NO310518B1 - Dypvannsplattform for strekkforspente stigerör for tilknytning til hydrokarbonbrönner til havs, og fremgangsmåte forå redusere plattformens naturlige periodetid - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse gjelder en dypvannsplattform for hydrokarbonbrønner for produk-sjon til havs, særlig for store havdyp.

Konvensjonelle bunnfundamenterte plattformer med faste eller stive tårnkonstruksjoner er effektive med hensyn til å bære utrustning etc. øverst på plattformen ved havdyp som er middels store eller moderate, men deres grunngitte konstruksjon blir økonomisk mindre attraktiv ved utvinning på dyp over f.eks. 300 m. Et eksempel på dette er gitt i patentet US 4 958 960. Som et alternativ til bunnfundamenterte plattformkonstruksjoner for dyp sjø har man det man kan kalle begrenset elastiske eller ettergivende tårnkonstruksjoner i form av stålfagverk ("compliant towers"), ut fra det prinsipp at konstruksjonen skal kunne følge de påtrykte dynamiske omgivelseskrefter til en viss grad i stedet for stivt å motstå disse. Et grunnkrav for å kunne holde en slik elastisk respons under kontroll er å frembringe en konstruksjon hvis egensvingninger og harmoniske av disse ikke sammenfaller med periodiske svingningsområder for omgivelsene. Dette har ledet frem til konstruksjoner hvor man dessuten i betydelig grad kan redusere den totale mengde stål som trengs for å holde installasjoner og utrustning øverst på plattformen, i forhold til konvensjonelle stive plattformer. Et eksempel er gitt i GB 2 123 883.

Forskjellige tilnærmelser for å modifisere elastiske fagverkkonstruksjoners frekvens-respons for å unngå slikt uheldig svingningssammenfall har vært forsøkt, idet man bl.a. har søkt å redusere både belastning, nyttevekt og stålkravene ved å bygge kompakte og slanke tårn. Imidlertid krever også slike tårn ganske store stålmengder, og dessuten er det slik at en relativt stor del av stålet må være av bestemte gode stålkvaliteter og eventuelt

-legeringer.

Ut fra dette er det åpenbart at man kan vinne mye på forbedringer som på en sikker måte kunne redusere stålmengden og kravet til stålkvalitet, for stålkonstruksjoner for store dyp, enten det gjelder faste (stive) eller elastiske konstruksjoner. Det er her oppfinnelsen kommer inn, ved at det foreslås, slik det fremgår av patentkrav 1: En dypvannsplattform for strekkforspente stigerør for tilknytning til hydrokarbonbrønner til havs, omfattende: et fundament som er forankret til sjøbunnen, tårnhodeutstyr over sjøoverflaten, et tårnunderstell i fagverk som strekker seg vertikalt og er festet til fundamentet og som bærer tårnhodeutstyret og avgrenser en stigerøropphengssjakt mellom dette og fundamentet, og minst ett produksjonsstigerør med hovedsakelig vertikal utstrekning, opphengt i sjakten og innrettet for å gi fluidforbindelse mellom brønnene og tårnhodeutstyret. Dypvannsplatt-formen særmerker seg ved en stigerør<p>pphengssammenstilling som understøtter hvert stigerør nær sin øvre ende for å sørge for den vesentligste lastoverføring mellom hvert stigerør og tårnunderstellet, hvorved hvert stigerør understøttes i strekk.

Stigerøropphenget sørger således for hovedoverføringen av belastningen mellom stigerør og plattformunderstell, og konvensjonelle styringer og tilhørende horisontale skinner kan derfor i alt vesentlig elimineres fra konstruksjonen. Oppfinnelsen er særlig anvendelig for elastiske tårnkonstruksjoner. Den gjelder videre en fremgangsmåte for å redusere den naturlige periodetid i den harmoniske respons som tilsvarer piskemodus for et elastisk tårn på dypt vann, hvilket tårn har et hovedsakelig vertikalt stålfagverk, er festet til et fundament i sjøbunnen, bærer et tårnhode over sjøoverflaten og har flere stigerør som danner forbindelse mellom tårnhodet og flere brønner i sjøbunnen via et stigerørstrekk, og denne fremgangsmåte er kjennetegnet ved fråkopling av stigerørenes masse fra stålfagverket ved å holde fast stigerørene øverst i flere oppheng under strekkforspenning, slik at disse oppheng derved gir den vesentligste lastoverføring mellom stigerørene og fagverket, idet stigerørenes frie spenn fritt kan oppta påvirkende krefter utenfra over hele lengden og uavhengig av fagverket.

