NO20100121A1 - Undervanns pakkboks samt fremgangsmate for kjoring av en borestreng gjennom pakkboksen - Google Patents

Abstract

Oppfinnelsen angår en sylindrisk, hul pakkboks (1) for en borestreng som går gjennom pakkboksens senterakse, som tar opp geometri forskjeller mellom passerende, roterende borerør (B) og rørkoplinger (B"), hvis diameter overstiger borerørenes. Pakkboksen (1) består av et ytre hus (2), et øvre sett (3) og et nedre sett (4) med støtteplater for et hylseformet fleksibelt tetningselement (5) omsluttet av et væskefylt, trykksatt ringrom (26). Settene med støtteplater i henholdsvis topp (22) og bunn av huset (24) har en åpning i midten, som overstiger rørkoplingenes (B") diameter. Det indre tetningselementet (5) tetter radielt mot borestrengen (B) og aksielt mot støtteplatene med trykkassistanse fra ringrommet (26) mellom tetningselementet og det midtre pakkbokshuset. Når tetningsenheten (5) roteres av borestrengen (B) ligger endene av tetningselementet (5) an mot henholdsvis øvre og nedre støtteplatesett (3, 4) og tetter mot trykket fra brønnen og utvendig sjøvannstrykk. Når rørkoplingen (B") skal passere gjennom pakkboksen (1), vil den delen av tetningselementet (5) som rørkoplingen (B") passerer gjennom bli presset ut i ringrommet (29), og straks rørkoplingen (B") har passert vil det på grunn av sin elastisitet og trykket i ringrommet (29), trekke seg sammen og klemme rundt rørseksjonen av borestrengen B. For å få en borekrone (A) med stabil iseringselement (C) gjennom pakkboksen (1), uten å kople fra pakkboksens ytre hus (2), trekkes de to halvdelene av støtteplatene (3 og 4) i henholdsvis topp og bunn av pakkboksen (1) fra hverandre ved hjelp av hver sin aktuator. Tetningselementet (5) følger med borestrengen (B) og blir trukket ut av, alternativt installert i pakkboksen (1) i forbindelse med trekking eller installasjon av borestrengen.

Description

Oppfinnelsen angår en undervanns pakkboks med et utskiftbart, roterende tetningselement som tar opp geometriforskjeller mellom passerende borerør og rørkoplinger, samtidig som slitasjen blir redusert til et minimum, som angitt i innledningen til det medfølgende krav 1.

Oljeindustrien arbeider med å utvikle systemer for å bore på dypt vann uten bruk av stigerør, { eng. Marineriserless Drilling). Dette vil øke vanndypet den enkelte rigg kan operere på, og gir en rekke kostnads og arbeidsbesparelser med borevæske, stigerørskostnad, kortere operasjonstid, samt at lagringsbehov for rør på riggen blir redusert.

En nøkkelkomponent for å realisere et slikt konsept er en slitesterk undervanns pakkboksløsning som tetter mot en passerende, borestreng og tillater at skjøtekoplingene mellom borerørene, som har en større diameter enn rørene, lar seg bevege gjennom det innvendige tetningselementet i pakkboksen, hvis konstruksjon må gi en sikker tetning mens borestrengen beveger seg inn eller ut av en havbunnsbrønn. Levetiden for paknings-elementene skal sikre at slitasje ikke fører til avbrudd i boreoperasjonene.

Fra patentlitteraturen hitsettes som bakgrunnsteknikk:

- GB A 2.425.795 beskriver en pakkboks som roterer sammen med borestrengen, og hvor tetningen har et ytre trykksatt rom. Via en port tilføres rommet væske som gir trykkassistanse til tetningen. - NO 20053394 beskriver en pakkboks for bruk ved brønnintervensjon eller boreoperasjoner, bestående av en dynamisk tetning med en tetningsenhet og en mottakerdel. Tetningsenheten består av tre tetninger, og rommene mellom tetningene er fylt med grease eller olje som skal både smøre og gi trykkstøtte til tetningene.

Av kjent teknikk anses en pakkboks med myk forsegling { eng. : soft seal) som en løsning som det blir arbeidet med, men slike pakkbokser er svært utsatt for slitasje, med påfølgende kostbar utskifting.

