NO169027B - Bevegelseskompensator for stigeroer - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en bevegelseskompensator for stigerør som forløper mellom et brønnhode på sjøbunnen og en flytende offshorekonstruksjon, omfattende en teleskopanordning med et teleskoprør og en konsentrisk ytre sylinder som begge er forbundet med offshorekonstruksjonen og som mellom seg opptar et teleskophus, og tetninger for avgrensning av et første kammer i ringrommet mellom teleskophuset og sylinderen, hvilket kammer står i forbindelse med en fluidumkilde med hovedsakelig konstant trykk.

Slik bevegelseskompensering som benytter en glideskjøt, er vanlig ved boring av olje- og gassbrønner fra en flytende plattform, f.eks. en halvt nedsenkbar plattform eller et boreskip. Glideskjøten vil her kompensere for den varier-ende avstand mellom brønnhodet og boreplattformen som skyldes tidevann, plattformens hivbevegelser på grunn av bølger og plattformens avdrift. Ved boring er trykket i stigerøret relativt lavt. Imidlertid kan trykket øke dersom man skulle påtreffe en grunn gasslomme, og glide-skjøten er derfor gjerne konstruert for å kunne motstå et trykk i størrelsesordenen 35 bar over en kortere periode. Det har vist seg at ved slike utblåsninger av grunn gass vil glideskjøten begynne å lekke kraftig etter kort tid, sannsynligvis fordi glideskjøtens relativt enkle tetninger har gitt små lekkasjer, som raskt er blitt meget større på grunn av gjennomstrømning av gass inneholdende store mengder meget abrasive forurensninger. Alvorlige branner har oppstått på grunn av slike lekkasjer.

Et annet problem ved tidligere kjente glideskjøter er at de vanskelig kan sikres mot overbelastning. Dersom stigerøret i en krisesituasjon lukkes i begge ender mens det er fylt med inkompressibelt boreslam, blir stigerøret nærmest å betrakte som et aksialt stivt rør, og plattformens eventuelle hivbevegelser vil derfor kunne skape meget større overtrykk enn glideskjøten kan motstå.

Glideskjøter som baserer seg på teleskopprinsippet, utsettes for aksialkrefter som søker å skyve glideskjøtens deler fra hverandre og som er proporsjonale med trykket i stigerøret. Disse krefter kan opptas av strekkabler som er festet til den nedre del av glideskjøten eller stigerøret umiddelbart under denne, hvilke strekkabler også har til oppgave å opprettholde strekket i den del av stigerøret som befinner seg nedenfor glideskjøten. Det vil forstås at dersom trykket i et stigerør med 540 mm innvendig diameter stiger til 35 bar, utgjør dette en meget stor ekstra belastning i strekkablene og det tilhørende bevegelses-kompensasjonssystem, noe som nødvendiggjør overdimensjo-nering med derav følgende høyere vekt og omkostninger.

Produksjonsplattformer har tradisjonelt vært faststående, enten av typen jacket eller gravitasjonsplatt-former av betong. Disse er imidlertid blitt for dyre etterhvert som oljeutvinningen har beveget seg ut på stadig større dyp, og man har i stedet tatt i bruk flytende plattformer, f.eks. strekkstagplattformer. For marginale felt hvor en faststående plattform også ville bli for dyr, har man benyttet boreskip og kjedelinjeforankrede halvt nedsenkbare boreplattformer bygget om til produksjonsformål.

Da trykket i et produksjonsstigerør lett kan bli ti ganger større enn i et boringsstigerør, ville dette gitt ekspansjonskrefter i en eventuell vanlig glideskjøt som man vanskelig ville kunne hanskes med uten prohibitive omkostninger. Produksjonsstigerør for flytende produksjonsplattformer hvor man har hatt krav til vertikal tilgjenge-lighet i brønnen, har derfor vært bygget som en integrert enhet opphengt i strekksystemer og føringer som kan ta de nødvendige slaglengder og vinkelavvik. Slike stive stigerør har den ulempe at alle operasjoner må baseres på systemer som beveger seg (produksjonstrær, utblåsningsventiler etc), med tilsvarende kompliserte tilkoblinger. Videre kreves det et komplisert, plasskrevende og dyrt strekkopphengningssystem.

For å unngå noen av disse problemer har det vært benyttet fleksible stigerør som henger fritt i vannet, men disse har ikke gitt vertikal brønntilgjengelighet og dess-uten har de vært svært dyre både i anskaffelse, installa-sjon og vedlikehold.

