksjon.

De problemer som er tilknyttet den statiske dimensjonering av stigerøret opptrer når et stigerør som er lengre enn 1.000 m dimensjoneres i henhold til teknikkens stand.

En har observert at stigerørets innvendige volum er stør-re enn volumet til selve brønnen så snart vanndybden går ned til 1.000 m (f.eks. er brønnens maksimale volum under en vanndybde på 1.246 m lik 164 m<3>, mens stigerørets volum er nesten 2 00 m<3>). Det overskrider det dobbelte eller til og med det tredobbelte av dette volum ved en vanndybde på 3.000 m. Dette forårsaker imidlertid mange alvorlige tekniske og økonomiske vanskeligheter ved fremstilling, lagring, vedlikehold, kontroll og behandling av slam og endelig har man sikkerhets-spørsmålet i forbindelse med slike boringer.

Ettersom den tilsynelatende tyngde av dette slam i sin helhet må opptas av strekkinnretningene, vil trykket ved toppen av stigerøret bli større jo større vanndybden er, selv om den virkelige tyngde av stigerøret er ikke-eksisterende (i vannet).

Følgelig vil dette for det første kreve at en installasjon ombord på overflateenhetene har en tilstrekkelig strekk-kapasitet, under hensyn til de anbefalinger som er angitt i gjeldende standarder (standard API RP2Q) og for det annet bruk av rør som er tykkere ved stigerørets øvre parti, slik at spenningene der begrenses til akseptable verdier.

En slik dimensjonering viser at forholdet mellom det minste strekk som kreves ved toppen og den tilgjengelige strekk-kapasitet i mange tilfeller vil overskride de 71% som godtas ifølge API RP 2Q standarden, mens stigerørets tilsynelatende tyngde antas å være lik 0, hvilket svarer verken til virkeligheten eller er ønskelig, slik det vil fremgå av det følgende.

Endelig vil differensialstrekket som oppstår i den nedre del av stigerøret på grunn av forskjellen mellom slammets maksimale densitet (dmud = 2,03) og sjøvannets densitet (dsw = 1,03) her også kreve bruk av rør av høy fasthet.

I virkeligheten viser disse observasjoner de vanskeligheter som oppstår ved den enkle statiske dimensjonering av stigerøret på grunn av økingen av tyngden og trykket i slammet som befinner seg der når vanndybden øker. Man kunne tro at disse vanskeligheter ville kunne overvinnes ganske enkelt ved å bruke tilstrekkelig tykke rør og forholdsvis sterke koplinger. Uheldigvis er dette strengt tatt ikke tilfelle, på grunn av konsekvensene på flottørene og dessuten en forverring av stigerørets dynamiske opptreden.

Når det gjelder problemene i forbindelse med flottørene, kan følgende observasjoner gjøres: 1) de ovennevnte, overliggende minimums strekkrefter er, som ovenfor nevnt, blitt bestemt ved å anta at tyngden av stigerør-elementene i vann var null. En slik hypotese innebærer at et tilstrekkelig antall flot-tører er tilknyttet den slik at man kompenserer for tyngden av rørene og av koplingsstykkene som de

utgjøres av.

2) Det er kjent at densiteten til flottører av syntetisk skum, som vanligvis fyller stigerørelementene, er desto

større når vanndybdenivået (og følgelig det vanntrykk de må kunne motstå) er høyt. Dessuten er disse flottørers fasthet ikke godkjent for dyp større enn 2.000 m (200 bar) og de tilsvarende kostnader vedrørende utvikling,

kvalifisering og godkjennelse kan være meget høye.

3) For det annet må flottørenes utvendige diameter være mindre enn en viss verdi, nemlig ca. 1,2 m, slik at de skal kunne innføres i rotasjonsbordet under stigerørets manøvrering. Flottørenes volum og følgelig deres oppdrift er således fysisk begrenset. I praksis er det derfor en dybde under hvilken de syntetiske skum ikke lenger fullt ut kompenserer for stigerørets tyngde. Denne manglende oppdrift må kompenseres med en større installert strekk-kapasitet. Denne dybde kan anslås til ca. 2.000 m.

Når det gjelder problemene forbundet med stigerørets dynamiske, opptreden, forenes mange faktorer som virker til å svekke stigerørenes dynamiske opptreden når vanndybden øker: 1) Når stigerøret, som er forbundet med brønnhodet, støttes ved hjelp av kablene med konstant strekkspenning som anvendes i et stampe-kompenseringssystem, har en funnet at den dynamiske reaksjon ved dette system er mindre effektivt når den strekkraft som anvendes er større. Med andre ord vil systemets stivhet, for en gitt slamdensitet, øke med vanndybden. Ved konstant stampebevegelse fører det til en øking av amplituden til strekksvingnin-gene (rundt middel-strekkverdien) i alle delene av stige-røret, som må taes i betraktning ved beregningene av rør

enes og koplingenes utmatingsfasthet.

