NO833037L - Anordning for transport av fluider mellom en ettergivende offshore-konstruksjon og sjoebunnen - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en anordning i et væskeførende system som kan tilpasse seg relativ bevegelse mellom en ettergivende offshore-konstruksjon og sjøbunnen. Nærmere bestemt angår foreliggende oppfinnelse en spiralformet ledning i et væskeførende system, hvilken ledning er i stand til å bøye seg i samsvar med relative bevegelser mellom en ettergivende offshore-konstruksjon og sjøbunnen.

Offshore-produksjonen av ole og gass krever bruk av væskeførende systemer for å lede produksjonsvæsker fra en undersjøisk brønn opp til vannoverflaten. Slike væskeførende systemer omfatter vanligvis et stivt, hovedsakelig vertikalt føringsrør som i sin nedre ende er sementert fast til den undersjøiske brønnen. Den øvre enden av føringsrøret er koblet til et brønnhode som vanligvis er plassert på dekket til en offshore-plattform. Rørledninger som befinner seg inne i føringsrøret transporterer produksjonsvæsker fra den under-sjøiske brønnen opp til brønnhodet. Ved toppen av brønnhodet blir ventiler i et såkalt "juletre" styrt slik at produksjons-væskens trykk og strømningshastighet reguleres. En rørledning transporterer produksjonsvæskene fra "juletreet" til en mani-fold på dekket av plattformen. Manifolden fordeler produksjonsvæskene til diverse utstyr som behandler og separerer væskene. Denne rørledningen er stivt forankret til plattformens dekk eller stivt forbundet med manifolden. En slik stiv forbindelse representerer siste del av væskeførings-systemet mellom den undersjøiske brønnen og offshore-plattformen.

Mens stive offshore-produksjonsplattformer vanligvis brukes for å understøtte væskeføringssystemer ved vanndybder mindre enn 300 m, har man konstruert ettergivende offshore-plattformer, så som tårn med støttestag eller plattformer med strekkbelastede ben, for bruk ved enda større vanndybder.

Slike ettergivende offshore-plattformer er spinklere enn de stive offshore-plattformene, og de vil gi etter for kreftene fra vind, bølger og havstrømmer. Når den blir påvirket av slike krefter vil en ettergivende offshore-plattform bli forskjøvet bort fra sin likevektsstilling over en undersjøisk brønn. Slike forskyvninger kan være vertikale såvel som hori sontale. Når de forskyvende krefter avtar, vil den ettergivende plattformen vende tilbake til sin likevektstilling over den undersjøiske brønnen.

Et væskeførende system som understøttes av en ettergivende offshore-plattform må være tilstrekkelig elastisk for å kompensere for plattformens bevegelser fra dens likevektstilling. Ved væskeføringssystemer kompenseres slike bevegelser ved at det brukes fleksible strømningsrør, slik som en elastomerisk slange, mellom brønnhodet og dekket på offshore-plattformen. Imidlertid har et slikt fleksibelt strømningsrør laget av en elastomerisk slange visse begrens-ninger. F.eks. vil sure "produksjonsvæsker ofte inneholde kjemiske sammensetninger, som f.eks. hydrogensulfid og karbondioksyd, som vil bryte ned materialene i en elastomerisk slange. En slik slange som transporterer sure produksjonsvæsker må således skiftes ut ved jevne mellomrom. Dessuten kan trykket i produksjonsvæskene overstige 350 kg/cm . En elastomerisk lange må derfor forsterkes hvis den skal brukes for sliek væsketrykk uten å sprekke. Slik forsterkning redu-serer den elastomeriske slanges elastisitet og vil følgelig øke slangens minste krumningsradius. En elastomerisk slange med større krumningsradius vil kreve mer dekksplass enn en slange med mindre krumningsradius. Følgelig vil bruk av elastomeriske slanger redusere antall brønner som kan drives fra en og samme offshore-plattform.