Oppfinnelsen skal nå gjennomgås i nærmere detalj, ved foretrukne utførelsesformer. Samtidig vises til tegningene, hvor fig. 1 isometrisk viser et fagverkstårn ifølge oppfinnelsen, fig. IA viser den øverste del av samme, fig. IB viser i større målestokk et stigerøroppheng i en utførelse av tårnet tilsvarende fig. IA, fig. 1C viser et tverrsnitt slik som antydet med 1C-1C på fig. 1, fig. ID viser det tilsvarende tverrsnitt av den øvre del, indikert med 1D-1D på fig. IA, fig. 1E viser i delvis lengdesnitt en stigerørstreng med dobbelvegg, beregnet for stort trykk og egnet for oppfinnelsens tårn, fig. 1F viser et enderiss av utførelsen vist på fig. 1G i transport, fig. 1G viser et horisontalsnitt av oppfinnelsens elastiske tårn i en alternativ utførelse, fig. 2 viser i perspektiv et elastisk tårn som ikke er i samsvar med oppfinnelsen, fig. 2A viser et tverrsnitt av dette tårn, indikert med 2A-2A på fig. 2, fig. 3A viser skjematisk hvordan et elastisk tårn svinger ut til siden (svaier), fig. 3B viser skjematisk hvordan et slikt tårn utfører en annenordens svingning (piskebevegelse), fig. 3C viser skjematisk hvordan den førsteordens svaiebevegelse arter seg for et elastisk tårn med flere toppstrukne og stivt festede stigerør, fig. 4A viser skjematisk havbølgenes frekvensfordeling ved storm og ved rolige værforhold, fig. 4B viser grafisk den dynamiske respons for tre konvensjonelle dypvannstårnkonstruk-sjoner, fig. 4C viser grafisk karakteristiske tretthetsparametre for to forskjellige elastiske tårn, fig. 5 viser et oppriss av en alternativ utførelse av oppfinnelsens tårn og hvor en halvt neddykket borerigg utfører boring ved siden av tårnet, og fig. 5A viser et oppriss av den øverste og den nederste del av det elastiske tårn på fig. 5 etter avslutningen av boringen.

Fig. 1 illustrerer en utførelse av et dypvannstårn 10 for strekkforspente stigerør og konstruert i henhold til oppfinnelsen. Stigerørene og tårnhodeutstyret er ikke tatt med på figuren for å gjøre denne enklere. Det viste tårn er basert på en foreløpig konstruksjon for tretti brønner i en vanndybde på 1 km og med en nyttelast på 22605 tonn, innbefattet 6000 tonn strekkforspenning av stigerørene. Eksemplet viser en lettvektkonstruksjon med relativt bred henstilling og med et noe elastisk rammeverk. Nærmere enkelheter vil fremgå av beskrivelsen nedenfor.

1 den viste utførelse har dypvannstårnet 10 et stålfagverk 12 som kan tøye seg noe

(eng.: compliant framework) og som nederst har eller går over i pæler 14 som ikke bare danner et fundament 16 i sjøbunnen 22, men også strekker seg oppover et stykke over overflaten av bunnslammet, over et bunn-nivåstag 24. Ved at pælene på denne måte strekker seg over en betydelig lengde av stålfagverket 12 bidrar de til tårnets opprettings-moment og dynamiske respons. Pælene 14 opptas langsgående forskyvbart i hylser 18 langs tårnets ben 20.

Den øverste del av pælene kan være fast forbundet med bena i seter 27 ved utstøping eller i en hydraulisk aktivert festemekanisme. Minimale relative bevegelser ved rolige værforhold kan opptas i en elastomerpakning i forbindelsen mellom pælene og hylsene, og større bevegelser kan opptas i den forskyvning som hylsene tillater.

Den øvre ende av tårnet 10 i denne utførelse er vist i nærmere detalj på fig. IA, med det som her er kalt tårnhodeutstyr 30 på oversiden av sjøoverflaten 26 og som kan bestå av et ventiltre for å holde et opphengsbrett for stigerør (den enkleste utførelse), opp til og innbefattende bore- og prosessutstyr for å separere og forberede produsert fluid for transport. Bena 20 skrår oppover mot hverandre i en seksjon 32 som i denne utførelse ikke behøver å være så bred øverst, siden tårnhodeutstyret ikke forlanger den ekstreme benbredde som ellers vil kunne bidra til ønsket dynamisk respons for et stålfagverk 12 av annen type. En plattformbasis 34 som danner et øvre fundament forbinder den oppover avsmalnende seksjon 32 med tårnhodeutstyret 30, og i denne utførelse bærer plattform-basisen 34 ikke bare et boredekk 36 og eventuelt andre driftsdekk øverst i tårnet 10, men omfatter også båtdekk 38 i hjørnene og et pyramidefagverk 40 som vekten av stigerørene (ikke vist) opptas av det opphengsbrett 42 som holder rørene eller fra dekket og med retning mot bena 20.

Fig. IB viser nærmere en utførelse av hvordan et stigerør 44 holdes festet ved hjelp av en strekkavlastningskopling 106 i opphengsbrettet 42 (fig. IA og 1C). I den viste utførelse omfatter opphenget en strekkavlastet øvre seksjon 108 i stigerøret 44, hvilket øker dettes fleksibilitet, slik det er vist i patentet US 5 447 392, og beskrivelsen i dette patentskrift tas her med som referanse.