2) Det er imidlertid når stigerøret, som ikke er forbundet med toppen av brønnen, er opphengt under den flytende bæreanordning uten fråkopling av de relative stampebeve-gelser til dette stigerør og opplagringen i tilfelle av en storm eller under operering, at situasjonen er mest bekymringsfull. Øking av stigerørets lengde fører i virkeligheten til en øking som er i det minste proporsjo-nal med dens masse. Dersom det dessuten for det første antas at rørene og koplingene av de ovennevnte grunner må ha større fasthet og derfor være tyngre, og for det annet at jo høyere densitet de flottører som er festet til rørene og koplingene har, jo større er det omgivende vanntrykk som flottørene må kunne motstå, vil man klart forstå at proporsjonalitetsfaktoren er større enn 1.

Denne hurtige øking av stigerørets tyngde med økende vanndybde, bringer frem i dagen to fenomener som ikke er meget påaktet og ofte ignorert ved midlere og små vann dybder. Disse fenomener kan da påvirke dimensjoneringen, og deres karakteristika, årsaker og virkninger må gjøres til gjenstand for en nøyaktig analyse: De økende over-strekkbelastninger på grunn av stige- rørets treghetsmasse under kraftige stormer kan forårsake delvis eller fullstendig strekkavlasting i den øvre del av stigerøret og der skape utilbørlige bøyespenninger i forbindelse med de andre bevegelser

(utbruddsbevegelse, sluring) samt den direkte bølge-virkningen.

Økingen av selve tidsrommet for vibrasjoner i lengderetningen større enn de verdier for hvilke stampe-amplituden er null, kan i vesentlig grad begrense,

selv i forholdsvis stille vær, operasjonene for manøvrering av stigerøret, på grunn av den risiko den ville innebære.

Problemene forbundet med kontroll av en utblåsning og med boresikkerhet, er absolutt av mindre betydning når det gjelder utforming og dimensjonering av stigerøret ut fra den foreliggende situasjon ved mindre vanndybder. På dette området og når vanndybden øker er spenningsprinsippene som følger: 1) Arbeidstrykket i sikkerhetsledningene ("kill and choke lines") hevet til 1,050 bar krever bruk av tykkere rør som bidrar til å øke stigerørets tyngde og følgelig til å øke de problemer som er forbundet

med dets dynamiske opptreden (se ovenfor).

2) Økingen av trykkfalltapene i disse ledninger under utblåsnings-kontrolloperasjoner gjør det farligere

og mer komplisert å utføre disse operasjoner.

3) Brønnhodets utstrekning samt det høye trykk som hersker i brønnhodet gjør det vanskeligere å detek-

tere eventuell forekomst av gass "i brønnen og å ta de nødvendige forholdsregler, ved i tide å stenge stengeventilene. Forekomsten av store mengder gass i stigerørets sentrale rør blir følgelig mer sann-synlig.

4) Dette kommer til uttrykk ved det økende behov for bruk av materialer som er helt upåvirkelige av korrosjon forårsaket av petroleumsfluider og særlig av

svovelsyre (H2S).

5) Dette fører også til faren for å se at denne gass,

så snart den er trykk-avlastet, helt eller delvis fyller innsiden av hovedrøret hvis vegg, som ikke er tykk nok til å motstå den resulterende hydrostatiske sammentrykking, ikke vil kunne unngå kollaps.

Den siste type av de ovennevnte problemer gjelder vanske-ligheten med å lagre på broen til de flytende støtter det store antall elementer som utgjør stigerøret når dets lengde øker. En rekke faktorer må vurderes: 1) Fastheten til plattformens konstruksjon under lag-ringsområdene må være tilstrekkelig til å bære hele

tyngden av disse elementer (se ovenfor).

2) Det volum som opptas av elementene må, under hensyn til flottørenes størrelse, være forenelig med plass-forholdene på stedet og med riggens sjø-stabilitet. 3) Stigerørets anordning og håndtering skal sette det istand til, i henhold til en spesielt opprettet rekkefølge, å utstyre elementer med forskjellige karakteristika (tykkelsen til det sentrale rør, flottørenes densitet, etc), idet disse elementer er mer flertallige (4 eller 5) når vanndybden er stør-

re. Bruken av midler for automatisk håndtering av stigerør-elementene, hvilket blir stadig mer vanlig på moderne rigger, må tas i betraktning.

Formålet med oppfinnelsen er å komme frem til en stige-rør-konstruksjon som ikke er beheftet med ulemper og problemer som ovenfor beskrevet i forbindelse med kjent teknikk på området. Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved et stigerør av den innledningsvis angitte art, ved at innerrøret er beliggende koaksialt i ytterrøret og har mindre ytre diameter enn ytter-rørets indre diameter, slik at det dannes et ringrom mellom innerrørets utside og ytterrørets innside, hvorved mengden av slam som sirkulerer gjennom stigerøret minskes. Fordelaktige utføringsformer av oppfinnelsen fremgår av de etterfølgende patentkrav.