I tillegg til elastomeriske langer har det vært brukt glideskjøter i et væskeførende system for å kompensere for bevegelser til en ettergivende offshore-plattform bort fra dens likevektstilling. Slike skjøter har vanligvis et indre rør som glir inne i et ytre rør. Ringspalten mellom det indre og det ytre rør er avtettet ved hjelp av elastomeriske pakninger for å hindre lekkasje av produksjonsvæsker ut i omgivelsene. Imidlertid er glideskjøter uønskede i et væske-førende system mellom et brønnhode og en offshore-plattform. Glideskjøter som er dimensjonert til å tilpasse seg bevegelsene til en offshore-plattform har stor lengde og vil derfor kreve stor vertikal avstand mellom dekkene på offshore-platt formen. Dimensjonene til plattformen vil vanligvis være begrensende fpr en slik avstand. I tillegg vil glideskjøter i et væskeførende system være uønsket når systemet skal transportere en sur produksjonsvæske. De elastomeriske pakningene som brukes i slike glideskjøter blir gjenstand for ødeleggelse på grunn av kjemiske stoffer i den sure produksjonsvæsken, og pakningene vil følgelig lekke. Dessuten vil bevegelsene til innerrøret og ytterrøret i glideskjøten slite bort materialet i de elastomeriske pakningene når innerrøret beveger seg frem og tilbake inne i ytterrøret. Slikt svinn av tetningsmateriale vil redusere tetningens effektivitet etter hvert som de elastomeriske pakninger blir slitt. Endelig har en glideskjøt begrenset verdi fordi den bare beveger seg lineært og ikke kan tilpasse seg sideveis bevegelser av offshore-plattformen i forhold til den undersjøiske brønnen. Plattformens sideveis bevegelser kan være så store at glide-skjøten skades.

For å unngå visse av de begrensningene som fleksible slanger og glideskjøter er beheftet med, har det vært benyt-tet forskjellige kombinasjoner av rettlinjede svivler og kon-sentriske svivler for tilpasning til relative bevegelser i et væskeførende system. Svivler er imidlertid avhengig av elastomeriske pakninger for å tette mellom svivelens bevegelige deler. Slike pakninger er utsatt for nedbryting som skyldes sure produksjonsvæsker, slik som beskrevet ovenfor. Dessuten er svivelforbindelser begrenset til et bestemt bevegelses-utslag og kan ikke bevege seg ut over dette. Hvis en kraftig storm skulle forskyve en offshore-plattform en ekstraordinær stor avstand fra likevektstillingen, ville røret som er knyttet til svivlene i et væskeførende system ikke deformeres plastisk, men vil i stedet sprekke. Et slikt brudd vil igjen føre til at produksjonsvæske under trykk strømmer ut i omgivelsene .

Det eksisterer derfor et behov for en fleksibel inn-retning i et væskeførende system som kan tilpasse seg bevegelsene til en ettergivende offshore-konstruksjon i forhold til en undersjøisk brønn. Slike felksible innretninger skulle være i stand til å transportere en sur produksjonsvæske som produseres ved høye trykk. Den fleksible innretningen skulle også, uten at det oppstår lekkasje, tilpasse seg såvel cykliske som ekstreme forskyvninger av en ettergivende offshore-plattform fra dens likevektsposisjon.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det frembragt en anordning for transport av en væske mellom en ettergivende offshore-konstruksjon og sjøbunnen mens den tilpasser seg bevegelsene til offshore-konstruksjonen. Et stigerør for transport av væsken har en nedre ende og en øvre ende. Stige-rørets nedre ende er forbundet med sjøbunnen. En første ende av en spiralformet rørledning er forbundet med stigerørets øvre ende. En andre ende av det spiralformede røret er forbundet med offshore-konstruksjonen. Det spiralformede røret er i stand til å deformeres for å tilpasse seg bevegelsene til offshore-konstruksjonen.

I en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse er det et brønnhode innkoblet mellom stigerørets øvre ende og den første enden til en spiralformet rørledning. Den andre enden til den spiralformede rørledningen kan være forbundet med offshore-konstruksjonen, slik at senterlinjen i det spiralformede røret blir hovedsakelig vertikal. Når offshore-konstruksjonen forskyves relativt sjøbunnen vil derfor det spiralformede røret deformeres for å tilpasse seg slik bevegelse. Det spiralformede røret kan være plassert over brønnhodet for å spare dekksplass samt gi uhindret adgang til brønnhodet.