Stigerøret 44 (egentlig en sammenføyd streng) strekker seg oppover fra et undervanns brønnhode 116 på sjøbunnen 22 og opp til opphengsbrettet 42 gjennom en strekkseksjon 118 ("et løpende spenn"). Stigerørvekten overføres til opphengsbrettet 42 via den mellominnsatte strekkavlastningskopling 106, og opphengsbrettet omfatter et gitterverk av skinner 120 og bæreplater 122 holdt oppe øverst i stålfagverket 12 av det allerede nevnte pyramidefagverk 40 som utgjør en del av det komplette fagverk 12. Bæreplateinnsatser 124 er lagt inn for å oppta strekket, og disse innsatser omfatter et halvkuleformet sete 126 av elastomermateriale for å gi flatekontakt mellom en del av stigerøret og bæreplatene 122. Strekkavlastningskoplingen avlaster strekkseksjonen 118 av stigerøret 44 fra den strekkavlastede rørseksjon 108. Denne seksjons øverste ende er i alt vesentlig festet til en innsnevringshylse 110 nær brønnhodet 112, og med en slik anordning får man en viss fleksibilitet hos den kraftig strekkforspente streng av stigerør 44 beregnet for stort trykk, mellom brønnhodets styredel eller selve brønnhodet 116 på sjøbunnen og et overflatebrønnhode 112. Stigerørets fleksibilitet holdes isolert i forhold til hylsen 110 nær dette brønnhode, hvorved bruken av et fast brønnhode i et ettergivende tårn muliggjøres.

Hvordan skyverørene kan bevege seg inne i det ettergivende eller elastiske dypvannstårn 10 med stålfagverkoppbygging er særlig vist på fig. 3C og skal forklares nærmere nedenfor.

Opphenget opptar altså vektbelastningen av stigerørene 44 nær deres øverste ende. I kontrast til dette kjennes tradisjonelt at belastningen fra stigerør i boretårn til havs på konvensjonell måte opptas under trykk i form av produksjonsforingsrør eller produksjonsrør inne i et relativt stort rør som gjerne kalles en konduktor eller et drivrør og som drives inn i sjøbunnen og derved tjener som en uavhengig pæle som holdes på plass inne i tårnets fagverk med styringer med regelmessig avstand over hele tårnets høyde. Slike styringer vil være nødvendig for å gi sidestøtte for drivrørene og derved hindre disse i å svinge ut sideveis med knekkfare.

Drivrørene har i praksis ganske mye større diameter enn det som er nødvendig for opphengte produksjonsstigerør i de ordinære anvendelser av denne oppfinnelse, dvs at diametrene gjeme har vært i størrelsesorden 457 - 1220 mm i motsetning til standardmålet 9 5/8" (244 mm) eller mindre for produksjonsstigerørene. Den større diameter av drivrørene trengs delvis fordi man i tradisjonell konstruksjon har anvendt dem på stedet for både bore- og produksjonsformål.

Til sammenlikning behøves ifølge oppfinnelsen ikke slike drivrør eller deres styringer. Dette eliminerer også behovet for en god del av de horisontale stag som ellers har hørt med for å bære drivrørstyringene, såvel som de vertikale stag som har tjent til nødvendig katodebeskyttelse for slike rør.

Fig. 1C viser et tverrsnitt av tårnets fagverk 12 og med stigerør 44 som er ført gjennom en stigerøropphengssjakt 56 i dette. I den foretrukne utførelse dannes sjakten i et brett åpent innvendig rom i stålfagverket og uten konvensjonelle støtter anordnet regelmessig over høyden av tårnet. Følgelig kan man ha større relativ bevegelse mellom de enkelte stigerør, og sammenstøting av hvert enkelt rør vil måtte tas i betraktning. Dette må imidlertid ses i sammenheng med det reduserte behov for horisontale stag, slik at man får en økonomisk gunstig elastisk tåmkonstruksjon. En relativt bred tårnutførelse vil kunne oppta tilstrekkelig god klaring mellom et større antall stigerør 44 uten at sammenstøting vil være noe særlig problem og hvor man altså ikke behøver noen støttestag ved regelmessig avstand.

Med det at tårnet er relativt bredt (eng.: "wide-bodied stance") menes naturligvis at forholdet mellom tårnhøyden og benavstanden er relativt liten. Arealet av tårntverrsnittet vil henge sammen med avstanden mellom bena, og for konvensjonell geometri kan man ha et foretrukket forhold mellom den totale høyde L av stålfagverket og kvadratroten av det totale areal A av tverrsnittet på mindre enn 12:1. Utførelsen behøver imidlertid ikke ha dette forholdet over hele lengden av tårnet for å oppnå de fordeler som er antydet, og så lenge dette forhold:

over minst 70 % av fagverklengden vil konstruksjonen være tilfredsstillende.

Det er også ønskelig å redusere horisontalavstivningen samtidig med at man holder den relative størrelse av den i alt vesentlig åpne stigerøropphengssjakt bredest mulig. "Åpenheten" kan uttrykkes som en funksjon av arealet av sjakten i forhold til det totale areal av tverrsnittet av stålfagverket ved ett eller annet gitt horisontalt nivå. En foretrukket "åpenhet" oppnås med sjakten med tverrsnittet minst 22 % av det totale tverrsnitt av fagverket over hele tårnlengden.

Den illustrerte utførelse angir også en måte for å redusere belastningen fra ytre krefter mot tårnet. Stålfagverket installeres med flere ben, et minimum av horisontale stag mellom disse og et i alt vesentlig åpent indre. Produksjonsrørene med relativt liten diameter henges fritt under strekk i det indre åpne rom i fagverket, det rom som utgjør opphengs-sjakten 56. En slik konstruksjon gjør tårnet relativt lett gjennomtrengelig for vann og dermed bølgebevegelse, hvorved skjærkrefter og momenter reduseres slik at konstruksjonen kan motstå påtrykkene uten å måtte overdimensjoneres.

