WO2020216598A1 - Intelligentes trageelement - Google Patents

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WO2020216598A1
WO2020216598A1 PCT/EP2020/059577 EP2020059577W WO2020216598A1 WO 2020216598 A1 WO2020216598 A1 WO 2020216598A1 EP 2020059577 W EP2020059577 W EP 2020059577W WO 2020216598 A1 WO2020216598 A1 WO 2020216598A1
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support element
riser pipe
intelligent support
pipe arrangement
membrane
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PCT/EP2020/059577
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English (en)
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Carsten Braun
Erhard BEHENSKY
Maria-Barbara Schaller
Stephan Grosswig
Original Assignee
Exal Technology Gmbh & Co.
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Publication date
Application filed by Exal Technology Gmbh & Co. filed Critical Exal Technology Gmbh & Co.
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0004—Force transducers adapted for mounting in a bore of the force receiving structure
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
    • E21B17/01—Risers
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B47/00—Survey of boreholes or wells
    • E21B47/007—Measuring stresses in a pipe string or casing
    • G—PHYSICS
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    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M5/00—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings
    • G01M5/0025—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings of elongated objects, e.g. pipes, masts, towers or railways
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M5/00—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings
    • G01M5/0041—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings by determining deflection or stress

Definitions

  • the invention relates to an intelligent support element for suspension and
  • Boreholes for example for oil and gas production, are usually provided with a riser pipe housing at their aboveground end. Cavities between this riser pipe housing and the ground are grouted with cement mortar. A riser pipe arrangement, which forms the actual oil or gas line for production, is let into the riser pipe housing.
  • the riser assembly is under
  • the riser pipe arrangement is fixed at its lower end in the bottom of the borehole by means of so-called packers.
  • the upper end of the riser pipe arrangement, which ends in the riser pipe housing, is then pulled out by approx. 40 to 50 cm and placed under mechanical pretension.
  • a typical borehole depth of 3000 m results in an expansion of the riser pipe arrangement of approx. 0.015%.
  • the riser pipe arrangement is fixed in the riser pipe housing by means of suitable support elements, for example by means of bolts.
  • the invention is therefore based on the object to provide a way to
  • an intelligent support element for suspending and monitoring riser pipe arrangements under mechanical prestress, in particular for oil and gas riser pipes, the intelligent support element being designed to be inserted into a riser pipe housing, such that in the inserted state a
  • Riser pipe arrangement can be held in the riser pipe housing under mechanical prestress, the riser pipe arrangement can be mounted on a support surface of the intelligent support element, the support surface being a
  • Monitoring function for determining changes in the load on the suspended riser pipe arrangement is integrated into a support element which simultaneously serves to suspend the riser pipe arrangement. This results in a number of advantages. On the one hand, there is no need for a separate component
  • Monitoring function is provided by the support element itself.
  • a structurally simple and inexpensive solution for monitoring is created, which is also extremely maintenance-friendly, since if the pressure-sensitive element provided for load monitoring is damaged, only the intelligent support element has to be replaced without complex measures being carried out on the riser pipe arrangement or the riser pipe housing have to.
  • This also makes it possible to retrofit the monitoring function for the riser pipe arrangement easily and inexpensively in existing drilling sites, since only an existing support element has to be replaced by an intelligent support element according to the invention. Damage to the pressure-sensitive element does not affect the mechanical fixing of the riser pipe arrangement, so that with the intelligent Support element according to the present invention, the operational reliability of the riser pipe arrangement can also be improved.
  • the bearing force can be determined indirectly, in that the bearing force acting on the bearing surface is first picked up and mechanically transferred to a position remote from the bearing surface for determination, or directly by the bearing force being detected directly on the bearing surface.
  • the pressure-sensitive element is formed by a membrane which is designed such that it is deformed in accordance with a change in the instantaneous bearing force of the riser pipe arrangement.
  • a membrane which is designed such that it is deformed in accordance with a change in the instantaneous bearing force of the riser pipe arrangement.
  • the body of the intelligent support element is preferably made of metal
  • the membrane is preferably one
  • Metal membrane in particular a membrane made of stainless steel, and preferably has a thickness of 0.5 to 5 mm.
  • the membrane spans a large part of the
  • Support surface of the intelligent support element preferably 60% to 90% of the total support surface.
  • a cavity is arranged below the membrane which can be filled with a hydraulic fluid in such a way that a deformation of the membrane is transferred to the hydraulic fluid.
  • the hydraulic fluid is especially incompressible. This makes it possible to establish a force transmission path via which the bearing force can be reliably derived from the membrane and transmitted to a location suitable for detection or display.
  • the hydraulic fluid can be optimized in terms of aging resistance, compressibility and viscosity, as well as the ambient temperature. It is further preferred that the intelligent support element has a hydraulic line which is in fluid connection with the cavity and which is connected to it
  • Support element has a negligible response time to changes in the
  • Load capacity of the intelligent support element is not influenced.
  • Pressure change can be connected. This means that the current bearing force and any changes that occur can be read off directly. If the bearing force deviates from a predefined value by more than a predetermined tolerance value, for example due to temperature fluctuations or tectonic movements that affect the riser pipe arrangement underground, such a change can be recognized directly on the display and appropriate precautions can be taken.
  • the outer end of the hydraulic line can be connected to a pressure sensor which is designed to detect a change in pressure of the hydraulic fluid in the hydraulic line. This allows a change in the bearing force to be recorded easily.
  • the diaphragm is in contact with a piezoelectric element which is designed to detect a change in the bearing force acting on the diaphragm. This makes it possible to monitor the riser pipe arrangement fully electronically.
  • the use of a piezoelectric element also enables reliable and precise measurement of the bearing force or a change in the bearing force.