Stigerørets innvendige foring betraktes således ikke lenger som en rørsøyle nedsenket i stigerøret, men som en innvendig ledning av hvert element av stigerøret, gradvis anbragt under nedføringen av dette stigerør, slik at det i vesentlig grad blir mulig å løse de førnevnte vanskeligheter er 1) Pålitelighet av mekanisk montering og tetning mellom to på hverandre følgende rør oppnås ved enkel sam-mensetting eller -låsing. 2) Som følge av denne idé er foringen bare dimensjonert for en trykkforskjell mellom rørets innside og det ringformete rom. Det arbeider i realiteten ikke under strekkbelastning og er mindre dynamisk på-

kjent. Dets tyngde er følgelig redusert, desto mer fordi oppdriftsmaterialer (f.eks. syntetiske skum)

kan anbringes i det ringformete rom.

3) Denne type foring krever ikke noen strekking, skru-

ing eller tiltrekking av koplingsdelene når den anbringes i stigerøret, hvilket kan utføres hurtig

og enkelt.

4) Den mekaniske opptreden av stigerør/foringsenheten kan til enhver tid optimeres ved å modifisere be-skaffenheten og trykket til fluidet som fyller det ringformete rom ved hjelp av topp- og bunn-kommuni-kasjonsledningene som er anordnet i dette øyemed. 5) I tilfelle av intervensjon på utblåsingssikringene som krever løfting av stigerøret når foringen er på plass innvendig, blir det mulig å løfte, lagre og igjen senke stigerøret og foringen samtidig, idet disse operasjoner kan utføres uten tap av ytterlige-

re tid.

I praksis blir bruk av en foring bare nødvendig fra en viss vanndybde avhengig av de spesielle data ved angjeldende tilfelle, men som er ca. 2.000 m. Følgende bør tas i betraktning ved stigerørets statiske dimensjonering: dimensjonering av det sentrale rør i stigerøret for drift uten foring og den tilgjengelige fall-strekkbelastning, under hensyn til en slamdensitet som er forenelig med utførelsen av den første borefase (oppt il 44,5 cm, dvs. 17,5"),

dimensjonering av det sentrale rør for bruk sammen

med foring og den tyngste slamdensitet som kreves for utførelse av borefaser med liten diameter,

den dimensjonering som til slutt fastholdes skal

være den som gir høyest ytelse av de to således oppnådde.

En av fordelene ved bruk av foring er, som ovenfor på-vist, frigjøring av en strekkapasitet som hittil har vært brukt til å oppta tyngden av slammet, som adderes til den som skyldes den forventete øking av antallet av strekkinnretninger som er nødvendig for å utstyre boreriggen når dens interven-sjons -vanndybde øker. Denne ytterligere strekkapasitet kan benyttes til å presse flottørene ned i den nedre del av stige-røret, hvilket innebærer flere fordeler: 1) Flottører anvendes ikke ved vanndyp der de er mindre egnet, dyrere og der deres diameter må være større

enn gjennomførings-diameteren i dreiebordet.

2) En vesentlig reduksjon av stigerørets totale masse, hvilket bidrar til å løse problemene forbundet med dynamisk opptreden (reduksjon av over-strekkbelastninger) og lagring.

3) Øking av stigerørets tyngde i vann, hvilket fullfø-

rer den forutgående virkning for derved effektivt og pålitelig å løse de vanskeligheter som skyldes dynamisk opptreden (øking av den midlere strekkbelastning).

I praksis er dette fastsatt som et formål for å unngå bruk av skum-flottører under en vanndybde på ca. 2.000 m, idet dette tall er en dybde ned til hvilken de har vist seg å være effektive under operasjonsforhold.

I tillegg til at man kan oppnå reduksjon av stigerørets tyngde i henhold til foreliggende oppfinnelse, ved om mulig å øke rørenes fasthet i forhold til det innvendige trykk ved hjelp av en omslagsforsterkning oppnådd ved å vikle bånd av et komposittmateriale (glassfiber, kevlarfiber eller karbonfiber omhyllet av en termoplastharpiks) rundt rørene under strekkbelastning, i henhold til en teknikk som er beskrevet i US-patent 4 514 245. Denne teknikk gjør det mulig å multiplisere rørenes omkretsfasthet med en faktor på minst 2, uten å øke deres tyngde, eller omvendt, å minske deres tyngde for en gitt fasthet.

