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Vorrichtung zum Verbinden des Bohrlochverschlusses einer Unterwassertiefbohrung
mit der Wasseroberfläche Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, mit der
von der Meeresoberfläche aus ein Zugang zu einer am Meeresboden endenden Tiefbohrung
hergestellt werden kann.
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Um Kollisionen von Schiffen mit Tiefbohrungseinrichtungen zu vermeiden,
ist man seit langem davon abgekommen, vom Mundloch der Tiefbohrungen aus eine feststehende
Leitung bis zur Meeresoberfläche zu führen und ist dazu übergegangen, das Mundloch
mit Hilfe eines Gehäuses wasserdicht abzuschließen, das genügend weit unterhalb
der Meeresoberfläche endet.
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Die Instandhaltung derartiger Tiefbohrungen und die Durchführung von
Arbeiten an solchen Bohrungen macht erhebliche Schwierigkeiten. Um Ausbesserungsarbeiten
vornehmen zu können, muß eine Verbindung zwischen dem wasserdichten Gehäuse am Mundloch
der Bohrungen und einem Punkte oberhalb der Wasseroberfläche hergestellt werden,
damit Arbeitskräfte, Material und Werkzeuge in das Gehäuse eingeführt werden können.
Eine solche Verbindung wird gewöhnlich mit Hilfe eines Senkkastens oder eines Rohres
hergestellt, von dem aus man über eine Einstiegluke in der Oberseite des Gehäuses
in das Gehäuse gelangen kann.
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Zu den größten Problemen bei der Herstellung einer derartigen Verbindung
gehört es, eine wasserdichte Verbindung zwischen dem Senkkasten bzw. dem Rohr und
dem Gehäuse herzustellen. Bei manchen Einrichtungen dieser Art werden elektrisch,
mechanisch oder hydraulisch zu betätigende Kupplungen verwendet, um das untere Ende
des Senkkastens mit dem Gehäuse zu verbinden. Diese Kupplungen sind sehr zweckmäßig,
doch sind sie außerordentlich kostspielig und erfordern Steuerleitungen, die von
den Kupplungen zu einem Begleitboot auf der Wasseroberfläche geführt werden müssen.
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Bei einer bekannten Einrichtung, bei der Gehäuse -und Senkkasten zylindrisch
ausgebildet sind, wird der Senkkasten mit seinem unteren Ende auf das Gehäuse aufgeschoben
und auf einem Ringflansch am Gehäuse abgestützt. Dabei sorgen Ringdichtungen zwischen
Gehäuse und Senkkasten sowie eine Ringdichtung zwischen der Unterseite des Senkkastens
und dem Ringflansch dafür, daß kein Wasser von unten in den Senkkasten eindringen
kann. Dieser Senkkasten muß zum Aufsetzen auf das Gehäuse sehr genau geführt sein.
Dies ist aber von einer schwimmenden Arbeitsbühne nur schwer ausführbar. Ferner
muß der Senkkasten praktisch mit Paßsitz auf das Gehäuse passen, da sonst die Möglichkeit
des Kippens und Verkantens besteht und die Dichtungen wirkungslos werden. Außerdem
sind die am Umfang des Gehäuses wirkenden Dichtungen relativ unwirksam, da sie mit
Rücksicht auf die Schwierigkeiten beim Aufschieben des Senkkastens nur um ein geringes
Maß über dessen Innenwand hinausragen dürfen und somit im Gebrauchszustand mit .sehr
geringem Druck an der Gehäusewand anliegen. Schließlich ist die Dichtung an der
Unterseite des Senkkastens nur dann wirksam, wenn das Gewicht des Senkkastens relativ
groß ist, da nur dann die zur völligen Abdichtung erforderliche Anpressung des Dichtungsringes
an den Flansch am Gehäuse erreicht wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Vorrichtung zu schaffen, bei
der Senkkasten und Gehäuse leichter zu verbinden sind und bei der eine einfacherere,
sicherere und wirkungsvollerere Abdichtung zwischen beiden erzielt wird.
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Die Aufgabe ist dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß der Senkkasten
an seinem unteren Ende mit einem äußeren Flansch versehen ist und die Dichtungen
in der Nähe des äußeren Randes des Flansches zwischen diesem und der Oberseite des
Gehäuses angeordnet sind.
Dieser Senkkasten kann schnell und einfach
auf das Gehäuse aufgesetzt werden, da es praktisch keiner Führung bedarf. Außerdem
genügt eine einzige Dichtung, und es kann zudem der Senkkasten verhältnismäßig leicht
ausgeführt werden, da außer seinem Gewicht noch das Gewicht der über seinem Außenflansch
befindlichen Wassersäule an dem Dichtungsring wirksam ist.
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Die Form des Flansches kann der Oberseite des Gehäuses angepaßt sein.
Zweckmäßigerweise besitzt der Flanschabschnitt zwischen der Dichtung und dem Flanschansatz
in der Projektion auf eine zur Senkkastenachse normalen Ebene eine Fläche, die mindestens
gleich der Querschnittsfläche des Senkkastens ist.
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Die Erfindung wird an Hand einer schematischen Zeichnung an einem
Ausführungsbeispiel näher erläutert: Die Zeichnung zeigt einen Längsschnitt durch
eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verbinden des Bohrlochverschlusses einer Unterwassertiefbohrung
mit der Wasseroberfläche.