Ved at man eliminerer konvensjonelle drivrør og deres styreinstallasjoner betyr at det ikke vil være noen slik infrastruktur for å gi sidestøtte for konvensjonelle høy-trykksborerør som er selvbærende i vertikal retning, men som må hindres i å knekke ut sideveis. Sidestøtten for slike tunge borerør har tidligere vørt nødvendig for å kunne gi adgang til brønnen for boreoperasjoner via en sikringsventil av typen BOP på overflaten, men fig. 1E viser i stedet et høytrykksstigerør 140 med dobbelvegg for å utføre boring via et opphengssystem i samsvar med oppfinnelsen. Dobbelrøret 140 består av et ytre stigerør 142A som er opphengt i dekket 36A over vannflaten 26, og det dobbelveggede stigerør 140 strekker seg ned til et brønnhode 116A på sjøbunnen 22. Stigerøret har som indre rør 142B et trykkfast rør som står i forbindelse med brønnen via en pakning i brønnhodet 116A. Installasjonen av det ytre stigerør 142A kan lettes i et føringssystem 148. En sikringsventil 144 på borstedet gir brønnkontroll øverst i stigerøret 140.

Et slikt system tillater bruk av et lettvekts ytre stigerør 142A alene for å bore de første intervaller hvor man må ha borerør med stor diameter, og eventuelle trykkstøt vil høyst være moderate i brønnens første område. For de senere trinn med større formasjonstrykk kan det indre stigerør 142B installeres og gir støtte for den fortsatte boring. Dette indre rør har reduserte diameterkrav siden disse følgende boreintervaller er begrenset for det innerste av de allerede monterte foringsrør 146 som har stadig avtagende diameter nedover. Det ytre stigerør 142 kan derved holdes på plass og være tilgjengelig for å gi positiv brønnkontroll for opptak og erstatning av det indre stigerør

142 hvis dette skulle behøve utskiftning.

Det å sørge for høytrykksspesifikasjonene med mindre diameter i rørene, særlig for det indre stigerør 142B, gir overflatetilgjengelig reservebrønnkontroll samtidig med at man reduserer vekten av stigerøret betydelig i forhold til konvensjonelle høytrykksrør i en enkelt rørstreng med stor diameter. Den netto besparelse gjelder også etter at man har tatt med vekten av det lettvekts ytre stigerør 142A. Videre tillater den lette erstatnings-mulighet for det indre stigerør mindre slitasjekrav og gir ytterligere fordeler ved at man kan bruke rørmateriale som er konstruert for foringsrør for å danne det indre høy-trykksstigerør 142B.

Fig. 1E illustrerer også en alternativ form av den strekkavlastede rørseksjon som er vist ved 108 på fig. IB, nå med et strekksystem 140 som holder produksjonsstigerøret 44 fra et forbindelsesdekk 36B. Dette strekksystem fører imidlertid til et forskyvbart brønnhode 152 koplet til fasilitetene via fleksible slanger og er ikke ledende mot hardrørforbindelser som er egnet for et fast brønnhode på overflaten.

Det doble og konsentriske høytrykksstigerørsystem i form av en stigerørstreng med dobbel vegg og som er vist på fig. 1E er beskrevet i nærmere detalj i US patentsøknad 167 100 av 20.12.93, og beskrivelsen i dette patenskrift tas her med som referanse. Fig. 2 og 2A illustrerer en annen konstruksjon for et ettergivende tårn 10A, også i form av et stålfagverkstårn med relativt stor avstand mellom bena. Tårnet 10A omfatter imidlertid ikke oppfinnelsens elastiske fagverk og er begrenset til å la stigerørene passere gjennom lederør og under støtte av horisontale stag som er anordnet med relativt liten avstand over tårnets lengde. Denne kjente konstruksjon ble undersøkt ved en vanndybde i størrelsesorden 1 km og med et sett styreelementer ved intervaller på 20 - 30 m langs tårnets utstrekning. Fig. 2A viser et tverrsnitt ved et nivå hvor det er horisontale støttestag, og det fremgår at man må ha slike stag 58 for rørføringer 60 hvor drivrør 44A er holdt på plass og støttet sideveis. Sammenlikning med fig. 1C indikerer grovt hvor mye materiale man kan spare med oppfinnelsen, f.eks. ved at denne bare behøver være på 66 000 tonn, mens den konvensjonelle konstruksjon må ha ca. 100 000 tonn stålmateriale for tilsvarende vanndybde. Begge disse mengdeberegninger inkluderte stålet i fundamentet. Fig. 1C illustrerer en annen måte å spare stål på i samsvar med denne oppfinnelse. Midlertidige krav for den belastning som skal tåles under installasjonen, f.eks. ved avlastning av tårnseksjoner 13 (fig. 1) fra et fartøy, idet dette omfatter en "flytende" fagverksdel 62 med stag 58A og skinner 64 for å gi forsterkning, alternativt til å styrke hele konstruksjonen for å kunne oppta slike temporære belastninger når det elastiske stålfagverk holdes horisontalt. Denne støttefunksjon er komplisert noe ved at skinnene 64 kan være anordnet innenbords i stedet for vertikalt fluktende med hjørnebena under transporten. Den innsnevrede skinneavstand ligger til rette for horisontal transport av en ganske bred plattform hvis sider strekker seg ut over bommene for tilgjengelige transport-fartøyer innenfor de vanlige klasser. Videre gir konstruksjonsforsterkningen fordeler under installasjonen av tårnet ved orientering slik at fagverksdelen 62 kommer til å forsterke det elastiske tårn i retningen av de kritiske påvirkende krefter som erfaringsmessig er herskende ved det aktuelle sted for installasjonen. Fig. 1F og 1G illustrerer en annen alternativ utførelse av oppfinnelsens fagverkståm. Fig. 1G viser et tverrsnitt av et tårn 10 hvis ben 20 er anordnet for et trapesformet tårntverrsnitt med minst mulig antall horisontale stag 58 og med et ganske åpent triangulært område i midten som danner stigerøropphengssjakten 56 for stigerørene 44. Dette bygger opp et alternativt integrert arrangement for den "flytende" fagverksdel 62 med skinner 64 som også er retningsbestemte i sin konstruksjonsmessige forsterkning og kan orienteres ved installasjonen slik at det oppnås forsterkning av det ettergivende tårn i retningen av de fremherskende kritiske omgivelsesbelastninger, angitt her som EMAKS. Fig. 1G illustrerer tårnet vist på fig. 1F under fartøytransport frem til installasjon. Det trapesformede tverrsnitt har skråstilte skinner/stag som letter utplasseringen av ganske brede tårn ved hjelp av den eksisterende flåte av relativt smale fartøyer 154. Foreløpig analyse av denne type utførelse gir hensiktsmessig stabilitet for den opplastede og ballasterte farkost basert på at oppdriftssenteret 160, tyngepunktet 158 og metasenteret 156 ligger på linje, med tyngepunktet tilstrekkelig langt under metasenteret.