  • an electrical line is connected to the piezoelectric element in such a way that a change in the momentary bearing force on the diaphragm by means of the piezoelectric element becomes one Voltage signal is converted, which via the electrical line to a
  • Telecommunication notification is transferable.
  • the signals detected by means of the pressure sensor or the piezoelectric element can, for example, occur at specific time intervals or when predetermined time intervals are exceeded
  • Threshold values or on manual or automatic query to a
  • Information system to be sent for storage or display. It is also possible to use the recorded data together with measured data, for example
  • Support force and the optionally additionally recordable data are usually only to be expected in the event of an overload of the riser pipe arrangement.
  • the data recorded on the intelligent support element can be transmitted to the information system via any interfaces, for example via serial or USB interfaces, or wirelessly via a suitable one
  • Embodiments for suspending and monitoring the bearing force of a riser pipe arrangement is used.
  • the maximum bearing force can be increased.
  • the use of several intelligent support elements offers a redundancy, in that the riser pipe arrangement also then can be reliably monitored if part of the intelligent support elements is temporarily inoperable.
  • 1 a is a schematic sectional view of a riser pipe housing with an inserted riser pipe arrangement, before the riser pipe arrangement is mechanically preloaded;
  • Fig. Lb is a view of the riser housing from Fig. La after the
  • the riser assembly is mechanically biased and suspended
  • Fig. 2 is a schematic sectional view of an intelligent support element according to an embodiment of the invention, which is in a
  • FIG. 3 shows a schematic sectional view of an intelligent support element according to a further exemplary embodiment of the invention, which is inserted into a riser pipe housing and on which one
  • FIG. 4 shows a schematic sectional view of an intelligent support element according to a further exemplary embodiment of the invention, which is inserted into a riser pipe housing and on which one
  • Fig. 5 is a horizontal sectional view of a riser housing into which
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of an alternative solution for providing a monitoring function for a suspended riser pipe arrangement according to an exemplary embodiment from FIG.
  • Fig. La shows a schematic view of a riser casing 2 which is arranged at the aboveground end of a borehole.
  • the riser pipe housing 2 can be formed, for example, by a riser pipe double flange or a tension spool.
  • a riser pipe arrangement 1 is let into the borehole along the direction of gravity g, the upper end of which is in the
  • riser housing 2 is located.
  • the riser pipe arrangement 1 has at its upper end a riser pipe hanger la, which is connected to a riser pipe lb.
  • a riser pipe hanger la which is connected to a riser pipe lb.
  • a plurality of further riser pipes lb can be connected to the riser pipe 1b shown in FIG.
  • the riser pipe arrangement 1 is anchored at its lower end in a (not shown) drill bottom of the borehole, for example by means of packers.
  • a drill bottom of the borehole for example by means of packers.
  • the riser pipe arrangement 1 is pretensioned.
  • the riser pipe hanger la has a support area lc which can be arranged on a support element around the
  • Riser pipe housing 2 has an opening with a receptacle 4 for a support element.
  • a receptacle 4 for a support element In Fig. La, an intelligent support element 3 is inserted into the receptacle 4, which is described in detail below.
  • Support element 3 is pushed into the receptacle 4 until the support area 1c comes to rest on an upper surface of the front area 3a of the intelligent support element 3 and is countered by the intelligent support element 3
  • the intelligent support element 3 can be fixed in the receptacle 4 by suitable means, for example by a threaded engagement (not shown). In addition to the suspension function, the intelligent support element 3 provides the function of determining the bearing force of the riser pipe arrangement 1 on the support element 3 and thus creates the possibility of monitoring the condition of the riser pipe arrangement 1.
  • Fig. 2 shows a detailed view of the intelligent support element 3 according to an embodiment of the invention.
  • the support element 3 is, as described above, inserted into the riser pipe housing 2 and carries the
  • the riser pipe arrangement 1 is supported on a support surface on the upper side of the front area 3 a of the intelligent support element 3.
  • the support surface has a membrane M with the
  • Support area lc of the riser assembly 1 is in contact.
  • the diaphragm M is deflected downward by the bearing force exerted on the bearing surface by the ascending pipe arrangement 1, the deflection increasing as the temperature increases
  • the membrane M thus forms a pressure-sensitive element that can be used to determine the instantaneous bearing force.
  • a flea space 6 is arranged, which is in fluid connection with a hydraulic line 7.
  • the hydraulic line 7 is formed, for example, by a bore in the intelligent support element 3.
  • the flea space 6 and the FHyd drainage line 7 are filled with an incompressible FHyd drainage fluid.
  • a deflection of the membrane M is transmitted to the side of the intelligent support element 3 facing away from the riser pipe arrangement 1 essentially hysteresis-free by means of the FHyd raulikiquid located in the flea space 6 via the FHyd ra ul iktechnisch 7 and can be tapped there.
  • the outer end is the
  • FHyd raulik Hartmann 7 connected to a pressure indicator 5a, which can be formed, for example, by a mechanical load indicator with a scale. As soon as the ascending pipe arrangement 1 is suspended as shown in FIG. 1b, the pressure indicator 5a shows the current bearing force on the scale. Changes in
  • the bearing force leads to a change in the deflection of the membrane M, which is displayed instantaneously on the pressure indicator 5a, with both an increase and a decrease in the bearing force being readable on the pressure indicator 5a.
  • the pressure indicator 5a can also be formed by a pipe manometer or some other device which is suitable for making the pressure change on the membrane M transmitted via the hydraulic line 7 visible.
  • Fig. 3 shows a modified embodiment of the intelligent
  • the pressure-sensitive element is in turn formed by the membrane M. Changes in force that lead to a change in the deflection of the diaphragm M are in turn transmitted hydraulically through the body of the intelligent support element 3 to the outside of the riser pipe housing 2.
  • the hydraulic line is connected to a pressure sensor 5b which detects changes in pressure in the hydraulic line 7.