Funksjonsprinsippet for de omslagsforsterkete rør kan illustreres ved å betrakte utviklingen av omkretsspenningene i stålrøret og i kompositt-omslagsforsterkningen når det innvendige trykk øker fra null inntil det eksploderer. Fire hoved-faser kan beskrives:

1) Under et trykk på null er den forspenning som opp-

trer i stålrøret på grunn av strimlene desto større (i absolutt-verdi) ettersom viklings-strekkraften og antallet lag også er større. Under fremstillings-stadiet gjør dette det mulig å justere forspennings-verdien til akkurat det som kreves ved rørenes drif-tsforhold.

2) Når trykket øker øker spenningene i de to rørelemen-

ter lineært, men generelt meget hurtigere i stålet enn i komposittmaterialet på grunn av de to materi-alers forskjellige stivheter. Denne fase fortsettes inntil spenningen i stålrøret når elastisitetsgren-

sen.

3) Idet stålets elastisitetsgrense overskrides er det kompositt-omslagsforsterkningen som opptar største-delen av tilleggskreftene og som "tilbakeholder" stålrøret slik at det hindres fra å sprenges, noe som hurtig ville skje uten forsterkningen. Denne fase fortsettes inntil bristepunktet for strimlene

som ikke har noe plastisk område.

4) Til slutt sprenges stålrøret idet strimlene brister,

idet stålrøret alene selvsagt ikke er istand til å motstå trykket.

Sammenlignet med et konvensjonelt stålrør blir således materialets anvendelsesområde, basert på spenninger, utvidet i to retninger: mot de negative verdier (forspenningseffekt), det opprinnelige nullpunkt forskyves (fra - 322 MPa i det foregående eksempel). Dette innebærer i virkeligheten det samme som kunstig å øke stålets elasti sitetsgrense uten at man får de vanlige problemer i forbindelse med høyfaste stål (dårlig sveisbarhet, middelmådig bestandighet mot korrosjon og utmatting, komplisert utførelse, høye kostnader). I det tidligere eksempel ville den tilsynelatende elastisitetsgrense være større enn 760 MPa, mens den virkelige verdi er bare 437 MPa (X65-stål).

Utover stålets elastisitetsgrense, så en at det fattes en betydelig margin før rørene ble sprengt (selv-omspenningseffekt) som kan utnyttes til å optimere rør-dimensjoneringen. I motsetning til de kriterier som vanligvis anvendes, blir det således mulig å anvende så godt som hele det elastiske område hos stål under bruk eller testing av rørene, idet den nødvendige sikkerhetsfaktor som i enkelte tilfeller forskriftsmessig fastsettes, er innebygget i selv-omspenningseffekten. I det tidligere eksempel er således alt slik anordnet at spenningen i test-trykket (1.575 bar) er bare noe mindre enn elastisitetsgrensen, idet det fremdeles forefinnes en faktor på 1,5 før sprengning (2.350 bar), mens det uten omspenning ved identiske forhold ikke ville være mulig å overskride 70% av denne elastisitetsmodul.

Denne forsterkningsteknikk ved kompositt-omspenning av rørene som virker ved det innvendige trykk skal i utstrakt grad brukes for utformingen av stigerørene. Særlig anvendes den for utforming av følgende rør: 1) Sikkerhetsledningene ("Kill and choke lines") hvis arbeidstrykk på 1.050 bar vil det kreve bruk av 1" (25,4 mm) tykke stålrør. Dette kan bringes ned til 10 mm (med samme stål) ved hjelp av omspennings-komposittforsterkningen. Deres totale tyngde (in-kludert forlengelsesstykker) er således halvert samtidig som rørenes innvendige diameter er vesentlig øket (94 mm i stedet for 76 mm) for derved å lette kontrollen av utblåsinger og bidra til å forbedre sikkerheten ved boring. 2) Hovedrøret i den nedre del av stigerøret, slik at dette får en tilstrekkelig fasthet uten å øke stål-tykkelsen, idet omkretsspenningene i hovedrøret i den nedre del av stigerøret ikke skal overskride den grense som er fastsatt i API Rp 2Q standard. De anvendte kriteria for dimensjonering av dette rør nedenfor i beskrivelsen skal være som følger:

- bestemmelse av hoved-stålrørets tykkelse uteluk-

kende på bakgrunn av de langsgående, statiske og dynamiske,

strekk og bøyespenninger,

- bestemmelse av kompositt-omspenningskarakteristikaene for å gi disse rør en tilstrekkelig fasthet i forhold til det innvendige trykk, - fastsetting av det tillatelige nivå av Von Mises kombi

nerte spenninger.

3) Fremgangsmåten skal anvendes ved den nedre del av foringsrørene med den forskjell at i det foreslåtte konsept må disse rør ikke dimensjoneres med sikte på

å oppta trekkraften som der er meget liten. Stål-rørets tykkelse kan således reduseres til et minimum som er forenelig med operasjonsmessige og industri-

elle krav.