Som angitt ovenfor er elastiske tårn konstruert for å kunne bevege seg, f.eks. ved svaiing, på kontrollert vis i respons på dynamiske krefter fra omgivelsene, og dette krever at konstruksjonen har egenresonanser (innbefattet harmoniske frekvenser) som ikke sammenfaller med de som kan forventes fra naturen. Fig. 3A og 3B illustrerer skjematisk en grunnsvingebevegelse i form av en svaiing hhv en førsteharmonisk bevegelse (2.ordens svaiing eller piskebevegelse) for et stålfagverk 12, idet det er disse to bevegelsesmønstre som er de viktigste. De høyere ordens bevegelser vil ha tendens til å gi egenresonanser som ligger langt over frekvensen av de påtrykte krefter som følge av vind, bølger og strøm. De fremherskende krefter vil f.eks. i Mexicogulfen gjerne være konsentrert i bølgelengdeområdet 7 - 16 s, og konstruksjonene tilstreber egenresonansperiodetider på under 6 s eller over omkring 22 s. En typisk bølgeperiodefordeling for deler av Mexicogulfen er illustrert grafisk på fig. 4A. Området 70 er det som normalt opptrer, mens området 72 illustrerer forskyvningen i bølgepåtrykk ved kraftige stormer. Fig. 3A viser altså den fundamentelle svaiebevegelse for et stivt legeme, i dette tilfelle et ikke helt stivt dypvannstårn 10. Slik bølgebevegelse vil ha en naturlig karak-teristisk frekvens. En konstruksjon med usymmetrisk respons kan ha mer enn én egengrunnfrekvens for ren svaiing. Utførelsen vist på fig. 1, slik den er analysert i den foreløpige konstruksjon for et bestemt formål til havs, har en typisk svinge- eller svaiemodus hvis periode er 41 s. Denne periodetid er betydelig lengre enn de normale påtrykkskrefter på stedet. Fig. 3 illustrerer skjematisk og sterkt overdrevet virkningen av svaiebevegelse for et stålfagverk 12 i et elastisk tårn 10, og særlig vises hvordan de innspente stigerør 44 vil oppføre seg. Bevegelse av tårnet vil således gi tendens til slakking av enkelte stigerør 44A og ytterligere strekking av andre stigerør 44C, mens en tredje gruppe stigerør 44B ikke vil få nevneverdig annerledes påkjenning enn ved normalt vertikalt tårn. Klaringen mellom stigerørene må kunne opprettholdes selv ved en slik dynamisk bevegelse. Merk gså at variasjonene i stigerørstrekket vil endre den dynamiske respons av de enkelte stigerør, idet analysen derved blir mer komplisert. Et annet observerbart aspekt i denne sammenheng er vinkelutsving i stigerøravslutningene oppe og nede, idet disse avslutninger også kan kalles avgrensningsfiksturer. Fig. 3B illustrerer den andreordens bevegelse som altså kan kalles piske- eller buebevegelse, for et noe elastisk tårn 10. Igjen er det slik at usymmetri kan føre til flere harmoniske frekvenser for den bestemte svingemodus. A unngå egensvingningene ved en slik respons er ofte noe mer av en ingeniørutfordring enn å oppnå en ønsket svaiemodus. Fig. 4B viser generelt i en grafisk oversikt hvordan den påtrykte bølgekraft mot bestemte tårnkonstruksjoner kan settes opp som en bølgeoverføringsfunksjon over et frekvensspektrum. Forholdet er kvalitativt angitt i fig. 4B med kurven 64 for et fast tårn med benavstand 45 m ved vannlinjen, med kurven 66 for et elastisk tårn med tilsvarende vannlinjegeometri, og med kurve 68 for et 80 m bredt stigerørtårn i samsvar med fig. 1. De oppoverrettede tendenser fra de viste "daler" med lav energi i overføringsfunksjonene er angitt ved punktene 64A, 66A og 68A på de enkelte kurver. Kravene til motstandsdyktighet overfor utmatting for hver av disse plattformer øker drastisk for egenresonansfrekvenser over disse punkter, men responsen av denne utførelse av oppfinnelsens fagverkstårn er karakterisert ved en ytterligere "dal" med redusert relativt påtrykt kraft i forhold til et smalere ettergivende tårn.