  • the pressure values detected in the pressure sensor 5b can be displayed on a digital display (not shown). Alternatively or additionally, the pressure values from the pressure sensor 5b can be sent to a suitable interface (not shown)
  • Pressure values can be displayed, stored, evaluated and used to monitor the riser pipe arrangement 1. For example, the bearing force acting immediately after the rising pipe arrangement 1 is suspended can be detected and a tolerance range can be defined around this value. If a pressure value outside the defined tolerance range is measured,
  • an alarm can be activated.
  • FIGS. 2 and 3 use a hydraulic force transmission to determine the bearing force. Changes in
  • bearing force can also be converted directly into an electrical signal.
  • 4 shows the intelligent support element 3 according to a further exemplary embodiment of the invention.
  • a membrane M is formed as a pressure-sensitive element on the support surface, below which a piezoelectric element 6a is arranged.
  • the deflection of the membrane M causes a deformation of the piezoelectric element 6a arranged directly below it, which is converted into an electrical voltage.
  • the voltage can be conducted to the outside of the riser pipe housing 2 via a two-pole electrical line in the intelligent support element 3.
  • the piezoelectric element 6a can be grounded via the body of the intelligent support element 3 on the riser pipe housing 2 and the voltage signal generated by the bearing force via a single-pole electrical line can be tapped.
  • the (one or two-pole) electrical line is shown in FIG. 4 with the reference symbol 7a.
  • the piezoelectric element 6a itself can also form the pressure-sensitive element.
  • the piezoelectric element 6a is arranged directly on the support surface.
  • Stress sensors can be used to detect changes in the bearing force. Furthermore, alternative mechanical transmissions of the
  • Diaphragm deflection are used.
  • the deflection of the diaphragm M can be detected via the deformation of a spring element and via a suitable mechanical transmission to one shown in FIG. 2
  • Display unit are brought to the display.
  • the description of the above exemplary embodiments relates to the use of a single intelligent support element 3 when suspending the riser pipe arrangement 1.
  • the suspension is usually carried out by means of several support elements. Accordingly, to increase the
  • FIG. 5 shows a sectional view of a
  • a plurality of support elements for example two opposite support elements, or all support elements, are preferably formed by an intelligent support element 3 according to the invention, so that the
  • Support force can be measured on several or all support surfaces.
  • a further set of receptacles 4b for support elements is formed in a horizontal plane below the sectional plane.
  • the means for detecting and monitoring the bearing force are integrated into the intelligent support elements 3.
  • the means for detection and monitoring are integrated into the intelligent support elements 3.
  • Fig. 6 shows a schematic representation of an alternative solution to
  • a riser pipe arrangement 1 can again be seen, which is suspended with the support area 1c on the support surface of a support element formed by a bolt 3b.
  • the support area 1c has a membrane M on the surface in contact with the support surface of the bolt, which membrane is designed in accordance with the membranes M in the exemplary embodiments according to FIGS. 2 to 4.
  • a force transmission element 6b with a line 7b is arranged above the membrane M.
  • the power transmission element 6b can by a with
  • Hydraulic fluid-filled cavity can be formed in accordance with the exemplary embodiments shown in FIGS. 2 and 3.
  • the line 7b is a hydraulic line.
  • the force transmission element 6b can be formed by a piezoelectric element corresponding to the exemplary embodiment shown in FIG. 4.
  • the line 7b is an electrical line.

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Abstract

Es wird ein intelligentes Tragelement zur Abhängung und Überwachung von unter mechanischer Vorspannung stehenden Steigrohranordnungen, insbesondere für Öl- und Gas-Steigrohrleitungen, vorgeschlagen, wobei das intelligente Tragelement dazu ausgebildet ist, in ein Steigrohrgehäuse eingesetzt zu werden, derart, dass im eingesetzten Zustand eine Steigrohranordnung in dem Steigrohrgehäuse unter mechanischer Vorspannung gehalten werden kann, wobei die Steigrohranordnung auf einer Auflagefläche des intelligenten Tragelements lagerbar ist, wobei die Auflagefläche ein drucksensitives Element zur unmittelbaren oder mittelbaren Bestimmung einer Auflagerkraft der Steigrohranordnung auf das intelligente Tragelement aufweist.

Description

Intelligentes Trageelement
BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft ein intelligentes Tragelement zur Abhängung und
Überwachung von unter mechanischer Vorspannung stehenden
Steigrohranordnungen.
Bohrlöcher, beispielsweise zur Öl- und Gasförderung, sind üblicherweise an ihrem oberirdischen Ende mit einem Steigrohrgehäuse versehen. Hohlräume zwischen diesem Steigrohrgehäuse und dem Erdreich werden mit Zementmörtel verpresst. In das Steigrohrgehäuse wird eine Steigrohranordnung eingelassen, die die eigentliche Öl- bzw. Gasleitung zur Förderung bildet.
Zur Vermeidung von Verwerfungen wird die Steigrohranordnung unter
Vorspannung fixiert. Dazu wird die Steigrohranordnung an ihrem unteren Ende in der Bohrlochsohle mittels sogenannter Packer fixiert. Anschließend wird die Steigrohranordnung an ihrem oberen Ende, das in dem Steigrohrgehäuse endet, ca. 40 bis 50 cm herausgezogen und dabei unter mechanische Vorspannung gesetzt. Bei einer typischen Bohrlochtiefe von 3000 m ergibt sich eine Dehnung der Steigrohranordnung von ca. 0,015%. Die Last aus Eigengewicht und
Vorspannung beträgt bis zu 200 Tonnen. Unter dieser Vorspannung bzw. Last wird die Steigrohranordnung mittels geeigneter Tragelemente, beispielsweise mittels Bolzen, in dem Steigrohrgehäuse fixiert.