Fra norsk patent nr. 122.006 er det kjent en bevegelseskompensator av den innledningsvis nevnte type. Denne bevegelseskompensator har en innebygget sylinder som gjør det mulig å variere strekkbelastningen i stigerøret. Imidlertid vil også her innvendig overtrykk søke å skyve de teleskoperende deler fra hverandre med en tilsvarende stor kraft slik at heller ikke denne bevegelseskompensator er egnet for produksjonsstigerør hvor det er ønskelig å kunne plassere produksjonsutstyret over bevegelseskompensatoren i of f shorekons truks j onen.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en bevegelseskompensator for stigerør som ikke er beheftet med ovennevnte mangler og ulemper.

Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved en bevegelseskompensator av den innledningsvis nevnte type, hvor det karakteristiske er at teleskophuset er forsynt med ytterligere tetninger i kontakt med teleskoprøret, at teleskop-røret er forsynt med et utvendig stempel i kontakt med teleskophuset mellom dettes ytterligere tetninger slik at det dannes et andre og et tredje kammer på hver sin side av stempelet på teleskoprøret, hvorav nevnte andre står i strømningsforbindelse med teleskoprøret og nevnte tredje har stort sett konstant trykk, og at teleskophusets indre tverrsnittsareal er dobbelt så stort som teleskoprørets ytre tverrsnittsareal.

Ved en slik oppbygning blir bevegelseskompensatoren både trykkbalansert og volumbalansert.

Trykkbalanseringen gjør at glideskjøten kan motstå meget høye innvendige trykk uten at det oppstår aksialkrefter som må opptas av det sedvanlige strekkopphengningssystem. Dette behøver derfor kun dimensjoneres for det strekk som må opprettholdes i stigerøret nedenfor glideskjøten, med derav følgende store besparelser.

Volumbalanseringen tillater aksialbevegelser i glideskjøten selv om stigerøret skulle være stengt i begge ender i en krisesituasjon. Produksjonsplattformen kan altså utføre maksimale hivbevegelser i en slik situasjon uten at det derved oppstår trykkfluktuasjoner eller annen motstand mot glideskjøtens teleskopering.

Ytterligere fordeler ved oppfinnelsen er at det ved hjelp av én enkelt enhet, med et minimum av hjelpesystemer, tillates operasjon som på en fast plattform. Produksjonstrær, utblåsningsventiler etc. kan anbringes fast på dekket. Alle komplikasjoner som vanligvis forekommer på en flytende plattform, unngås ved å benytte en spesiell glideskjøt som anbringes under arbeidsdekkene, og som i tillegg kan gjøres lett utskiftbar. Ved hjelp av oppfinnelsen kan man kombinere lavprisplattformer med lavpris brønnsystemer og derved oppnå besparelser som langt overstiger omkostningene for selve glideskjøten.

Videre unngås de vanlige strekkabler og deres relativt kompliserte strammesylindre og man får en enkel, kompakt, robust og driftssikker enhet som ivaretar både bevegelses-kompensasjonen og strekkfunksjonen.

Dersom det er ønskelig å forhindre brønnproduktets kontakt med bevegelseskompensatorens tetninger, f.eks. for å forhindre at abrasive partikler i brønnproduktet skader tetningene, foreslås det ifølge oppfinnelsen å tilveiebringe strømningsforbindelsen mellom nevnte ene kammer og teleskophusets indre via en trykkbeholder med et bevegelig skille, fortrinnsvis en sylinder med et flytende stempel.

Til bedre forståelse av oppfinnelsen skal denne beskrives nærmere under henvisning til de utførelseseksem-pler som er vist på de vedføyede tegninger. Fig. 1 viser skjematisk et oppriss, delvis i snitt, av en offshore brønninstallasjon og et stigerør som er forsynt med en anordning ifølge oppfinnelsen og som fører fra brønninstallasjonen opp til en flytende plattform. Fig. 2 viser et aksialsnitt gjennom en teleskopanordning ifølge oppfinnelsen. Fig. 3 viser et aksialsnitt gjennom en modifikasjon av teleskopanordningen på fig. 2. Fig. 4 viser et lengdesnitt av en modifikasjon av utførelsen på fig. 3. Fig. 5 viser et lengdesnitt av en variant av teleskopanordningen ifølge oppfinnelsen.