Ved at stigerøret blir lettere ved bruk av materiale med lavere densitet, kan de ovennevnte problemer løses på best mulig måte. Alle deler av stigerøret kan gjøres lettere på denne måte ved å erstatte det meste av stålet i hovedrøret (rør og koplinger) med en titanlegering, såsom en legering av typen Ti-6A1-4V som yter tre ganger mer dersom man betrakter dets spesifikke fasthet (forholdet mellom elastisitetsgrense og densitet) samt også mer utmatingsbestandig og mer bestandig mot petroleum og marin korrosjon.

Slike rør kan oppnås ved hjelp av følgende operasjoner: trekking med platepressen i et "senke/stanse"-verktøy for derved å oppnå halvsylindriske former,

utforming av elementære rør ved langsgående sveising langs to generatriser hos to halvformer,

sammenføyning, ved sirkulær sveising, av elementrør og endestykker for derved å frembringe stigerør-elementer.

Ifølge fransk patentsøknad FR-2 620 956 foreslås en frem-gangsmåte for fremstilling av et titanrør.

Titanrøret kan forsterkes ved hjelp av kompositt-omspen-ningsforsterkning lik den ovenfor beskrevne, og en stålforing av samme utførelse som den ovenfor omtalte, skal anvendes over hele sin lengde. Denne høytytende arkitektur skal muliggjøre forlengelse av stigerør-konseptet opptil en vanndybde på minst 3.600 m med det forbehold at de problemer som oppstår ved en virkelig, langsgående, spesiell vibrasjonsperiode lik eller større enn 7 sekunder ikke er begrensende.

Oppfinnelsen vil bli bedre forstått og dens fordeler tre klarere frem ut fra følgende beskrivelse av spesielle eksem-pler, som ikke er begrensende, anskueliggjort ved de medføl-gende figurer hvor: Figur 1 er en sammenstillingsfigur av stigerøret ifølge oppfinnelsen, Figur 2 og 3 viser i snitt to ulike sider av dette stige-røret , Figur 4 viser et hovedelement ved stigerøret, hvilket element er utstyrt med midler, såsom flottører, som minsker dets tilsynelatende tyngde i vann, og Figur 5 er et snitt gjennom et element av stigerøret hvis stigerør er forsterket ved en utvendig omspenning.

På figur 1 betegner henvisningstallet 1 en overflate-installasjon, såsom et fartøy.

Tallet 2 betegner midlene for forankring av dette stige-røret til et brønnhode 4 ved sjøbunnen. Denne forbindelse er utført ved hjelp av en fleksibel skjøt 5. Stigerøret ifølge oppfinnelsen er generelt betegnet med tallet 6. For ikke å overlesse tegningen, er periferiledningene ikke vist på denne figur.

Stigerøret 6 omfatter to seksjoner. Den første, som er betegnet med henvisningstallet 7, består av elementene 7a, 7b

... 7n utstyrt med flottører 8. Den andre seksjon, med hen-

visningstallet 9, har ikke noen flottør og utgjøres av enheten bestående av elementene 9a, 9b ... 9n.

Stigerøret ifølge foreliggende oppfinnelse innbefatter således flottører bare på stigerørets høyeste seksjon. Eksem-pelvis kan tilstedeværelsen av flottører være avbrutt fra dybder større enn 2.000 m. Stigerøret ifølge foreliggende oppfinnelse eller en seksjon av dette stigerør, som ikke omfatter noen flottør, kan være laget av lette materialer, f.eks. ved bruk av titan, et komposittmateriale, eller ved bruk av omspenning basert på et komposittmateriale, f.eks. ved hjelp av et bånd spent rundt et rør.

Flottørene på den øvre stigerør-seksjonen kan være inter-mittent eller kontinuerlig anordnet, og de kan selvsagt utela-tes nær overflateinstallasjonen.

Figur 2 er et snitt langs linjen A-A av stigerøret ifølge oppfinnelsen. I dette snitt er stigerørets hovedrør betraktet som ikke utstyrt med noen innvendig foring.

Henvisningstallet 8 betegner flottøren. Denne flottør omfatter underskjæringer 11 innrettet til å oppta de perifere ledninger 12. Flottøren er festet rundt hovedrøret 13. I dette eksempel er de perifere ledninger forbundet med stige-røret 13 ved hjelp av en arm 14.

Figur 3 viser et snitt langs linjen BB av stigerøret ved et nivå der flottørene 8 er fjernet. Der er bare de perifere ledninger 12 festet til stigerøret 13 ved hjelp av armen 14.

Dessuten viser figur 3 bruk av en foring 15 som gjør det mulig å minske mengden av slam som sirkulerer i stigerøret, f.eks. under boring med liten diameter. Figur 3 viser slam-sirkulasjonen i den indre sylindriske sone 100, og ringrommet 101 mellom foringen 15 og stigerøret 13 skal være fritt.

Disse indre foringer kan med fordel være utført i samsvar med søkerens FR patentsøknad nr. 89/10 755.