Pakkboksens hus vil bli koplet til toppen av en utblåsningssikring, { eng. Blow Out Preventer - BOP) som blir installert på undervanns brønnhodeutstyret til en havbunnsbrønn i forbindelse med boring, brønnkomplettering, eller intervensjons operasjoner. Et trykkassistert tetningselement innvendig i huset klemmer rundt borestrengen, samtidig som endene av tetningselementet presses mot støtteplatene på over og undersiden av tetningselementet, slik at pakkboksen tetter mot brønntrykket og utvendig sjøvannstrykk under operasjonen. Et hydraulisk kontrollsystem benyttes til å trykksette ringrommet mellom tetningselementet rundt borestrengen og pakkboksens ytre hus for å gi trykkassistanse til tetningselementet. I tillegg forsyner kontrollsystemet pakkboksen med sperrevæske i mellomrommet bak støtteplatene når de står i indre posisjon, slik at inntrenging av partikler bak disse forhindres og eventuelt også til å aktuere hydrauliske sylindrer festet til tetningselementets støtteplater i topp og bunn av pakkboksen. Det hydrauliske mediet vil fortrinnsvis bli filtrert sjøvann. Tilkoplingen til BOP og kontrollutrustning er ikke å anse som en del av oppfinnelsen.

Et første formål med oppfinnelsen er å oppnå høy slitestyrke og lang levetid for tetningselementet, slik at slitasje fra borerøret ikke fører til avbrudd i boreoperasjonene.

Et annet formål med oppfinnelsen er at slite og tetningselementet i pakkboksen skal kunne hentes opp og installeres ved hjelp av borestrengen og det er ønskelig at en borekrone med stabiliseringselement (eng. reamer) skal kunne passere gjennom pakkboksen.

Følgende momenter skal bidra til dette:

Sentralt gjennom pakkboksen løper slite og tetningselementet, som tetter mot borestrengen, en trykkassistert polyuretanhylse med innstøpte keramikkelementer i de slitasjeutsatte overflatene. Hylsen roterer med borestrengen slik at rotasjonsslitasje mellom tetningselementet og borestrengen blir eliminert. Det hydrauliske kontrollsystemet styrer baktrykket som sørger for radiell forspenning av tetningselementet og opererer de hydrauliske sylinderne som aktuerer støtteplatene for tetningselementet. Når tetningselementet er installert i pakkbokshuset står støtteplatene i indre stilling og tar opp aksielle krefter, samtidig som de fungerer som en øvre og nedre tetningsflate for det innvendige tetningselementet. Utsparinger i platehalvdelene danner et hull i senter av pakkboksen som borestrengen og koplingene kan passere gjennom. Når platehalvdelene står i indre posisjon blir det et åpent rom bak disse som blir trykksatt med sperrevæske, - filtrert sjøvann fra kontrollsystemet, for å motvirke inntrenging av partikler. Pakningselementet klemmer rundt og følger med bevegelsene til borestrengen i den grad den beveger seg sideveis innenfor diameteren til senterhullet i støtteplatene.

Borekronen med stabiliseringselement (eng. reamer) har en utforming og diameter som gjør at den ikke kan passere gjennom tetningselementet. Støtteplatene kan åpnes for å slippe gjennom utstyr med større diameter enn rørkoplingene og tetningselementet følger med borerøret til overflaten når borestrengen trekkes ut av brønnen og blir også installert i pakkboksen ved hjelp av borestrengen i forbindelse med at borestrengen føres inn i brønnen. Rommet bak støtteplatene som normalt er trykksatt med sperrevæske blir ventilert via kontrollsystemet før platene trekkes tilbake. Løsningen har flere fordeler fremfor kjent teknikk;

- Ingen mekaniske lager i pakkboksen.

- Ikke behov for injeksjon av smøremidler. Sjøvann benyttes til trykkassistanse i stedet for "grease" og til kontrollfunksjoner. Dette er fordelaktig i forhold til utslippsproblematikk. - Tetningselementet i pakkboksen "flyter" sideveis i pakkboksen når røret beveger seg i åpningen mellom støtteplatehalvdelene og skal ikke motstå sidekrefterfra bevegelse i borerøret. - Det er mulig å få en borekrone gjennom pakkboksen uten at det er behov for å kople fra pakkboksens ytre hus. - Tetningselementet trekkes til overflaten med borestrengen som en del av den vanlige boreoperasjonen, uten bruk av spesielle verktøy eller tidkrevende operasjoner. Tetningselementet vil da bli tilgjengelig på overflaten for inspeksjon og eventuelt utskifting ved behov.

Foreliggende søknad vedrører i et første aspekt en pakkboks for en borestreng med et utskiftbart tetningselement som tar opp geometriforskjeller mellom passerende borerør og rørkoplinger, og pakkboksen er kjennetegnet ved de i patentkrav fremsatte karakteristikker.