Det skal først henvises til fig. 1, som bl.a. viser et brønnhode på sjøbunnen 1. Brønnhodet omfatter et ventiltre 2, et røroppheng 3 og foringsrør 4 av forskjellig diameter som strekker seg ned i grunnen. Det samme gjør et produk-sjonsrør 5.

Fra brønnhodet strekker et stigerør 6 seg opp til en flytende plattformkonstruksjon, som kun er antydet med sitt produksjonsdekk 7 og BOP-dekk 8. Stigerøret 6 er forbundet med en teleskopanordning 9 ifølge oppfinnelsen, som er festet under plattformens produksjonsdekk 7. Fra teleskopanordningen fortsetter stigerøret opp til en BOP 10, og mellom denne og teleskopanordningen er det avgrenet et produktrør 11.

Sykliske forandringer i avstanden mellom sjøbunnen 1 og plattformen 7, 8, f.eks. på grunn av tidevann og bølger på havflaten 12, opptas som aksiale forskyvninger av stigerøret 6 i teleskopanordningen 9. Dersom stigerøret utsettes for større bøyepåkjenninger, f.eks. på grunn av plattformens horisontale avdrift, kan det være nødvendig å forsyne stigerøret med fleksible høytrykksledd. Slike fleksible ledd vil imidlertid være vel kjent for fagmannen og trenger derfor ingen nærmere forklaring her.

Teleskopanordningens 9 oppbygning er nærmere illu-strert på fig. 2. Teleskopanordningen omfatter et teleskophus 13, som har en innvendig sylinderflate 14 med diameter D. Et teleskoprør 15 med utvendig diameter d, hvor d = D/ V~2", er glidende opptatt i teleskophuset 13. Et tetningsområde 16 tetter mellom teleskoprøret 15 og teleskophusets 13 øvre ende, mens et andre tetningsområde 17 tetter mot teleskoprøret ved en innvendig krave 18 i teleskophuset. Mellom tetningsområdene 16 og 17 er teleskop-røret 15 forsynt med et ringformet stempel 19, som ved hjelp av et tetningsområde 20 tetter mot den innvendige sylinderflate 14 av teleskophuset 13. Det dannes således et øvre ringformet kammer 21 på oversiden av stempelet 19 og et nedre ringformet kammer 22 på undersiden av stempelet. Tverrsnittsarealet av disse kamre 21, 22 og stempelet 19 er på grunn av det ovenfor angitte forhold mellom diametrene D og d lik teleskoprørets 15 utvendige tverrsnittsareal.

Det øvre kammer 21 står i forbindelse med teleskop-rørets 15 indre via porter 23 i teleskoprøret. Det nedre kammer 22 står i forbindelse med den omgivende atmosfære via porter 24 i teleskophuset 13. Det vil derved herske samme trykk i kammeret 21 som i teleskoprøret 15 og i den nedre del av teleskophuset 13. Da arealet av stempelet 19 er lik tverrsnittsarealet av teleskoprøret 15, vil den kraft som trykket i nedre del 25 av teleskophuset søker å skyve teleskoprøret 15 ut med, bli nøyaktig balansert av kraften som virker i motsatt retning mot stempelet 19. Den glideskjøt som teleskophuset 13 og teleskoprøret 15 danner, er således fullstendig trykkbalansert.

Dersom man tenker seg at teleskoprøret 15 skyves inn i teleskophuset 13, vil teleskoprøret fortrenge væske fra teleskophusets nedre del 25. Imidlertid øker volumet av det øvre kammer 21 i nøyaktig samme grad, slik at væske som fortrenges fra det nedre kammer 25 strømmer ut gjennom portene 23 og inn i det øvre kammer 21. Det skjer altså ingen netto væsketransport inn eller ut av teleskopanordningen 9 ved relativ bevegelse mellom teleskoprøret og teleskophuset, slik at den glideskjøt disse danner er fullstendig volumbalansert.

For å opprettholde nødvendig strekk i den del av stigerøret 6 som befinner seg under teleskopanordningen 9, vil man måtte benytte et bevegelseskompensert oppheng-ningsarrangement som utøver en konstant løftekraft mot f.eks. teleskophuset 13. Som nevnt innledningsvis, gjøres dette vanligvis ved hjelp av et komplisert system av strekkabler og hydraulsylindre. Disse hydraulsylindre er tilknyttet en tilstrekkelig stor kilde for hydraulfluid med stort sett konstant trykk, gjerne et batteri av akkumulatorer.