Figur 4 viser et element av stigerøret, som er sammensatt av flere slike elementer, uavhengig av hvorvidt disse elementer innbefatter flottører eller ikke.

I det på figur 4 viste eksempel utgjøres stigerøret av de sammensatte elementer som allerede er utstyrt med sine perifere ledninger. Henvisningstallet 16 betegner selve elementet. Dette element omfatter to endepartier 17 og 18. Henvisningstallene 19, 20 og 21 betegner perifere ledninger som er forbundet med stigerøret 22 ved hjelp av festemidler som kan omfatte flenser (ikke vist), plater 23 og krager 40.

Det på figur 4 viste element omfatter flottører 8. Sammensetningen av to naboelementer utføres ved hjelp av bajonettkoplinger 24 og 25. Sammensetningen av to naboelementer innebærer sammenkopling av de perifere ledninger ved at endepartiene 26, 27 og 28 koples til de tilstøtende endepartier av de perifere ledninger som svarer til endepartiene 29, 30 og 31.

Figur 5 viser et snitt gjennom et element som inngår i stigerøret ifølge oppfinnelsen.

De perifere ledninger bærer henvisningstallene 32, 33 og 34. Disse perifere ledninger er forbundet med stigerøret 35 ved hjelp av armer 36, 37 og 38. I denne utføringsform er stigerøret 35 forsterket med en omspenning som kan være utført i samsvar med henvisningene i US-patent N. 4 514 245.

Utføringsformen som kombinerer montasjen av elementene vist i figur 1 til 5 gjør det mulig å utføre bore- eller produksjonsoperasjoner for vanndybder større enn 2.300 m.

En slik utføringsform kombinerer de tre karakteristika som gjør det mulig å nå slike operasjonsdybder.

Disse karakteristika er bruk av flottører bare på det øvre parti av stigerøret, bruk av en foring 15 for en del av operasjonene under anvendelse av tungt slam hvis densitet er nær eller større enn 2, og endelig bruk av et stigerør 35 med en masse mindre enn de ekvivalente elementer laget av stål. Dette kan oppnås ved bruk av materialer med lav densitet, såsom titan, ved å bruke et rør laget av et organisk matriks-komposittmateriale eller hvilket som helst annet materiale, såvel som forsterkning ved omspenning. Denne sistnevnte teknikk gjør det mulig å forbedre den mekaniske fasthet til et rør uten vesentlig å øke dets vekt.

Ifølge foreliggende oppfinnelse kan omspenning av stige-røret og/eller de perifere ledninger 32, 33 og 34 utføres.

Omspenningen 3 9 gjør det mulig å anvende lette stigerør-elementer som gir god mekanisk ytelse, særlig med hensyn til de trykkforskjeller som foreligger mellom de indre partier av disse elementer og omgivelsene.

Det ligger selvsagt innenfor oppfinnelsens ramme å utføre stigerør-elementene av materialer med lav densitet, såsom titan, eller å utføre dem ved hjelp av komposittmaterialer, særlig med en forsterket organisk matriks ved hjelp av glass-fibertråder, Kevlar eller karbon.

Likeledes kan ifølge foreliggende oppfinnelse bare en del av stigerøret omfatte et stigerør, eller perifere ledninger forsterket ved omspenning. Slike foranstaltninger er nødven-dig på meget store vanndyp.

De fordelaktige virkninger av de ovenfor angitte kon-struksjonsmessige trekk vil bedre forstås ut fra beskrivelsen av et spesielt anvendelseseksempel som svarer til et stigerør ifølge oppfinnelsen og kan operere på en vanndybde av 3.000 m. De hoveddata som benyttes ved denne beskrivelse er angitt som følger:

Vanndybde: 3.000 m

Stigerørets utvendige diameter: 533,4 mm (21") Elementenes effektive lengde : 22,86 m (75 ft) Perifere ledninger: . drepe- og strupeledninger (arbeidstrykk: 15.000 Psi (103.425 kPa)) . trykkforsterker- og hydraulikkledninger (arbeidstrykk: 5.000 Psi (34.475 kPa)) Slammets maksimale densitet:

. 1,68 (14 ppg) etter utlegging av 13 3/8" rør

. 2,04 (17 ppg) og over

. dimensjoneringskriteria: API RP 2Q

Strekk-kapasitet: 908 t (2.000 kip) anvendbar til 71%

(675 t)

Anvendte materialer:

. X80QT-stål: (elastisitetsgrense: 560 MPa)

. Ti-6AL-W-titan (elastisitetsgrense: 830 MPa)

. Kevlar-fibre og polyamidharpiks for omspenning

. Syntetiske skum for flottørene

Flottørdensitet:

. 0,368 (for dybder ned til 650 m)

. 0,456 (for dybder ned til 1.350 m)

. 0,513 (for dybder ned til 2.000m)