I et annet aspekt vedrører oppfinnelsen en fremgangsmåte for å føre en borekrone gjennom pakkboksen ved at;

Før borestrengen installeres fra overflaten føres tetningselementet inn på borerøret, over borekronen. Den nedre støtteplaten i pakkboksen lukkes rundt borestrengen når borekronen har kommet gjennom pakkboksen og tetningselementet stopper mot denne når den har blitt trukket inn i pakkboksen. Støtteplaten over tetningselementet lukkes deretter rundt borerøret og ringrommet trykksettes med sjøvann via kontrollsystemet.

Når borestrengen trekkes ut av brønnen og borekronen skal opp gjennom pakkboksen, åpnes støtteplatene og tetningselementet følger med borestrengen til overflaten og inspiseres og skiftes om det er påkrevd.

I det etterfølgende beskrives et eksempel på en foretrukket utførelsesform anskueliggjort på medfølgende figurer; Figur 1 fremstiller trekking eller installasjon av en borestreng med borekrone A og stabiliseringselement C, (eng. reamer). Tetningselementet følger med borestrengen til eller fra overflaten. Figur 2 er en gjennomskåret 3D -tegning av pakkboksen med tetningselementet. Det øvre settet av støtteplater for tetningselementet er vist i ytre posisjon og de nedre platene i indre posisjon. Aksielt i pakkboksen løper et øvre borerør B koplet til et nedre borerør B' med en rørkopling B", hvis diameter overstiger borerørenes B, B'.

Figur 3 fremstiller pakkboksens tetningselement, plassert mellom de øvre og nedre støtteplatehalvdelene, vist med hydrauliske sylindere for aktuering.

Følgende henvisningstall og bokstaver er benyttet i figurene;

A Borekrone.

B Borestreng - Øvre borerør.

B' Nedre borerør.

B" Rørkopling.

C Stabiliseringselement (eng. reamer).

1 Pakkboks.

2 Ytre pakkboks hus.

21 Entringskon for pakkboks.

22 Øvre del av pakkboks hus.

23 Midtre del av pakkboks hus.

24 Nedre del av pakkboks hus.

25 Nedre flens for innfesting mot annet utstyr.

26 Trykksatt ringrom i midtre del av pakkboks hus.

27 Trykkporter i midtre del av pakkboks hus.

28 Rørforbindelser for trykksetting av pakkboksens ringrom.

3 Øvre sett med støtteplater for tetningselementet.

31 Halvdel av øvre støtteplate for tetningselementet.

32 Aktuator for halvdel av øvre støtteplate for tetningselementet.

33 Halvdel av øvre støtteplate for tetningselementet.

34 Aktuator for halvdel av øvre støtteplate for tetningselementet.

4 Nedre sett med støtteplater for tetningselementet.

41 Halvdel av nedre støtteplate for tetningselementet.

42 Aktuator for halvdel av nedre støtteplate for tetningselementet.

43 Halvdel av nedre støtteplate for tetningselementet.

44 Aktuator for halvdel av nedre støtteplate for tetningselementet.

5 Hylseformet, fleksibel tetningsenhet i polyuretan med keramikkelementer i sliteoverflåtene.

Pakkboksen 1 består av et ytre hus 2 med en entringskon 21 i øvre enden, en øvre del 22, en midtre del 23, en nedre del 24, samt en nedre flens 25 for innfesting mot annet utstyr i den nedre enden, et øvre og et nedre sett med støtteplater, henholdsvis 3 og 4 for tetningselementet 5, med aktuator for hver platehalvdel, et hylseformet fleksibelt tetningselement 5 omsluttet av et væskefylt, trykksatt ringrom 26 mellom den midtre delen 23 av det utvendige huset 2 og utsiden av tetningsenheten 5. Pakkboksen 1 vil bli utstyrt med instrumentering for å overvåke kritiske parametre, som trykk, temperatur og liknende.

En borestreng B består av sammenkoplete borerør B, B', Bn av 10 - 12 m lengde, og bare én rørkopling B" om gangen vil passere gjennom pakkboksen 1. Tetningselementet 5 blir fremstilt av polyuretan som er et elastisk materiale. Når rørkoplingen B" skal passere gjennom midten av pakkboksen 1, vil den delen av tetningselementet 5 som koplingen passerer gjennom bli presset ut i ringrommet 26, og straks rørkoplingen B" har passert vil tetningselementet 5 trekke seg sammen rundt røret. Vedvarende tetning under operasjon, med minimal slitasje på pakkboksens elementer oppnås ved at den indre pakningen 5 roterer med borestrengen.