I en alternativ utførelsesform av foreliggende oppfinnelse er en første ende av en spiralformet rørledning koblet til et brønnhode. En andre ende av spiralrøret er koblet til offshore-konstruksjonen på en slik måte at spiral-rørets senterlinje er horisontal istedenfor vertikal. Det spiralformede røret vil tilpasse seg offshore-konstruksjonens bevegelse ved hjelp av bøyning istedenfor torsjon. Fig. 1 viser i oppriss tre væskeførende systemer båret av en ettergivende offshore-konstruksjon. Fig. 2 er et isometrisk riss av en spiralformet væskeledning som knytter sammen et brønnhode og et dekk i

en ettergivende offshore-konstruksjon.

Fig. 3A og 3B viser i profil henhv. sideriss en bøyelig væskeledning som knytter sammen et brønnhode og et dekk i en ettergivende offshore-konstruksjon.

Fig. 1 viser en ettergivende konstruksjon 10 som

kan brukes i offshore-produksjonen av olje og gass. Konstruksjonen 10 kan være et tårn med støttestag, en plattform med strekkbelastede ben eller en annen ettergivende konstruksjon. Hoveddelene i konstruksjonen 10 er de bærende ben 12, det nedre dekket 14, hoveddekket 16 og det øvre dekk 18. Konstruksjonen 10 er forankret til sjøbunnen 20 ved hjelp av peler 22. Som vist på fig. 1 vil krefter (F) som skyldes vind, bølger og havstrømmer virker på konstruksjonen 10.'. Slike belastningskrefter (F) vil forskyve konstruksjonen bort fra sin vertikale likevektstilling. Under typiske forhold kan et tårn med støttestag forskyves bort fra sin likevektstilling en vinkel på mer enn 5°, mens en plattform med strekkbelastede ben kan bli forskjøvet mer enn 10°. Ved storm kan disse for-skyvningsvinklene bli enda større.

Produksjonsvæsker 24 blir transportert fra undersjø-iske brønner 26a, 26b og 26c til behandlingsutstyr og sepa-reringsutstyr 28 på hoveddekket 16 ved hjelp av væskeførende systemer 30a, 30b og 30c. De væskeførende systemer kan også føre injiseringsvæsker eller andre væsker fra konstruksjonen 10 ned til de undersjøiske brønner. Selv om fig. 1 viser tre væskeførende systemer kan forskjellige antall væskeførings-systemer knyttes til en og samme konstruksjon. Den følgende beskrivelsen av væskeføringssystemet 30a vil også gjelde sys-temene 30b og 30c samt et hvert ytterligere væskeføringssys-tem.

Væskeføringssystemet 30a omfatter et stivt føringsrør 32a, et brønnhode 34a og et spiralrør 36a. Føringsrøret 32a er sementert fast til sjøbunnen 20 i sin nedre ende og er stivt forbundet med brønnhodet 34a ved sin øvre ende. Den øvre enden av føringsrøret 32a strekker seg gjerne opp over havflaten. Føringer 38 festet til det nedre dekket 14 og til tverrstagene i konstruksjonen 10 danner føringer som førings- røret 32a kan gå igjennom. Den innvendige diameteren i førin-gene 38 er så stor at røret 32a kan gli i føringene. Brønnrør og andre rør (ikke vist) inne i føringsrøret 32a står i væske-forbindelse med den undersjøiske brønnen 26a og med brønnhodet 34a, slik at væsker kan transporteres mellom disse stedene. Spiralrøret 36a kompletterer væskeføringssystemet 30a ved at det fører væsker fra brønnhodet 34a til utstyret 28 for be-handling og separering. En styreledning 48 for fjernstyring av ventilene (ikke vist) i brønnhodet 34a er festet til det væskeførende systemet 30a på en slik måte at systemets bruk ikke hindres.

Når den ettergivende konstruksjonen 10 blir forskjøvet bort fra sin vertikale likevektstilling vil det oppstå en relativ bevegelse mellom brønnhodet 34a og hoveddekket 16, fordi føringsrøret 32a og konstruksjonen 10 har forskjellige deformasjonsegenskaper. For å ta opp denne relativbevegelsen er spiralrøret 36a anbragt mellom brønnhodet og hoveddekket 16. Som det fremgår av fig. 2 omfatter spiralrøret 36a et rett rør 42 og en rørkveil 44. Røret 42 er ved sin ene ende stivt forbundet med brønnhodet 34a og ved sin andre ende til rørkveilens 44 nedre ende. Røret 42 holdes fast til brønn-hodet 34a ved hjelp av et stag 40. Den øvre enden av spiralkveilen 44 er stivt forbundet med hoveddekket 16 ved hjelp av en brakett 46.