Ifølge oppfinnelsen har man funnet en meget enkel måte å løse strekkproblemet på. Dette gjøres ved å benytte en hydraulsylinder i forbindelse med selve teleskopanordningen til å utøve den nødvendige løftekraft i teleskophuset.

Et eksempel på hvorledes dette kan gjøres er vist på fig. 2. Her er teleskophuset 13 forsynt med et stempel i form av en utvendig flens 26, som tetter glidende mot en sylinder 27 anordnet rundt teleskophuset. Sylinderen 27 er tettet mot teleskophuset 13 ved 28 under stempelet 26, slik at det dannes et sylinderkammer 29. Dette kammer står via en ledning 30 i forbindelse med en kilde for hydraulfluid under konstant trykk, f.eks. det sedvanlige batteri av akkumulatorer.

Sylinderen 27 er oventil forsynt med en flens 31, og denne er i sin tur ved hjelp av bolter 32 fast forbundet med en flens 33 på den øvre del av stigerøret 6. Dette er i sin tur fast forbundet med plattformens produksjonsdekk 7, slik at strekkreftene blir overført til dekket. Her har man altså formådd å erstatte det vanlige strekkkabelsystem, som med sine vanligvis fire hydraulsylindre og taljesystemer tar opp stor plass på produksjonsdekket, med én enkelt hydraulsylinder, som opptar et minimum av plass både fordi den er bygget sammen med teleskopanordningen og i sin helhet er anbragt ute av veien under produksjonsdekket. I og med at strekkablene unngås, medfører løsningen ifølge oppfinnelsen også den fordel at friksjonen reduseres, slik at et mere konstant strekk kan opprettholdes i stigerøret.

Dersom det produserte brønnfluid inneholder abrasive forurensninger som det er ønskelig å holde borte fra teleskopanordningens tetninger, spesielt i det ringformede kammer 21 vist på fig. 2, kan man innrette seg som antydet på fig. 3. Her er det ingen porter 23 mellom teleskoprørets 15 indre og kammeret 21. Trykkforbindelsen mellom dette kammer og fluidet i stigerøret skjer i stedet via en trykkbeholder 34 med et flytende stempel 35, som danner skille mellom det forurensede produkt i den nedre del 36 av trykkbeholderen og et rent hydraulfluid i beholderens øvre del 37. Herved kan man sikre tetningsområdene 16 og 20 optimal smøring og tilsvarende lang levetid. Tetningsområdet 17 er noe mindre utsatt fordi forurensninger i brønnfluidet ikke kan sedimentere på oversiden av dette, men for å gi det ekstra beskyttelse kan man forsyne det med injeksjon av ren olje, f.eks. hentet fra strekksylinderens kammer 29 gjennom en kanal i stempelet 26, teleskophusets gods og den innvendige krave 18. Eventuelt kan denne forbindelse legges åpent mellom stempelet 26 og kraven 18 slik at man her kan anbringe en tilbakeslagsveritil for å hindre utilsiktet tilbakestrømning av brønnfluid til kammeret 29.

Fig. 4 viser en modifikasjon av hydraulsylinderen for å opprettholde strekk i stigerøret. Her er trykkbeholderen 34 forlenget med en hjelpesylinder 38 hvori det er anordnet et hjelpestempel 39. Hjelpestempelet 39 står i forbindelse med trykkbeholderens stempel 35 via en stempelstang 40, som er ført tettende gjennom en fast skillevegg 41 mellom trykkbeholderen 34 og hjelpesylinderen 38. Ledningen 30 fra akkumulatorbatteriet er forbundet med hjelpesylinderen under stempelet 39. En stempelstang 42 er forbundet med stem-pelets 35 underside og er ført ut gjennom bunnen av trykkbeholderen 34 for å gi samme effektive areal-på begge sider av stempelet 35. Stempelstangen 42 kan unngås ved f.eks. å utføre stempelet 35 som differensialstempel.

Det vil ses at i denne utførelse har man unngått den utvendige sylinder 27 på teleskophuset 13. I stedet blir strekket i stigerøret tilveiebragt ved at man i det ringformede kammer 21, i tillegg til det innvendige trykk i teleskophuset 13, overlagrer et trykk som er tilstrekkelig til å gi den nødvendige løftekraft i teleskophuset 13 i forhold til teleskoprøret 15. Dette overlagrede trykk skapes i trykkbeholderens 34 kammer 37 ved å tilføre et passende trykk til hjelpesylinderen 38 via ledningen 30.