Kompakt sammensatte slanke tårn med konvensjonelle drivrørstyringer og med smal benføring har vært undersøkt med tanke på mindre stålbruk. Konstruksjonen har imidlertid måttet ta i bruk strukturert stål, og ofte har man i stedet endt opp med behov for spesialstål. Den dynamiske respons for slike tårnkonstruksjoner har gjennomgått nøye analyse og har vist seg å være relativt marginal for store bølgekrefter i resonans i responsen overfor annenordens bevegelse (piskemodus). En ganske nylig utført foreløpig konstruksjon av et slankt tårn med bare 45 mm bredde, og hvor tårnet var beregnet for 1000 m dyp førte til et behov for omkring 125 000 tonn stål i motsetning til de 66 000 tonn den tilsvarende konstruksjon ifølge oppfinnelsen ville kreve.

En bred benføring har for slike tårn vist seg å være gunstig når det gjelder å bringe resonansfenomenene i piskemodus unna de områder hvor dynamisk forsterkning og tretthetsfenomener blir et problem. Ved å øke bredden av tårnet vil man imidlertid også få bruk for større stålmengde, og selv om denne ulempe godtas vil den dynamiske respons for et slikt elastisk tårn fremdeles kunne vise seg uaksepterbar ved anvendelser med ellers konvensjonelle drivrør, tårnfasiliteter og vannlinjedimensjoner. Et slikt tilfelle er illustrert med kurver 66 på fig. 4B, utført for den foreløpige konstruksjon av det elastiske tårn som er vist på fig. 2. Konstruksjonen gjaldt førti brønner ved omkring 1000 m vanndybde, og konklusjonen var at egensvingningen i piskemodus lå ved omkring 10,6 sekunder, hvorved man kunne frykte dynamisk forsterkning. Se punkt 66B på fig. 4B i forhold til energinivåene på kurve 66.

I kontrast til dette forbedres ifølge oppfinnelsen den dynamiske respons, og dette vil forstås av fig. 3C. Stigerørene 44 er der vist uavhengig av hverandre og uten tilkopling til fagverket 12. Man unngår altså de innvendige stag som støtter rørene, og man får altså ikke deres tilleggsmasse. Dette kan vise seg å ha vesentlig betydning, slik det er demonstrert i eksemplet hvor førti konvensjonelle 30" (762 mm) drivrør ville ha den kombinerte effektive masse på omkring 70 000 tonn, sammenliknbar med vekten av stålet i selve ytterkonstruksjonen av tårnet. Piskemodusresponsen for elastiske tårn er relativt ufølsom for variasjoner i belastning/vekt fra toppen av tårnet, hvilket gir den fordel at stigerørene kan strekke seg hovedsakelig fritt gjennom fagverket og effektivt frakople stigerørenes masse fra den som fastlegger piskemodusresponsen for tårnet 10.

Ved at man videre kan unngå drivrørstyringer og de tilhørende tverrliggende stag slik at man kan få et stort fritt indre i tårnet gjør at innkommende bølger lettere vil kunne passere og gi mindre kraftoverføring. Videre gjelder det faktum at et relativt bredt tårn vil få de uunngåelige bølgestøt mot baksiden av konstruksjonen hovedsakelig i motfase med bølgefronten på forsiden, og derved får man i større eller mindre grad en "bølge-kansellering" som virker gunstig på den dynamiske respons hos tårnet ifølge oppfinnelsen. En strategisk plassering av bølgeslagkonstruksjonselementene, f.eks. ved å legge båtdek-kene 38 vist på fig. IA langs yttersiden kan man ytterligere påvirke denne virkning i gunstig retning.

Man kan samtidig også forbedre egenskapene med hensyn til tretthetsfenomener.

Fig. 4C illustrerer dette i en såkalt "varmpunktsstrekkanalyse" for to ettergivende plattformer med tilsvarende piskemodusperiodetid, nemlig på omkring 8,5 hhv 8,75 s. Beregninger i samsvar med API-forskriftene for tillatelige påkjenninger i spesielt utsatte punkter slik analysen nevnt ovenfor angir, som funksjon av basisskjærkreftene og ved den naturlige piskemodusperiode brukes som indikasjon for den relative utmattingsvirkning for en offshoreplattform. Kurven 102 angir en plattformkonstruksjon som først ble analysert og ikke ga noen bølgekansellering ved at oppfinnelsens prinsipper ikke ble anvendt. Den tillatte punktpåkjenning (AHSS: "Allowable Hot Spot Stress") med hensyn på skjærvirkning er indikert ved skjæringen av denne kurven og piskemodusperioden, dvs i punkt 102A. Sammenlikning med kurven TRCT med skjæringspunktet 104A, indikerer klart at den høyere verdi tillater en lettere konstruksjon.