Spiralkveilen 44 er vist plassert over brønnhodet 34a for å spare dekksplass og gi fri adgang til brønnhodet 34a.

Spiralkveilen 44 er fortrinnsvis plassert slik at dens senterlinje blir hovedsakelig vertikal, slik at vertikale bevegelser av konstruksjonen 10 tas opp gjennom torsjonsbøyning av spiralkveilen 44. I tillegg blir spiralkveilen 44 fortrinnsvis anbragt slik at senterlinjen faller sammen med senterlinjen til brønnhodet 34a, slik at arbeidsutstyr og kabelutstyr (ikke vist) kan fires ned direkte gjennom kveilen 44, gjennom brønn-hodet 34a og inn i røret. For å tillate dette bør den innvendige diamteren i spiralkveilen være så stor at slikt utstyr kan passere gjennom kveilen.

Spiralkveilen 44 bør fremstilles av et materiale som kombinerer egenskaper som styrke, elastisitet og holdbarhet optimalt. Fortrinnsvis fremstilles spiralkveilen av metall slik som stål av typen AISI 4130 som er varmebehandlet til en bruddstyrke på 80 KSI. Selv om spiralkveilen 44 kan fremstilles av forskjellige materialer, så som elastomerer, plaster og andre ikke-metalliske sammensetninger, er slike materialer vanligvis ikke så sterke som metaller. Dessuten er mange ikke-metalliske materialer mer utsatt for nedbryting på grunn av kjemiske stoffer, så som hydrogensulfid og karbondioksyd, som finnes i sure produksjonsvæsker. Da slike materialer nedbrytes må de med jevne mellomrom skiftes ut for å unngå svikt i det væskeførende systemet. Endelig er en metallisk spiralkveil mindre utsatt for brannskader, fordi metaller har høyere smeltepunkt enn mange ikke-metalliske materialer som ellers ville kunne egne seg i en spiralkveil.

Torsjonsbøyningen til spiralkveilen 44, når denne strekkes eller sammentrykkes, kan beregnes ved hjelp av de grunnleggende fjærligninger, som er velkjente. Ligningene vil være avhengige av den aktuelle spiralkveils form og fysiske egenskaper. F.eks. kan stivheten i en spiralkveil varieres ved å endre bruddstyrken i det materialet som brukes. Dessuten vil en skruekveil laget av rør med firkantet tverrsnitt ha et annet treghetsmoment enn en skruekveil laget av rør med rundt tverrsnitt. Dessuten vil størrelsen, formen og antall vindinger i spiralen være bestemmende for den dynamiske reaksjonen i spiralkveilen. F.eks. vil en konisk spiral reagere annerledes enn en sylindrisk spiral for en bestemt forskyvning. En reduksjon i spiralens diamter vil øke stivheten, mens en økning i diameteren vil redusere stivheten. Videre vil en øking av antall vindinger redusere stivheten

og en reduksjon i antall vindinger vil øke stivheten. Hver spiralkveil kan derfor dimensjoneres slik at den kan tilpasse seg de ventede forskyvninger i et gitt tilfelle.

Et antall væskeførende systemer, som hver har sin spiralkveil, kan anbringes tett sammen i en offshore-kon-struks jon. Når konstruksjonen er i sin likevektstilling er fortrinnsvis hver spiral ubelastet, dvs. hverken under trykk eller strekk. Den dynamiske reaksjonen til spiralformede kveiler i et tårn med støttestag er typisk for slik bevegelse i ettergivende offshore-konstruksjoner. Ved likevekt er spiralene helst ubelastet. Når belastningskreftene (F) for-skyver tårnet bort fra likevektstillingen vil belastningen i hver spiral variere i avhengighet av stillingen til spiralen i forhold til det horisontale dekket i tårnet. F.eks. vil visse spiraler som ligger i et vertikalplan gjennom tårnets senter på tvers av den forskyvende kraft forbli ubelastede. Andre spiraler som er plassert i en avstand fra et slikt vertikalplan vil bli sammenpresset eller strukket for å kompensere for tårnets bevegelse. Foreliggende oppfinnelse kom-penserer automatisk for en ettergivende offshore-konstruksjons bevegelse enten bevegelsen sammenpresser eller forlenger spiralene .