Temperaturschwankungen und tektonische Bewegungen können dazu führen, dass zusätzliche Dehnungen und Belastungen an der Steigrohranordnung auftreten. Bei einer Überbelastung kann es zu Beschädigungen der
Steigrohranordnung oder des Steigrohrgehäuses kommen. Da keine direkte Gewichtsüberwachung existiert, können derartige Überbelastungen nur zufällig und zumeist relativ spät erkannt werden. Die Folgen solcher Schäden können sowohl ökonomisch als auch umwelttechnisch gravierend sein.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur
Überwachung von mechanisch vorgespannten Steigrohranordnungen zu realisieren, die eine frühzeitige Erkennung einer Zustandsänderung der Steigrohranordnung erlaubt, um einer Überbelastung der Steigrohranordnung Vorbeugen zu können, und die dabei möglichst langlebig, wartungsarm und kostengünstig ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein intelligentes Tragelement gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Insbesondere wird die Aufgabe gelöst durch ein intelligentes Tragelement zur Abhängung und Überwachung von unter mechanischer Vorspannung stehenden Steigrohranordnungen, insbesondere für Öl- und Gas-Steigrohrleitungen, wobei das intelligente Tragelement dazu ausgebildet ist, in ein Steigrohrgehäuse eingesetzt zu werden, derart, dass im eingesetzten Zustand eine
Steigrohranordnung in dem Steigrohrgehäuse unter mechanischer Vorspannung gehalten werden kann, wobei die Steigrohranordnung auf einer Auflagefläche des intelligenten Tragelements lagerbar ist, wobei die Auflagefläche ein
drucksensitives Element zur unmittelbaren oder mittelbaren Bestimmung einer Auflagerkraft der Steigrohranordnung auf das intelligente Tragelement aufweist.
Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, dass die
Überwachungsfunktion zur Feststellung von Änderungen der Last auf die abgehängte Steigrohranordnung in ein Tragelement integriert wird, das gleichzeitig zur Abhängung der Steigrohranordnung dient. Hieraus ergibt sich eine Vielzahl an Vorteilen. Zum einen muss kein separates Bauelement zur
Überwachung der Steigrohranordnung vorgesehen werden, da die
Überwachungsfunktion durch das Tragelement selbst bereitgestellt wird. Zudem wird so eine konstruktiv einfache und kostengünstige Lösung zur Überwachung geschaffen, die zudem extrem wartungsfreundlich ist, da bei einer Beschädigung des zur Lastüberwachung vorgesehenen drucksensitiven Elements einfach nur das intelligente Tragelement ausgetauscht werden muss, ohne dass aufwändige Maßnahmen an der Steigrohranordnung oder dem Steigrohrgehäuse durchgeführt werden müssen. Dadurch wird es zudem ermöglicht, die Überwachungsfunktion für die Steigrohranordnung bei bereits vorhandenen Bohrstellen einfach und kostengünstig nachzurüsten, da lediglich ein vorhandenes Tragelement durch ein erfindungsgemäßes intelligentes Tragelement ausgetauscht werden muss. Eine Beschädigung des drucksensitiven Elements beeinträchtigt dabei nicht die mechanische Fixierung der Steigrohranordnung, so dass mit dem intelligenten Tragelement gemäß der vorliegenden Erfindung auch die Betriebssicherheit der Steigrohranordnung verbessert werden kann.
Die Ermittlung der Auflagerkraft kann hierbei mittelbar erfolgen, indem die an der Auflagefläche wirkende Auflagerkraft zunächst abgegriffen und zur Bestimmung mechanisch an eine der Auflagefläche entfernte Position übertragen wird, oder unmittelbar, indem die Auflagerkraft direkt an der Auflagefläche detektiert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das drucksensitive Element durch eine Membran gebildet, die derart ausgebildet ist, dass sie entsprechend einer Änderung der momentanen Auflagerkraft der Steigrohranordnung verformt wird. Dadurch ist eine konstruktiv einfache, robuste und zuverlässige Kraftkopplung des intelligenten Tragelements an die Steigrohranordnung sichergestellt. Die Wahl des Membranmaterials und die Membrandicke kann hinsichtlich der tatsächlich anfallenden Auflagerkraft, die von der Länge und dem verwendeten Material der Steigrohranordnung abhängt, optimiert werden. Je nach Membranmaterial kann die Membran an dem intelligenten Tragelement durch Schweißen oder
Schrumpfen angebracht werden, um eine möglichst hohe Traglast zu
gewährleisten.
Der Körper des intelligenten Tragelements ist vorzugsweise aus Metall,
insbesondere Edelstahl hergestellt. Die Membran ist vorzugsweise eine
Metallmembran, insbesondere eine Membran aus Edelstahl, und hat vorzugsweise eine Dicke von 0,5 bis 5 mm. Die Membran überspannt einen Großteil der
Auflagefläche des intelligenten Tragelements, vorzugsweise 60% bis 90% der gesamten Auflagefläche.
In einer Ausführungsform ist unterhalb der Membran ein Hohlraum angeordnet, der mit einer Hydraulikflüssigkeit befüllbar ist, derart, dass eine Verformung der Membran auf die Hydraulikflüssigkeit übertragen wird. Die Hydraulikflüssigkeit ist insbesondere inkompressibel. Damit ist es möglich, einen Kraftübertragungsweg herzustellen, über den die Auflagerkraft zuverlässig von der Membran abgeleitet und an einen zur Detektion oder Anzeige geeigneten Ort übertragen werden kann. Ferner kann die Hydraulikflüssigkeit hinsichtlich Alterungsbeständigkeit, Kompressibilität und Viskosität, sowie auf die Umgebungstemperatur optimiert werden. Es ist weiter bevorzugt, dass das intelligente Tragelement eine Hydraulikleitung aufweist, die mit dem Hohlraum in Fluidverbindung steht und die dazu
ausgebildet ist, eine Änderung der momentanen Auflagerkraft auf die Membran und eine damit einhergehende Druckänderung der Hydraulikflüssigkeit zu übertragen. Dadurch wird erreicht, dass eine Änderung der Auflagerkraft weitestgehend hysteresefrei übertrabar ist. Somit stellt das intelligente
Tragelement eine vernachlässigbare Ansprechzeit auf Änderungen in der
Auflagerkraft bereit, so dass Änderungen der Auflagerkraft quasi instantan erfasst werden können. Bei einem hydraulischen Druckabfall, beispielsweise durch ein Leck in der Hydraulikleitung, oder bei beschädigter Membran, wird die
Tragfähigkeit des intelligenten Tragelements nicht beeinflusst.