Kombineres fordelene med å frakople massen av stigerørene fra den dynamiske respons av tårnet, og fordelene med forbedret bølgekansellering, vil man kunne få en betydelig forbedret dynamisk respons for et elastisk tårn. Sammenlikn responskurvene 68 og 66 på fig. 4B for ellers tilsvarende elastiske tårn. Man merker seg at de stigende bølgekraftresponskurver ved punktene 68A og 66A indikerer tårn med kortere piskeperioder som resonanspåvirkes ved redusert bølgekraft.

Et annet aspekt ved oppfinnelsens foretrukne utførelse antydes ved sammenlikning mellom et dypvannstårn 10 slik det er vist på fig. 1 og et konvensjonelt elastisk tårn 10A med relativt stor bredde, vist på fig. 2 og 2A. Tåmkonstruksjonen vist på fig. 2 ble beregnet å ha en piskemodusrelatert harmonisk frekvens som tilsvarte bølgelengden 10,1 - 10,6 s, i avhengighet av konstruksjonens svingeakse. Perioden ble vurdert å være uaksepterbar siden naturlige omgivelseskrefter nettopp ville kunne forsterkes i harmonisk respons. I motsetning til dette ble det lettvekts bredbente elastiske tårn vist på fig. 1 beregnet for en anvendelse for å ha en betydelig forbedret piskemodusperiode på 8,5 s. Selv om til-fellene ikke er direkte sammenliknbare eller identiske vil prinsippet med å frakople stigerørene fra fagverket gi en betydelig forbedring mht den totale dynamiske respons.

Fordelene med oppfinnelsens stigerørstrekktårn for dypt vann er i første rekke illustrert ved hjelp av et elastisk fagverkstårn av stål, men et komplett register av elastiske tårn, innbefattet, men ikke begrenset til: svaietåm, fleksible tårn med innesluttet masse (vann) og flytetårn vil alle kunne nyte godt av oppfinnelsens fordeler. Oppfinnelsen angir også andre forbedringer, innbefattet eliminering av drivrørføringer, økonomiske fordeler ved å ha en bred vannlinjegeometri og fråkopling av produksjonsrørmassen fra den fordelte tåmmasse, idet dette siste bidrar til en gunstig resonansforsky vning i piskemodusen. Videre kan det oppnås andre fordeler, f.eks. ved at stålkvaliteten kan holdes enklere og rimeligere, sett i sammenheng med konvensjonelle faste plattformer som er installert på flere hundre meters dyp, nær grensen for det som er dagens teknikk.

Videre er fordelene med toppforspente stigerør i dypvannstårnplattformer ikke begrenset til tårn med stor benvidde. F.eks. kan man ha et slankere tårn med stigerør som er hengt opp utenfor selve fagverkskonstruksjonen, og fig. 5 og 5B viser en utførelse av et slikt elastisk tårn 10B. Tårnet er innrettet for å motta støtte for boreoperasjoner fra et hjelpeborefartøy så som et halvt neddykket fartøy 160 som temporært er holdt på plass eller fortøyd til det elastiske tårn 10B for boreoperasjoner. Boringen vil derved utføres ved hjelp av et borerør 162 som føres fra hjelpefartøyet. Brønnen avsluttes og borerøret ersattes av et produksjonsrør 44A som kan overføres til plattformen og festes til denne ved toppfastspenning i et oppheng 164 (fig. 5A). Det brukes ingen konduktor eller konduktorføring, og man har heller ingen opphengssjakt for rørene. I den viste utførelse er opphenget 164 en vippearmrørstrekker som letter overføring av røret og gir avstand mellom de enkelte rør 44A fra tårnets sider. Selv om figuren viser et halvt neddykket fartøy 160 som skyver tårnet 10B til siden med overdrevet utsving er det klart at det ikke er ønskelig å påkjenne fagverket 12A på denne måte, og i stedet kan man bruke et hjelpefartøy av en type som gir utoverragende boredekk for å få bedre flukting og uten at man må presse den øverste del av tårnet til siden. Videre kan det i enkelte tilfeller være ønskelig å tillate at produksjonsrørene har noe kjedelinjeliknende bue i oppoverføringen til opphenget 164 øverst i tårnet.

Claims (18)

1. Dypvannsplattform (10) for strekkforspente stigerør for tilknytning til hydro-karbonbrønner til havs, omfattende: et fundament (16) som er forankret til sjøbunnen (22), tårnhodeutstyr (30) over sjøoverflaten, et tårnunderstell i fagverk som strekker seg vertikalt og er festet til fundamentet og som bærer tårnhodeutstyret (30) og avgrenser en stigerøropphengssjakt (56) mellom dette og fundamentet, og minst ett produksjonsstigerør (44) med hovedsakelig vertikal utstrekning, opphengt i sjakten (56) og innrettet for å gi fluidforbindelse mellom brønnene og tårnhodeutstyret (30), KARAKTERISERT VED: en stigerøropphengssammenstilling som understøtter hvert stigerør (44) nær sin øvre ende for å sørge for den vesentligste lastoverføring mellom hvert stigerør og tårnunderstellet, hvorved hvert stigerør understøttes i strekk.