Settene med støtteplater 3 og 4 for tetningselementet 5 tar opp aksielle krefter og fungerer som tetningsflater mot endene av det innvendige tetningselementet 5 når platehalvdelene står i indre posisjon i pakkboksen 1 som det fremgår av figur 2 og 3. Støtteplatene for tetningselementet 5 er plassert i henholdsvis øvre 22 og nedre ende 24 av pakkbokshuset 2 og sentrerer borestrengen B i pakkboksen 1 samtidig som de holder tetningselementet 5 aksielt på plass i den midtre delen 23 av pakkboksen med støtteplatesett 3 på oversiden og støtteplatesett 4 på undersiden av tetningselementet 5.

Øvre og nedre sett med støtteplater, 3 og 4, består av to halvdeler, hver utformet med en halvsirkelformet utsparing, slik at halvdelene samlet danner et hull i senter av pakkboksen 1 for passasje av borerør B, B' og rørkoplinger

B". Støtteplate-halvdelene 31/33 og 41/43 kan skyves sammen, eller trekkes fra hverandre med hver sin hydrauliske sylinder, henholdsvis 32/34 og 42/44 som typisk blir operert med vannhydraulikk.

Den midtre delen av pakkbokshuset 23 blir utstyrt med flere trykkporter 27 for tilførsel av trykksatt sjøvann via rørforbindelser 28 på utsiden av huset 2. Væsketrykket skal gi trykkassistanse via ringrommet 26 til tetningselementet 5 som tetter mot røret.

Tetningselementet 5 blir utformet som en hylse med et aksielt hull for borestrengen B. Det er et viktig prinsipp at tetningselementet 5 skal klemme rundt borestrengen B og rotere med denne for å eliminere rotasjonsslitasje på tetningselementets 5 innside. Dermed er det kun aksiell bevegelse av borestrengen B som gir slitasje på den innvendige delen av pakningen 5. Utsiden av tetningselementet roterer friksjonsløst i pakkboksen. Det vil oppstå rotasjonsfriksjon der endene av tetningselementet 5 klemmes mot overflatene av de to settene med støtteplater, 3 og 4, som fortrinnsvis blir fremstilt i keramisk materiale for å oppnå høy slitestyrke. Innsiden og endene av tetningselementet 5 er slitasjeforsterket med innstøpte keramiske element for å motstå aksiell friksjon fra røret og rotasjonsslitasje mot tetningsflaten på de to settene med støtteplater, 3 og 4. Væske fra ringrommet 26 som trenger inn mellom endene på tetningselementet 5 og støtteplatene 3 og 4 vil bidra til å smøre glideflaten.

Så lenge pakkboksen 1 opererer mot en åpen brønn, dvs. at BOP er åpen mot brønnen skal ringrommet 26 i den midtre delen av pakkbokshuset 23 være trykksatt med vannhydraulikk med filtrert sjøvann som medie og tetningselementet 5 blir dermed presset radialt mot borestrengen B og det vil også føre til at endene av tetningselementet 5 blir presset hardere mot støtteplatesettene 3 og 4. Den nedre enden av tetningselementet 5 tetter mot den nedre støtteplaten 4 og skal motstå trykk fra brønnen, typisk 50 bar.

Det blir inkludert en eller flere akkumulatorer (ikke vist) med trykksatt reservevæske i kontrollsystemet. Siden mediet som injiseres for å gi trykkassistanse til tetningselementet er sjøvann blir det ingen miljøproblemer i forhold til utslipp. Trykket i ringrommet reguleres automatisk i forhold til brønntrykket på undersiden av pakkboksen 1.

Støtteplatehalvdelene 31/33 og 41/44 blir trukket ut til sidene av pakkboksen 1 med sylinderne, henholdsvis 32/34 og 42/44 i forbindelse med entring eller trekking av borekronen A med stabiliseringselement C (eng. reamer), som sitter nederst i enden av borestrengen B. Samtidig med denne operasjonen blir også tetningselementet 5 installert i eller trukket ut av pakkboksen 1.

Etter entring av borekronen A, med stabiliseringselement C, gjennom pakkboksen 1, inn i utblåsningssikringen, ( eng. BOP) på undersiden av pakkboksen, lukkes det nedre settet med støtteplater 4 rundt borestrengen B og tetningselementet 5 som sitter på borestrengen B trekkes inn i pakkboksen 1 til det stopper mot det nedre støtteplatesettet 4 og blir presset mot dette på grunn av friksjonen mellom borerøret og tetningselementet 5. Med tetningselementet inne i pakkboksen lukkes det øvre støtteplatesettet 3 over tetningselementet 5 og bidrar til å komprimere dette aksielt, slik at det blir et tilstrekkelig kontakttrykk mellom tetningselementets ender og støtteplate-settene 3 og 4.