In einer weiteren Ausführungsform ist das dem Hohlraum abgewandte bzw.
äußere Ende der Hydraulikleitung an eine Einrichtung zur Anzeige der
Druckänderung anschließbar. Dadurch können die momentane Auflagerkraft und auftretende Änderungen direkt abgelesen werden. Weicht die Auflagerkraft von einem vorab festgelegten Wert um mehr als einen vorbestimmten Toleranzwert ab, beispielsweise aufgrund von Temperaturschwankungen oder tektonischen Bewegungen, die die Steigrohranordnung unterirdisch beeinflussen, kann eine solche Veränderung unmittelbar an der Anzeige erkannt und entsprechende Vorkehrungen getroffen werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist das äußere Ende der Hydraulikleitung an einen Drucksensor anschließbar, der dazu ausgebildet ist, eine Druckänderung der Hydraulikflüssigkeit in der Hydraulikleitung zu detektieren. Dies erlaubt eine einfache Erfassung einer Änderung der Auflagerkraft.
In einer weiteren Ausführungsform steht die Membran in Kontakt mit einem piezo-elektrischen Element, das dazu ausgebildet ist, eine Änderung der auf die Membran wirkenden Auflagerkraft zu detektieren. Dadurch wird es ermöglicht, die Steigrohranordnung voll elektronisch zu überwachen. Die Verwendung eines piezo-elektrischen Elements ermöglicht zudem eine zuverlässige und präzise Messung der Auflagerkraft bzw. einer Änderung der Auflagerkraft.
Dabei ist es insbesondere bevorzugt, dass eine elektrische Leitung derart an das piezo-elektrische Element angeschlossen ist, dass eine Änderung der momentan Auflagerkraft auf die Membran mittels des piezo-elektrischen Elements in ein Spannungssignal gewandelt wird, das über die elektrische Leitung an eine
Fernmeldeanzeige übertragbar ist.
Mit den beiden zuvor beschriebenen Ausführungsformen ist es möglich, mit Hilfe des intelligenten Tragelements ermittelte Daten zur Überwachung der
Steigrohranordnung in einer Datenspeicher- und/oder Datenverarbeitungseinheit messtechnisch zu erfassen und zu speichern. Die mittels des Drucksensors oder des piezo-elektrischen Elements erfassten Signale können beispielsweise in bestimmten Zeitintervallen, oder bei Überschreiten von vorab festgelegten
Schwellwerten, oder auf manuelle oder automatische Abfrage an ein
Informationssystem zur Speicherung oder Anzeige gesendet werden. Weiter ist es möglich, die erfassten Daten beispielsweise zusammen mit gemessenen
Temperatur- und/oder Atmosphärendruckdaten aus dem Bohrloch auszuwerten und/oder mit einem Informationssystem darzustellen.
Dadurch ist es ermöglicht, zuverlässige, in Echtzeit erfassbare Informationen über die auf die Steigrohranordnung einwirkenden Kräfte zu erfassen und für eine weitere Auswertung bereitzustellen. Dies erlaubt es, bei auftretenden Änderungen der Auflagerkraft entsprechende Vorkehrungen zu treffen, um eine Beschädigung der Steigrohranordnung zu verhindern. Ferner erlauben die ermittelten Daten bei entsprechend getakteten Messintervallen eine Auswertung und Prognose bezüglich ihrer zeitlichen Entwicklungen, da sprunghafte Änderungen der
Auflagerkraft und der optional zusätzlich erfassbaren Daten in der Regel nur bei einer Überbelastung der Steigrohranordnung zu erwarten sind.
Die Übertragung der an dem intelligenten Tragelement erfassten Daten an das Informationssystem kann über beliebige Schnittstellen erfolgen, beispielsweise über serielle oder USB-Schnittstellen, oder drahtlos über eine geeignete
Funkschnittstelle.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin dadurch gelöst, dass mindestens ein intelligentes Tragelement gemäß den vorher beschriebenen
Ausführungsformen zur Abhängung und Überwachung der Auflagerkraft einer Steigrohranordnung verwendet wird. Bei der Verwendung von mehreren intelligenten Tragelementen kann die maximale Auflagerkraft erhöht werden. Ferner bietet die Verwendung von mehreren intelligenten Tragelementen eine Redundanz, dahingehend, dass die Steigrohranordnung auch dann noch zuverlässig überwacht werden kann, wenn ein Teil der intelligenten Tragelemente vorübergehend funktionsuntüchtig ist.
Es sei darauf hingewiesen, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen in beliebiger Weise kombinierbar sind.