Fig. 5 illustrerer et ytterligere eksempel på hvorledes strekksylinderen kan kombineres med teleskopanordningen. Her har man tatt utgangspunkt i den utførelse av teleskophuset og teleskoprøret som er vist på fig. 2. Den utvendige sylinder 27 er fjernet og er i stedet erstattet med en sylinder 43 som danner en forlengelse av teleskophuset 13. Teleskoprøret 15 er forsynt med en tilsvarende forlengelse 44, som har et ringformet stempel 45 glidbart anordnet i sylinderen 43. Sylinderkammeret over stempelet 45 er tilknyttet akkumulatorbatteriet e.l. via ledningen 30.

Denne utførelse gir teleskopanordningen større lengde, noe som kan være en begrensende faktor dersom teleskopanordningen skal kunne ta slaglengder på 7,5 m eller mer, men har den fordel sammenlignet med utførelsen på fig. 4 at differensialtrykket over tetningsområdet 16 blir lavere.

Selv om oppfinnelsen i det foregående er beskrevet i forbindelse med konkrete utførelseseksempler, vil det forstås at den på ingen måte er begrenset til disse, men kan modifiseres og varieres på en rekke måter innenfor sin grunnleggende idé. Som eksempler på slike modifikasjoner kan nevnes at teleskopanordningen kan snus opp-ned slik at teleskophuset anbringes fast i plattformen mens teleskop-røret forbindes med den nedre del av stigerøret. Videre kan trykkbeholderen 34 på fig. 3 gis en rekke forskjellige utførelser, stempelet 35 kan eksempelvis erstattes med en tilstrekkelig fleksibel membran, og det vil her være mulig å benytte en vanlig hydraulisk akkumulator som trykkbeholder. Teleskopanordningen kan med fordel forsynes med f.eks. hydraulisk opererte fester i begge ender for å gi kort installerings- og demonteringstid ved vedlikehold og eventuell utskiftning. For samme formål kan det øvre parti av den nedre del av stigerøret være forsynt med en av-hengningsanordning.

Claims (4)

1. Bevegelseskompensator for stigerør (6) som forløper mellom et brønnhode (2) på sjøbunnen og en flytende offshorekonstruksjon (7,8), omfattende en teleskopanordning (9) med et teleskoprør (15) og en konsentrisk ytre sylinder (27) som begge er forbundet med offshorekonstruksjonen (7,8) og som mellom seg opptar et teleskophus (13), og tetninger (26,28) for avgrensning av et første kammer (29) i ringrommet mellom teleskophuset (13) og sylinderen (27), hvilket kammer (29) står i forbindelse med en fluidumkilde med hovedsakelig konstant trykk, karakterisert ved at teleskophuset (13) er forsynt med ytterligere tetninger (16,17) i kontakt med teleskoprøret (15), at teleskoprøret (15) er forsynt med et utvendig stempel (19) i kontakt med teleskophuset (13) mellom dettes ytterligere tetninger (16,17) slik at det dannes et andre og et tredje kammer (21,22) på hver sin side av stempelet (19) på teleskoprøret (15), hvorav nevnte andre (21) står i strømningsforbindelse med teleskoprøret (15) og nevnte tredje (22) har stort sett konstant trykk, og at teleskophusets (13) indre tverrsnittsareal er dobbelt så stort som teleskoprørets (15) ytre tverrsnittsareal.

2. Bevegelseskompensator ifølge krav 1, karakterisert ved at den videre omfatter en trykkbeholder (34) med et bevegelig skille (35), som er anordnet i nevnte strømningsforbindelse mellom nevnte andre kammer (21) og teleskophusets (13) indre.

3. Bevegelseskompensator ifølge krav 2, karakterisert ved at den ytre sylinder (27) og de tetninger (26,28) som avgrenser nevnte første kammer (29) er erstattet av en hydraulsylinder (38) som er kombinert med nevnte trykkbeholder (34), idet hydraul-sylinderens (38) stempelstang (40) er forbundet med trykkbeholderens (34) bevegelige skille (35), som har form av et stempel.

4. Bevegelseskompensator ifølge krav 1, karakterisert ved at den ytre sylinder (43) er anordnet som en i forhold til offshorekonstruksjonen (7,8) bevegelig forlengelse av teleskophuset (13), idet en tetning (26) på teleskophuset (13) er erstattet av et utvendig stempel (45) på teleskoprøret (15) og en tetning på den ytre sylinder (43) er i kontakt med teleskoprøret (15).