Begge sett med støtteplater 3 og 4 blir åpnet når borestrengen B skal trekkes ut av brønnen og borekronen A med stabiliseringselement C skal opp gjennom pakkboksen 1. Som det fremgår av figur 1 følger tetningselementet 5 da med borestrengen B opp til overflaten og blir inspisert og eventuelt skiftet om det er påkrevd før neste boreoperasjon.

Claims (2)

1. Sylindrisk, hul pakkboks (1) som tar opp geometriforskjeller mellom passerende borerør (B) og rørkoplinger (B"), hvis diameter overstiger borerørenes, karakterisert ved at pakkboksen (1) består av et ytre hus (2), et øvre (3) og et nedre sett (4) med støtteplater for et hylseformet fleksibelt tetningselement (5) omsluttet av et væskefylt, trykksatt ringrom (26) mellom den midtre delen (23) av pakkbokshuset (2) og utsiden av tetningsenheten (5), at tetningselementet (5) omslutter borestrengen (B) som passerer gjennom pakkboksens (1) senterakse og roteres av denne, at tetningselementet (5) blir holdt på plass i pakkboksens midtre hus (23) mellom et øvre og nedre sett av støtteplater (3 og 4) i henholdsvis den øvre (22) og nedre (24) delen av pakkbokshuset (2) og at støtteplatesettene (3 og 4) består av to halvdeler (31/33 og 41/43) som kan trekkes fra hverandre og føres sammen med hver sin aktuator, henholdsvis (32/34) og (42/44), at støtteplatehalvdelene (31/33) og (41/44) blir utformet med utsparinger for passasje og radiell sentrering av borestrengen (B) gjennom pakkboksens senterakse når platehalvdelene står i sin indre posisjon, der de tar de opp aksielle krefter fra tetningselementet (5) og virker som tetningsflater mot endene av tetningselementet, at innsiden og endene av tetningselementet (5) blir slitasjeforsterket med innstøpte keramiske element for å motstå aksiell friksjon fra borestrengen (B) og rotasjonsslitasje mot tetningsflaten på de to settene med støtteplater, 3 og 4.

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1 for å føre en borekrone (A) med stabiliseringselement (C), (eng. reamer), gjennom pakkboksen (1), installere tetningselementet (5) i pakkboksen (1), trykkassistere tetningselementet mot tetningsflatene og trekke pakkboksens tetningselement opp til overflaten med borestrengen (B), karakterisert ved at tetningselementet (5) føres inn på borerøret (B) på overflaten, slik at det blir posisjonert over borekronen (A) og stabiliseringselementet (C), at når borekronen (A) og stabiliseringselementet (C) har blitt senket gjennom pakkboksen (1) lukkes platehalvdelene (41, 43) rundt borestrengen (B), før tetningselementet (5) som sitter på borestrengen (B) trekkes inn i pakkboksen (1) til det stopper mot det nedre støtteplatesettet (4) og at det øvre støtteplatesettet (3) over tetningselementet (5) lukkes rundt borestrengen (B), at ringrommet (29) og utsiden av tetningselementet (5) blir trykksatt med væske fra utsiden av huset (2) via trykkportene (27), slik at det indre tetningselementet (5) klemmes sammen og tetter mot borestrengen (B) mens endene av tetningselementet (5) blir presset mot det øvre (3) og nedre (4) støtteplatesettene, at tetingselementet (5) blir rotert av den passerende borestrengen (B), at når rørkoplingen (B") passerer gjennom pakkboksens (1) senterakse, vil den delen av tetningselementet (5) som rørkoplingen (B") passerer gjennom bli presset ut i ringrommet (29), og når rørkoplingen (B") har passert vil tetningselementet (5), på grunn av sin elastisitet, trekke seg sammen rundt rørseksjonen av borestrengen (B), at når settene med støtteplater (3, 4) står i indre posisjon blir rommet bak støtteplatene (3, 4) trykksatt med sperrevæske, fortrinnsvis filtrert sjøvann fra det hydrauliske kontrollsystemet og at rommet bak støtteplatene blir ventilert via kontrollsystemet før halvdelene av støtteplatene 31/33 og 41/43 blir trukket til ytre posisjon, at ved trekking av borestrengen (B) åpnes begge sett med støtteplater (3, 4) for å slippe borekronen (A) og stabiliseringselementet (C) gjennom pakkboksen (1) og at tetningselementet (5) følger med borestrengen (B) til overflaten.