Nachfolgend wird die Erfindung auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die anhand der Abbildungen näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:
Fig. la eine schematische Schnittansicht eines Steigrohrgehäuses mit einer eingesetzten Steigrohranordnung, bevor die Steigrohranordnung mechanisch vorgespannt ist;
Fig. lb eine Ansicht des Steigrohrgehäuses aus Fig. la, nachdem die
Steigrohranordnung mechanisch vorgespannt und abgehängt ist;
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht eines intelligentes Tragelements gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in ein
Steigrohrgehäuse eingesetzt ist und an dem eine
Steigrohranordnung abgehängt ist;
Fig. 3 eine schematische Schnittansicht eines intelligentes Tragelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in ein Steigrohrgehäuse eingesetzt ist und an dem eine
Steigrohranordnung abgehängt ist;
Fig. 4 eine schematische Schnittansicht eines intelligentes Tragelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in ein Steigrohrgehäuse eingesetzt ist und an dem eine
Steigrohranordnung abgehängt ist;
Fig. 5 eine horizontale Schnittansicht eines Steigrohrgehäuses, in das
erfindungsgemäße intelligente Tragelemente einsetzbar sind; Fig. 6 eine schematische Darstellung einer alternativen Lösung zur Bereitstellung einer Überwachungsfunktion für eine abgehängte Steigrohranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der
Erfindung.
Fig. la zeigt eine schematische Ansicht eines Steigrohrgehäuses 2, das an dem oberirdischen Ende eines Bohrlochs angeordnet ist. Das Steigrohrgehäuse 2 kann beispielsweise durch einen Steigrohrdoppelflansch oder einen Tension Spool gebildet sein. In das Bohrloch ist entlang der Richtung der Schwerkraft g eine Steigrohranordnung 1 eingelassen, deren oberes Ende sich in dem
Steigrohrgehäuse 2 befindet. Die Steigrohranordnung 1 weist an ihrem oberen Ende einen Steigrohrhänger la auf, der mit einem Steigrohr lb verbunden ist. An das in Fig. 1 gezeigte Steigrohr lb können sich, je nach Tiefe des Bohrlochs, eine Vielzahl weiterer Steigrohre lb anschließen.
Die Steigrohranordnung 1 ist an ihrem unteren Ende in einer (nicht gezeigten) Bohrsohle des Bohrlochs verankert, beispielsweise mittels Packern. Um
Verwerfungen des Steigrohrs lb bzw. der Steigrohre lb vorzubeugen, wird die Steigrohranordnung 1 vorgespannt. Dazu weist der Steigrohrhänger la einen Auflagebereich lc auf, der auf einem Tragelement anordenbar ist, um die
Steigrohranordnung 1 in dem Steigrohrgehäuse 2 abzuhängen. In dem
Steigrohrgehäuse 2 ist eine Öffnung mit einer Aufnahme 4 für ein Tragelement ausgebildet. In Fig. la ist in die Aufnahme 4 ein intelligentes Tragelement 3 eingesetzt, das im Detail weiter unten beschrieben wird.
Um die Steigrohranordnung 1 unter Vorspannung abzuhängen, wird der
Steigrohrhänger lb in dem Steigrohrgehäuse 2 nach oben gezogen, bis sich der Auflagebereich lc an der Aufnahme 4 befindet. Dann wird das intelligente
Tragelement 3 in die Aufnahme 4 eingeschoben, bis der Auflagebereich lc auf einer oberen Fläche des vorderen Bereichs 3a des intelligenten Tragelements 3 zum Aufliegen kommt und durch das intelligente Tragelement 3 gegen in
Richtung der Schwerkraft g wirkende Kräfte, insbesondere also die Gewichtskraft der Steigrohranordnung 1 und die erzeugte Vorspannung, abgestützt ist. Dies ist in Fig. lb dargestellt. Das intelligente Tragelement 3 kann durch geeignete Mittel in der Aufnahme 4 fixiert werden, beispielsweise durch einen (nicht gezeigten) Gewindeeingriff. Das intelligente Tragelement 3 stellt neben der Abhängungsfunktion die Funktion bereit, die Auflagerkraft der Steigrohranordnung 1 auf das Tragelement 3 zu ermitteln und schafft so die Möglichkeit, den Zustand der Steigrohranordnung 1 zu überwachen.
Fig. 2 zeigt eine Detailansicht des intelligenten Tragelements 3 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Tragelement 3 ist, wie obenstehend beschrieben, in das Steigrohrgehäuse 2 eingesetzt und trägt die
Steigrohranordnung 1. Die Steigrohranordnung 1 ist auf einer Auflagefläche an der oberen Seite des vorderen Bereichs 3a des intelligenten Tragelements 3 abgestützt. Die Auflagefläche weist eine Membran M auf, die mit dem
Auflagebereich lc der Steigrohranordnung 1 in Kontakt ist. Durch die von der Steigrohranordnung 1 auf die Auflagefläche ausgeübte Auflagerkraft wird die Membran M nach unten ausgelenkt, wobei die Auslenkung mit steigender
Auflagerkraft zunimmt. Die Membran M bildet somit ein drucksensitives Element, das sich zur Bestimmung der momentanen Auflagerkraft nutzen lässt.
Unterhalb der Membran M ist ein Flohlraum 6 angeordnet, der in Fluidverbindung mit einer Hyd rauli kleitung 7 steht. Die Hyd raulikleitung 7 ist beispielsweise durch eine Bohrung in dem intelligenten Tragelement 3 gebildet. Der Flohlraum 6 und die FHyd rauli kleitung 7 sind mit einer inkompressiblen FHyd raulikflüssigkeit befüllt. Eine Auslenkung der Membran M wird mittels der in dem Flohlraum 6 befindlichen FHyd raulikflüssigkeit über die FHyd ra ul ikleitung 7 im Wesentlichen hysteresefrei an die der Steigrohranordnung 1 abgewandte Seite des intelligenten Tragelements 3 übertragen und kann dort abgegriffen werden.
In dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das äußere Ende der
FHyd raulikleitung 7 mit einer Druckanzeige 5a verbunden, die beispielsweise durch eine mechanische Lastanzeige mit einer Skala gebildet sein kann. Sobald die Steigrohranordnung 1 wie in Fig. lb gezeigt abgehängt ist, zeigt die Druckanzeige 5a die momentane Auflagerkraft auf der Skala an. Veränderungen der
Auflagerkraft führen zu einer Veränderung in der Auslenkung der Membran M, die instantan auf der Druckanzeige 5a angezeigt wird, wobei sowohl eine Erhöhung als auch eine Verringerung der Auflagerkraft an der Druckanzeige 5a ablesbar ist. Die Druckanzeige 5a kann auch durch ein Rohrmanometer oder eine andere Einrichtung gebildet sein, die dazu geeignet ist, die über die Hydraulikleitung 7 übertragene Druckänderung an der Membran M sichtbar zu machen.
Fig. 3 zeigt ein modifiziertes Ausführungsbeispiel des intelligenten
Tragelements 3 aus Fig. 2. Das drucksensitive Element ist wiederum durch die Membran M gebildet. Kraftänderungen, die zu einer Änderung der Auslenkung der Membran M führen, werden wiederum hydraulisch durch den Körper des intelligenten Tragelements 3 an die Außenseite des Steigrohrgehäuses 2 übertragen. Anstelle der Druckanzeige 5a ist die Hydraulikleitung in dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel an einen Drucksensor 5b angeschlossen, der Druckänderungen in der Hydraulikleitung 7 detektiert. Die in dem Drucksensor 5b detektierten Druckwerte können an einer (nicht gezeigten) Digitalanzeige angezeigt werden. Alternativ oder zusätzlich können die Druckwerte aus dem Drucksensor 5b über eine geeignete (nicht gezeigte) Schnittstelle an ein
Informationssystem wie einen Computer übertragen werden. Dort können die Druckwerte angezeigt, gespeichert, ausgewertet und zur Überwachung der Steigrohranordnung 1 verwendet werden. Beispielsweise kann die unmittelbar nach der Abhängung der Steigrohranordnung 1 wirkende Auflagerkraft erfasst werden und ein Toleranzbereich um diesen Wert definiert werden. Wird ein Druckwert außerhalb des definierten Toleranzbereichs gemessen, kann
beispielsweise ein Alarm aktiviert werden.
Die in Fig. 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiele nutzen für die Ermittlung der Auflagerkraft eine hydraulische Kraftübertragung. Veränderungen der
Auflagerkraft können allerdings auch direkt in ein elektrisches Signal gewandelt werden. Fig. 4 zeigt das intelligente Tragelement 3 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wie in den vorigen Ausführungsbeispielen ist auf der Auflagefläche eine Membran M als drucksensitives Element ausgebildet, unterhalb derer ein piezo-elektrisches Element 6a angeordnet ist. Eine
Auslenkung der Membran M bewirkt eine Deformation des direkt darunter angeordneten piezo-elektrischen Elements 6a, die in eine elektrische Spannung umgewandelt wird. Die Spannung kann über eine zweipolige elektrische Leitung in dem intelligenten Tragelement 3 an die Außenseite des Steigrohrgehäuses 2 geleitet werden. Alternativ kann das piezo-elektrische Element 6a über den Körper des intelligenten Tragelements 3 an dem Steigrohrgehäuse 2 geerdet werden und das durch die Auflagerkraft erzeugte Spannungssignal über eine einpolige elektrische Leitung abgegriffen werden. Die (ein- oder zweipolige) elektrische Leitung ist in Fig. 4 mit dem Bezugszeichen 7a dargestellt.
In dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel kann auch das piezo-elektrische Element 6a selbst das drucksensitive Element bilden. In diesem Fall ist auf der Auflagefläche keine Membran M ausgebildet, sondern das piezo-elektrische Element 6a direkt auf der Auflagefläche angeordnet.
Neben den in den Ausführungsbeispielen von Fig. 2, 3 und 4 gezeigten Mitteln zur Kraftübertragung der auf die Auflagefläche wirkenden Auflagerkraft können auch andere Mittel zur Kraftübertragung eingesetzt werden. Entscheidend ist lediglich, dass Änderungen der Auflagerkraft über das intelligente Tragelement erfasst und zur Anzeige oder Auswertung abgegriffen werden können. Es ist beispielsweise denkbar, Dehnmessstreifen zur Detektion einer Auslenkungsänderung der
Membran M zu verwenden. Auch die Verwendung faseroptischer
Spannungssensoren ist für die Detektion einer Änderung der Auflagerkraft möglich. Ferner können alternative mechanische Übertragungen der
Membranauslenkung eingesetzt werden. Beispielsweise kann die Auslenkung der Membran M über die Verformung eines Federelements erfasst werden und durch eine geeignete mechanische Übersetzung auf einer in Fig. 2 gezeigten
Anzeigeeinheit zur Anzeige gebracht werden.
Die Beschreibung der obenstehenden Ausführungsbeispiele bezieht sich auf die Verwendung eines einzelnen intelligenten Tragelements 3 bei der Abhängung der Steigrohranordnung 1. In der Praxis erfolgt die Abhängung in der Regel mittels mehrerer Tragelemente. Dementsprechend kann zur Erhöhung der
Überwachungsausfallsicherheit auch die Verwendung mehrerer intelligenter Tragelemente vorgesehen werden. Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht eines
Steigrohrgehäuses 2 in einer Ebene senkrecht zu der Richtung der Schwerkraft g. In der Schnittebene sind mehrere Aufnahmen 4 für Tragelemente zu sehen. Bei der Abhängung der Steigrohranordnung 1 wird in jede Aufnahme 4 ein
Tragelement eingesetzt. Vorzugsweise sind mehrere Tragelemente, beispielsweise zwei gegenüberliegende Tragelemente, oder alle Tragelemente, durch ein erfindungsgemäßes intelligentes Tragelement 3 gebildet, so dass die
Auflagerkraft an mehreren bzw. allen Auflageflächen gemessen werden kann. Um die Vorspannkraft der Steigrohranordnung 1 ändern zu können, ist in einer horizontalen Ebene unterhalb der Schnittebene ein weiterer Satz von Aufnahmen 4b für Tragelemente ausgebildet. In den obenstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Mittel zur Erfassung und Überwachung der Auflagerkraft in die intelligenten Tragelemente 3 integriert. Um die erfindungsgemäßen Vorteile hinsichtlich der Überwachung der Steigrohranordnung 1 zu erzielen, können die Mittel zur Erfassung und
Überwachung der Auflagerkraft auch in den Steigrohrhänger la integriert werden.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung einer alternativen Lösung zur
Überwachung der Auflagerkraft. Es ist wiederum eine Steigrohranordnung 1 zu sehen, die mit dem Auflagebereich lc auf der Auflagefläche eines durch einen Bolzen 3b gebildeten Tragelements abgehängt ist. Der Auflagebereich lc weist an der mit der Auflagefläche des Bolzens in Kontakt stehenden Fläche eine Membran M auf, die entsprechend den Membranen M in den Ausführungsbeispielen gemäß der Figuren 2 bis 4 ausgebildet ist.