De retningslinjer som anvendes for bestemmelse av stige-rør-karakteristikaene følger av det som ovenfor er angitt i foreliggende søknad. De viktigste av disse er omtalt i det følgende: 1) sikkerhetsledningene ("drepe- og strupeledninger") har en innvendig diameter på 93 mm og er forsterket ved en kompositt-omspenning, 2) et parti av stigerørelementene har et hovedrør av titanlegering, som muliggjør vesentlig reduksjon av deres tyngde, 3) hovedrørets tykkelse beregnes ved utelukkende å betrakte strekk- og bøyespenningene i lengderetningen; motstanden mot omkretsspenningene på grunn av trykket justeres ved en opti-malisert forsterkning av røret ved hjelp av den samme kompositt -omspenningsmetode, 4) en rørforing plasseres innvendig i stigerøret etter at 340 mm (13 3/8")-rørene er lagt; dette rørets omkretsfasthet øker også som funksjon av behov, ved hjelp av kompositt-omspenning, 5) hovedspenningene (lengde-, radial- og omkretsretningene) samt de kombinerte Von Mises-spenninger er ved vanlige bore-forhold begrenset til 1/3 av elastisitetsgrensen til det materiale hovedrøret er laget av, 6) et parti av stigerørelementene er utstyrt med flottører slik at deres tilsynelatende tyngde i vann teoretisk er null. Flottører av syntetisk skum benyttes imidlertid ikke under en vanndybde på 2.000 m; tre elementer uten flottører er også anordnet ved stigerørets øvre parti.

Stigerørets sammensetning er angitt ved slutten av en generell, statisk og dynamisk analyse av spenningene i hoved-røret. Dens hovedkarakteristika er gitt i følgende tabell:

Følgende komplementerende presiseringer kan tilføyes til ovenstående: 1) Titan er bare benyttet for de nedre 1.000 m av stige-røret, idet stål er bibeholdt for den største del av lengden. Flere betraktninger ligger til grunn for dette valg: ettersom prisen på titanrør er meget høyere enn på stål-rør, er det viktig med en streng begrensning av deres antall,

stigerørets totale masse som følge av denne konstruksjon er, som det vil fremgå, tilstrekkelig redusert til å gi en akseptabel dynamisk funksjon i de mest ugunstige meteo-oceano-grafiske forhold. Et stigerør hvis hovedrør i sin helhet består av titan og hvis masse følgelig vil være mindre enn' 1.000 t, vil være å anbefale for meget dypere vannivåer (ned til 3.500 eller 4.000 m).

Den egentlige periode til det således dannete stigerør er i hvert tilfelle mindre enn 7 sekunder, mens det ville overskride denne verdi dersom et rør i sin helhet var laget av titan, hvilket kunne gi opphav til alvorlige mangler.

Stålelementenes forbindelse med titanelementene vil kunne utføres uten noen særlig vanskelighet ved hjelp av korte spesialskjøter. 2) Flottørenes diameter er beregnet ut fra den forutsetning at de vil dekke nesten hele røret ved hvert element og at nær-været av de perifere ledninger vil minske det effektive volum som opptas av skummene med 85%. Den beregnete diameter er således forenelig med gjennomføring av alle stigerørets elementer i 49 1/2" (1,26 m) rotasjonsbordet. 3) Forholdet mellom den tilsynelatende tyngde og massen til stigerøret er 13%, hvilket, som det vil fremgå, er en tilstrekkelig verdi til at det får en utmerket stabilitet og hindrer det i å strekk-avlastes. 4) Ytterligere utstyr er tatt i betraktning ved de følgende beregninger. Disse er: en teleskopskjøt, 30 m lang og med en masse på 20 t,

utgjør forbindelsen mellom selve stigerøret og den flytende bæreinnretning under boreoperasjoner. I vente-situasjoner fjernes teleskopskjøten og stige-

røret henges opp under bæreinnretningen, anbringes på et rotasjonsbord eller oppfanges ved hjelp av andre midler,

et elastisk ledd utgjør forbindelsen mellom stige-

røret og rørhodet når førstnevnte er forbundet med sistnevnte,

brønnhodet omfatter, under leddet, forbindelsesskjø-

ten (masse 125 t) og BOP'en 47 cm (18 3/4") - egent-

lig 15.000 (masse 225 t). Den av disse to utstyrde-

ler sammensatte enhet eller bare den første kan henges opp under stigerøret når sistnevnte ikke er tilkoplet (i arbeids- eller ventetilstand),

korte skjøter med ulike funksjoner (lengderegule-

ring, stål/titan-forbindelse, måleskjøt, fylleven-til....) kan også forekomme uten modifisering av de følgende resultater.

Skjønnsmessige beregninger har vist at stigerøret ifølge oppfinnelsen har tilfredsstillende mekanisk funksjon og er forenelig med vitale sikkerhetskrav for dets operative bruk.