Hvis en offshore-konstruksjon skulle bli skadet på grunn av storm eller en ulykke, vil den spiralformede rørled-, ning i foreliggende oppfinnelse ha en tendens til å deformeres plastisk og dermed motstå brudd i spiralkveilen. Et slikt brudd kunne resultere i tap av væske fra det væskeførende systemet ut i omgivelsene. Hvis forskyvningen bevirker sam-mentrykking av spiralen vil vindingene få anlegg mot hverandre og spiralen vil til sit motstå aksiale trykkrefter som et massivt legeme. Blir spiralen forlenget vil den søke å rette seg ut. I begge tilfeller vil en spiralformet væskeledning tilpasse seg svært store deformerende krefter ved hjelp av trykk eller strekkdeformasjon, mens den samtidig motstår brudd i væskeføringssystemet.

Fig. 3 viser en alternativ utførelsesform av foreliggende oppfinnelse. Hvert element i denne alternative ut-førelsen er likt det tilsvarende element i den foretrukne utførelsen vist på figurene 1 og 2, bortsett fra at en bøy-ningsbelastet kveil 52 erstatter spiralkveilen 44. Mens spiralen 44 gir etter på grunn av torsjonsbøyning vil ledningen 52 gi etter for ren bøyning. Følgelig vil de matematiske ligninger som beskriver slik bøyning være forskjellig fra disse som beskriver torsjonsbøyningen. Men slike ligninger for bøy-ning er også velkjente og kan brukes for å variere egenskapene

til bøyningsbelastede kveiler.

Foreliggende oppfinnelse er således bedre enn fleksible slanger, glideskjøter og svivelkombinasjoner når det gjelder å tilpasse seg bevegelsene til en ettergivende offshore-konstruksjon. Slike bevegelser blir opptatt samtidig som væsker transporteres mellom offshore-konstruksjonen og sjøbunnen. De spiralformede kveilene tilpasser seg store forskyvninger, i forhold til fjærstørrelsen, ved hjelp av elastisk bevegelse. I tilfelle ekstreme forskyvninger, på grunn av en storm eller en ulykke, vil spiralrøret motstå brudd ved hjelp av plastisk deformasjon. Spiralrøret ifølge op<p>finnel-sen trenger heller ikke å inneholde krappe bøyninger, som ville være utsatt for rørerosjon på grunn av harde partikler, så som sandpartikler, i produksjonsvæsken. I tillegg kan skruekveilen omfatte ett rør eller et knippe separate rør.

Da oppfinnelsen eliminerer behovet for elastomeriske pakninger, vil væskeføringssystemet tåle korrosive væsker og det vil ikke lekke.

Da foreliggende oppfinnelse er gjenstand for mange variasjoner, modifikasjoner og detaljendringer, er det menin-gen at alle ting som er beskrevet ovenfor og vist på de med-følgende tegninger skal tolkes som eksempler og ikke som be-grensninger .

Claims (15)

1. En ettergivende offshore-konstruksjon (10), utsatt for bevegelse på grunn av vind, bølger og havstrømmer, om-fattende en anordning for transport av en væske mellom nevnte offshore-konstruksjon og havbunnen (20), samtidig som det tillates relative bevegelser mellom konstruksjonen og havbunnen, karakterisert ved at anordningen omfatter: et stigerør (32) for transport av nevnte væske, hvilket stigerør har en nedre ende og en øvre ende, hvorved den nedre enden er forbundet med havbunnen, og en spiralformet rø rledning (42, 44), som har en første ende forbundet med stigerørets øvre ende og en andre ende forbundet med offshore-konstruksjonen, idet den spiralformede rørledningen er i stand til elastisk å tilpasse seg relative bevegelser mellom havbunnen og offshore-konstruksjonen.

2. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at stigerøret (32) er hovedsakelig vertikalt.

3. Anordning som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at den øvre enden av stigerøret (32) strekker seg opp til et punkt over havoverflaten.

4. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at den spiralformede rørledningen (44) generelt har form av en sylindrisk spiral.

5. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at den spiralformede rørledningen (44) generelt har form av en konisk spiral.

6. En ettergivende offshore-konstruksjon (10), utsatt for bevegelse på grunn av vind, bø lger og havstrømmer, om-fattende en anordning for transport av en væske mellom nevnte offshore-konstruksjon og havbunnen (20), samtidig som det tillates relative bevegelser mellom konstruksjonen og havbunnen, karakterisert ved at anordningen omfatter: et hovedsakelig vertikalt stigerør (32) for transport av nevnte væske, hvilket stigerør har en nedre ende forbundet med havbunnen og en øvre ende som strekker seg opp over havoverflaten ; et brønnhode (34) forbundet med den øvre enden av stigerøret; og et spiralformet rørledning (42, 44), som har en første ende forbundet med brønnhodet og en andre ende forbundet med offshore-konstruksjonen, idet den spiralformede rørledningen er i stand til elastisk å tilpasse seg relative bevegelser mellom havbunnen og offshore-konstruksjonen.

7. Anordning som angitt i krav 6, karakterisert ved at den spiralformede rørledningen (44) generelt har form av en sylindrisk spiral.

8. Anordning som angitt i krav 6, karakterisert ved at den spiralformede rørledningen (44) generelt har form av en konisk spiral.

9. Anordning som angitt i krav 6, karakterisert ved at den spiralformede rørledningen (34) er plassert over brønnhodet, slik at senterlinjen til den spiralformede rørledningen er hovedsakelig vertikal.

10. En ettergivende offshore-konstruksjon (10), utsatt for bevegelse på grunn av vind, bølger og havstrømmer, om-fattende en anordning for transport av en væske mellom nevnte offshore-konstruksjon og havbunnen (20), samtidig som det tillates relative bevegelser mellom konstruksjonen og havbunnen, karakterisert ved at anordningen omfatter: et hovedsakelig vertikalt stigerør (32) for transport av nevnte væske, hvilket stigerør har en nedre ende forbundet med havbunnen (20) og en øvre ende som strekker seg opp over havoverflaten; et brønnhode (34) forbundet med den øvre enden av stigerøret (32); og en spiralformet rø rledning (44), som har en første ende forbundet med brønnhodet og en andre ende forbundet med offshore-konstruksjonen, slik at senterlinjen til den spiralformede rørledningen er koaksial med senterlinjen til brønn-hodet, idet den spiralformede rørledningen er i stand til elastisk å tilpasse seg relative bevegelser mellom havbunnen og offshore-konstruksjonen.

11. Anordning som angitt i krav 10, karakterisert ved at den spiralformede rørledningen(44) generelt har form av en sylindrisk spiral.

12. Anordning som angitt i krav 10 eller 11, karakterisert ved at det indre av spiralformen (44) j er et fritt rom, slik at arbeidsutstyr eller kabelutstyr kan passere gjennom det frie rommet.

13. En ettergivende offshore-konstruksjon (10), utsatt for bevegelse på grunn av vind, bølger og havstrømmer, om-fattende en anordning for transport av en væske mellom nevnte offshore-konstruksjon og havbunnen (20), samtidig som det tillates relative bevegelser mellom konstruksjonen og havbunnen, karakterisert ved at anordningen omfatter: et hovedsakelig vertikalt stigerør (32) for transport av nevnte væske, hvilket stigerør har en nedre ende forbundet med havbunnen (20) og en øvre ende som strekker seg opp over havoverflaten; et brønnhode (34) forbundet med den øvre enden av stigerøret (34); og en spiralformet rørledning som kan tilpasse seg relative bevegelser mellom havbunnen og konstruksjonen, idet den spiralformede rørledningen har en første ende forbundet med brønnhodet og en annen ende forbundet med offshore-konstruksjonen, slik at senterlinjen til det spiralformede røret er hovedsakelig horisontal.

14. Anordning som angitt i krav 13, karakterisert ved at den spiralformede rørledning generelt har form av en sylindrisk spiral.

15. Anordning som angitt i krav 13, karakterisert ved at den spiralformede rørledning generelt har form av en konisk spiral.