2. Plattform ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED flere hovedsakelig vertikale produksjonsstigerør (44).

3. Plattform ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at tårnunderstellet har et tilnærmet åpent indre som strekker seg vertikalt og som tillater at stigerørene kan anordnes med tilstrekkelig innbyrdes klaring til å hindre sammenstøt ved normal drift.

4. Plattform ifølge krav 3, KARAKTERISERT VED at stigerøropphenget omfatter et opphengsbrett (42).

5. Plattform ifølge krav 4, KARAKTERISERT VED at opphengsbrettet er båret av et pyramidefagverk (40) i den øverste del av tårnunderstellet.

6. Plattform ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at den er en fast, stiv plattform.

7. Plattform ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at den er et elastisk tårn med et elastisk stålfagverk (12).

8. Plattform ifølge krav 7, KARAKTERISERT VED at: fundamentet (16) utgjøres av flere pæler (14) hvis nedre ende er forankret til sjøbunnen (22), og at fagverket (12) videre omfatter: vertikale ben (20), et minimum av horisontale stag (24, 58) som forbinder bena, og at den øvre ende av pælene (14) strekker seg en betydelig lengde opp over sjøbunnen og er forbundet med bena i fagverket (12) på en måte som bidrar til den elastiske respons av dette.

9. Plattform ifølge ett av kravene 1 - 8, KARAKTERISERT VED at hvert stigerør har en øvre ende som er forbundet med stigerøropphenget, en nedre ende i direkte forbindelse med et hydrokarbonreservoar, og et fritt hengende rørstrekk som går gjennom stigerøropphengssjakten (56) fra opphenget og til stigerørets nedre ende.

10. Plattform ifølge ett av kravene 1 - 9, KARAKTERISERT VED at sjakten (56) som stigerørene er ført gjennom strekker seg hovedsakelig fra fundamentet og til dypvannsplattformens tårnhodeutstyr (30).

11. Plattform ifølge krav 9, KARAKTERISERT VED at sjakten (56) gjennom den nedre del av fagverket (12) utgjør et i alt vesentlig åpent indre med vertikal utstrekning og hvor stigerørene er anordnet med tilstrekkelig klaring til å unngå sammenstøt under normal drift.

12. Plattform ifølge krav 7-11, KARAKTERISERT VED at stigerørene er anordnet utvendig i forhold til omkretsen av fagverket (12) og med tilstrekkelig klaring for å unngå sammenstøt under normal drift.

13. Plattform ifølge krav 12, KARAKTERISERT VED at brønnene er anordnet med en viss avstand fra fundamentet, og at stigerørene har en kjedeliknende fordeling i sin i alt vesentlig vertikale oppspenning.

14. Fremgangsmåte for å redusere den naturlige periodetid i den harmoniske respons som tilsvarer piskemodus for et elastisk tårn på dypt vann, hvilket tårn har et hovedsakelig vertikalt stålfagverk, er festet til et fundament i sjøbunnen, bærer et tårnhode over sjøoverflaten og har flere stigerør som danner forbindelse mellom tårnhodet og flere brønner i sjøbunnen via et stigerørstrekk, KARAKTERISERT VED: fråkopling av stigerørenes masse fra stålfagverket ved å holde fast stigerørene øverst i flere oppheng under strekkforspenning, slik at disse oppheng derved gir den vesentligste lastoverføring mellom stigerørene og fagverket, idet stigerørenes frie spenn fritt kan oppta påvirkende krefter utenfra over hele lengden og uavhengig av fagverket.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 14, KARAKTERISERT VED at den strekkfor-spennende fastholdelse av stigerørene i opphengene innebærer at stigerørene føres utvendig i forhold til fagverket.

16. Fremgangsmåte ifølge krav 14, KARAKTERISERT VED: separasjon av stigerørenes frie spenn inne i en stigerøropphengssjakt med tilstrekkelig horisontal klaring i et i alt vesentlig åpent indre i fagverket for å hindre sammenstøt mellom stigerørene under normal drift og under elastisk bevegelse av det elastiske tårn.

17. Fremgangsmåte ifølge krav 16, KARAKTERISERT VED etablering av det elastiske fagverk med et minimum av horisontale stag og uten rørføringer for lede- eller drivrør.

18. Fremgangsmåte ifølge krav 14, KARAKTERISERT VED at fastholdelsen av stigerørene under strekkforspenning omfatter: innsetting av en stigerørstøtte i form av et rørbrett, for avlastning av stigerørenes aksiale påkjenning, idet dreiebevegelse av stigerørene tillates via stigerørstøtten, til den øvre del av stigerøret med avlastet aksial påkjenning, og avslutning av den øvre ende av stigerørenes øvre del i en avgrensningsfikstur som er avstandsplassert i forhold til stigerørstøtten og bevirker at stigerørenes fleksibilitet øker.