Vinkelen ved foten av stigerøret er holdt innenfor gren-sen på 2° fastsatt av API dersom avviket ved toppen ikke overskrider 1% av vanndybden og dersom vannstrømmen ikke er for sterk. I motsatt tilfelle må en ytterligere strekkraft på flere dusin tonn anvendes.

Disse skjønnsmessige beregninger har gjort det mulig å konstatere at stigerørets statiske, mekaniske og dynamiske opptreden eller funksjon er under full kontroll. Alle former for spenninger holdes under en tredjedel av elastisitetsgrensen, den fastsatte maksimalverdi, og amplituden til over-strekkbelastningene er tydelig meget mindre enn hoved-strekk-belastningen, slik at enhver fare for strekk-avlastning elimi-neres og utstyret ikke utsettes for spenninger større enn dets grenseverdier.

Dette er i tillegg til de direkte fordeler som skyldes de ulike foranstaltninger som er forklart tidligere i dette doku-ment: en vesentlig reduksjon av slamvolumet i borefåsene der det er tyngst, utelatelse av flottørene der de er minst effektive og mest kostbare, en vesentlig reduksjon av stigerør-elementenes tyngde hvilket letter deres lagring og håndtering på plattformbroene, og mer effektive sikkerhetsledninger, ved å øke deres gjennomgangsdiameter.

Alle disse fordeler, som er blitt mulig ved den utstrakte

bruk av nye materialer, gir utvilsomt den nye konstruksjon av stigerøret en bemerkelsesverdig funksjonsevne og sikkerhet ved bruk på de største dyp som kan tenkes å forekomme ved off-shore - bor ing .

Dessuten vil arten av de foreslåtte løsninger, karakteri-

sert ved en permanent tilgjengelighet og som, i motsetning til hva som er tilfelle med andre eksisterende anordninger, såsom luftflottører eller aktiv strekkbelastning av stigerøret, ikke krever noen menneskelig eller materiell innsats på det rette øyeblikk, sikre boresystemer høy operasjonsmessig pålitelighet og produktivitet, og således garantere uunnværlig rentebilitet for slike risikable operasjoner, både fra et teknisk og økono-

misk synspunkt.

Claims (10)

1. Stigerør beregnet på bruk ved store vanndyp, for overfø-

ring av slamholdig fluid mellom et sted beliggende under en vannmasse og et sted nær vann-overflaten, omfattende et ytter-rør (13, 22) og et innerrør (15), samt perifere rørledninger (12) som strekker seg langs ytterrøret (13, 22) på utsiden av dette, idet et antall flottører (8) omslutter ytterrøret utelukkende på den øvre del av dette,karakterisert ved at innerrøret (15) er beliggende koaksialt i ytterrøret (13) og har mindre ytre diameter enn ytterrørets indre diameter, slik at det dannes et ringrom (101) mellom innerrørets (15) utside og ytterrørets (13) innside, hvorved mengden av slam som sirkulerer gjennom stige-røret minskes.

2. Stigerør ifølge krav 1, karakterisert ved at ytterrøret (13, 22) eller minst én av de perifere rørled-ninger (12) har mindre tyngde enn den ekvivalente tyngde av et ytterrør laget av stål eller perifere ledninger laget av stål.

3. Stigerør ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at ytterrøret (13, 22) eller minst én av de perifere rørledninger (12) i det minste delvis er laget av en titanlegering.

4. Stigerør ifølge et av kravene 1 til 3, karakterisert ved at det har en forsterkning ved hjelp av omspenning over en del av i det minste ytterrøret eller i det minste en del av minst én av de perifere rørled-ninger (12) .

5. Stigerør ifølge krav 4, karakterisert ved at omspenningsforsterkningen er oppnådd ved å vikle et forsterkningsbånd rundt minst en del av ytterrøret eller minst en del av en av de perifere rørledninger.

6. Stigerør ifølge et av kravene 1 til 5, karakterisert ved at den øvre del strekker seg over en lengde på minst 2 000 m og at det har et antall flottører på den øvre del.

7. Stigerør ifølge et av kravene 1 til 6, karakterisert ved at den øvre del har en lengde større enn eller lik 2/3 av stigerørets totale lengde, og at det har et antall flottører anordnet stort sett over hele lengden av den øvre del.

8. Stigerør ifølge et av kravene 1 til 7, karakterisert ved at det er laget av flere elementer og koplinger av bajonetttypen som forbinder elementene med hverandre.

9. Stigerør ifølge et av kravene 1 til 8,karakterisert ved at ytterrøret (13) består av en sammensetning av flere elementer, og at innerrøret (15) består av flere elementer som hvert er opplagret i et tilsvarende ytterrør-element.

10. Stigerør ifølge et av kravene 1 til 3,karakterisert ved at ytterrøret (13) eller minst én av de perifere rørledninger omfatter et komposittmateriale .