Oberhalb der Membran M ist ein Kraftübertragungselement 6b mit einer Leitung 7b angeordnet. Das Kraftübertragungselement 6b kann durch einen mit
Hydraulikflüssigkeit gefüllten Hohlraum entsprechend den in Fig. 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispielen gebildet sein. In diesem Fall ist die Leitung 7b eine Hydraulikleitung.
Alternativ kann das Kraftübertragungselement 6b durch ein piezo-elektrisches Element entsprechend dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel gebildet sein. In diesem Fall ist die Leitung 7b eine elektrische Leitung. Die bezüglich der Figuren 2 bis 4 beschriebenen Merkmale sind dabei auf die in Fig. 6 dargestellte Anordnung zur Erfassung und Überwachung der Auflagerkraft übertragbar.
Bezuaszeichenliste:
1 Steigrohranordnung
la Steigrohrhänger
lb Steigrohr
lc Auflagebereich
2 Steigrohrgehäuse
3 intelligentes Tragelement 3a vorderer Bereich des intelligenten Tragelements
3b Bolzen
4, 4b Aufnahme für (intelligentes) Tragelement 5a Druckanzeige
5b Drucksensor
6 Hohlraum
6a piezo-elektrisches Element
6b Kraftübertragungselement
7 Hydraulikleitung
7a elektrische Leitung
7b Leitung
M Membran
g Richtung der Schwerkraft

Claims

ANSPRÜCHE
1. Intelligentes Tragelement (3) zur Abhängung und Überwachung von unter mechanischer Vorspannung stehenden Steigrohranordnungen (1), insbesondere für Öl- und Gas-Steigrohrleitungen,
wobei das intelligente Tragelement (3) dazu ausgebildet ist, in ein
Steigrohrgehäuse (2) eingesetzt zu werden, derart, dass im eingesetzten Zustand eine Steigrohranordnung (1) in dem Steigrohrgehäuse (2) unter mechanischer Vorspannung gehalten werden kann, wobei die
Steigrohranordnung (1) auf einer Auflagefläche des intelligenten
Tragelements (3) lagerbar ist,
wobei die Auflagefläche ein drucksensitives Element zur unmittelbaren oder mittelbaren Bestimmung einer Auflagerkraft der Steigrohranordnung (1) auf das intelligente Tragelement (3) aufweist.
2. Intelligentes Tragelement nach Anspruch 1, wobei das drucksensitive
Element durch eine Membran (M) gebildet ist, die derart ausgebildet ist, dass sie entsprechend einer Änderung der momentanen Auflagerkraft der Steigrohranordnung (1) verformt wird.
3. Intelligentes Tragelement nach Anspruch 1 und 2, wobei unterhalb der Membran (M) ein Hohlraum (6) angeordnet ist, der mit einer
Hydraulikflüssigkeit befüllbar ist, derart, dass eine Verformung der
Membran (M) auf die Hydraulikflüssigkeit übertragen wird.
4. Intelligentes Tragelement nach Anspruch 3, aufweisend eine
Hydraulikleitung (7), die mit dem Hohlraum (6) in Fluidverbindung steht und dazu ausgebildet ist, eine Änderung der momentanen Auflagerkraft auf die Membran (M) und eine damit einhergehende Druckänderung der Hydraulikflüssigkeit zu übertragen.
5. Intelligentes Tragelement nach Anspruch 4, wobei das dem Hohlraum (6) abgewandte Ende der Hydraulikleitung (7) an eine Einrichtung (5a) zur Anzeige der Druckänderung anschließbar ist.
6. Intelligentes Tragelement nach Anspruch 5, wobei das äußere Ende der Hydraulikleitung (7) an einen Drucksensor (5b) anschließbar ist, der dazu ausgebildet ist, eine Druckänderung der Hydraulikflüssigkeit in der
Hydraulikleitung (7) zu detektieren.
7. Intelligentes Tragelement nach Anspruch 1 und 2, wobei die Membran (M) in Kontakt mit einem piezo-elektrischen Element (6a) steht, das dazu ausgebildet ist, eine Änderung der auf die Membran (M) wirkenden Auflagerkraft zu detektieren.
8. Intelligentes Tragelement nach Anspruch 7, wobei eine elektrische Leitung (7a) derart an das piezo-elektrische Element (6a) angeschlossen ist, dass eine Änderung der momentan Auflagerkraft auf die Membran (M) mittels des piezo-elektrischen Elements (6a) in ein Spannungssignal gewandelt wird, das über die elektrische Leitung (7a) an eine Fernmeldeanzeige übertragbar ist.
9. Verwendung mindestens eines intelligenten Tragelements (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Abhängung und Überwachung der Auflagerkraft einer Steigrohranordnung (1).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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