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Gemäß der Zeichnung umfaßt die dargestellte vollständige Unterwasser-Bohrlochausrüstung
ein Leit-oder Führungsrohr 11 von großem Durchmesser, auf dem ein vorzugsweise zylindrisches
Gehäuse 12 angeordnet ist, das normalerweise an seinem oberen Ende mit Hilfe eines
Deckels 13 wasserdicht verschlossen ist. Das Leit- oder Standrohr 11 ist in der
bei Unterwasserbohrungen üblichen Weise ausgebildet und kann einen Durchmesser von
0,6 bis 0,9 m oder darüber besitzen. Bei normalen Bohrarbeiten wird ein Leit- oder
Führungsrohr dieser Art bis zu einer Tiefe von etwa 12 m oder darüber in den Meeresboden
eingespült oder eingerammt, wobei sich das obere Ende des Rohres etwa bis zum Wasserspiegel
oder über diesen hinaus erstreckt. Dann wird die Tiefbohrung durch dieses Führungsrohr
hindurch niedergebracht. Gemäß der Erfindung erstreckt sich das gesamte Führungsrohr
11 zusammen mit dem größten Teil des Bohrlochabschlußgehäuses 12 unterhalb der Schlammgrenze
bzw. des Meeresbodens 14, doch können sich diese beiden Teile bei sehr großer Wassertiefe
auch um ein erhebliches Stück oberhalb der Schlammgrenze erstrecken.
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Vor dem Einrammen des Führungsrohres 11 in den Untergrund wird das
zylindrische Gehäuse 12 mit dem oberen Ende des Rohres mit abdichtender Wirkung,
z. B. durch Schweißen, verbunden. Der Deckel 13 kann mit dem oberen Ende des Gehäuses
12 auf geeignete Weise so verschraubt werden, daß eine Abdichtung des Gehäuses erfolgt.
Als Sicherheitsmaßnahme kann der Deckel mit einem Druckmeßgerät 10 ausgerüstet werden,
das mit der Kammer 16 innerhalb des Gehäuses 12 in Verbindung steht. Bevor man den
Deckel 13 von dem Gehäuse 12 entfernt, kann man somit den Druck in dem Gehäuse ablesen,
damit Gewähr dafür besteht, daß das Gehäuse unter einem Druck steht, bei dem der
Deckel abgenommen werden kann.
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Der Deckel 13 ist mit zwei oder mehr Führungsstangen 17 versehen,
die sich vom Rand des Deckels nach oben zu einem oberhalb der Deckelmitte liegenden
Punkt erstrecken und eine nach oben spitz zulaufende Zentrierungseinrichtung bilden,
mittels deren das offene untere Ende eines zylindrischen Senkkastens oder Zugangsrohres
18 zur Fluchtung mit dem Gehäuse gebracht werden kann, wenn der Senkkasten
bzw. das Rohr von oben herabgelassen wird, um eine Berührung mit dem Gehäuse herzustellen,
wie es in der Zeichnung dargestellt ist. Am unteren Ende des Senkkastens 18 ist
ein nach außen ragender Flansch 19 befestigt, dessen Form derart ist, daß er im
wesentlichen, jedoch nicht ganz genau zum oberen Ende des Gehäuses 12 paßt.
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Die Länge des Senkkastens bzw. Zugangsrohres 18 ist so gewählt, daß
sich das Rohr vom oberen Ende des Gehäuses 12 bis zu einem Punkt oberhalb des Wasserspiegels
20 erstreckt. Der Innendurchmesser des Rohres ist, mindestens an dessen unterem
Ende etwa größer als der Außendurchmesser des Deckels und des nach oben ragenden
Halses 14 des Gehäuses 12. Gegebenenfalls kann sich der Hals 15 des Gehäuses ein
erhebliches Stück oberhalb des oberen Endes des Gehäuses erstrecken, so daß er als
Unterstützung wirkt, die dazu beiträgt, den Senkkasten 18 in einer aufrechten Stellung
zu halten und ein Umfallen des Senkkastens zu verhindern. Es sei bemerkt, daß man
normalerweise am oberen Ende des Senkkastens weitere bekannte Unterstützungsmittel
befestigen kann, z. B. Schwimmer, einen Wartungsprahm, Verankerungsseile usw., um
den Senkkasten während der an dem Bohrloch auszuführenden Arbeiten oberhalb des
Bohrlochabschlußgehäuses in senkrechter Stellung zu unterstützen.
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Der Flansch 19 ist auf seiner Unterseite mit einem geschmeidigen und
nachgiebigen Dichtungsring 21 aus geeignetem Material versehen, um eine wasserdichte
Abdichtung nahe dem äußeren Rand des Flansches zu bewirken. Es sei bemerkt, daß
der Dichtungsring 21 alternativ an der Oberseite der oberen Wand des Gehäuses 12
in einer solchen Lage befestigt sein könnte, daß er den Flansch 19 beim Absenken
des Senkkastens auf die Oberseite des Gehäuses berührt. Da sich jedoch auf der Oberseite
des Gehäuses und des Dichtungsringes 21 oder auf Teilen des Dichtungsringes Sand
ansammeln könnte, wird es vorgezogen, den Dichtungsring nicht an dem Gehäuse, sondern
an dem Flansch 19 anzubringen. Außerdem ist es im letzteren Falle wesentlich leichter,
den Dichtungsring jedesmal nach der Durchführung von Arbeiten an der Bohrung zu
prüfen, wenn er an dem Flansch 19 befestigt ist und zusammen mit diesem an die Oberfläche
gebracht wird. Um die Darstellung zu vervollständigen, zeigt die Zeichnung, daß
innerhalb des Bohrlochabschlußgehäuses 12 ein auf die Bohrlochverrohrung 23 aufgesetzter
Steigrohrkopf 22 angeordnet ist.
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Wenn es erforderlich ist, an einer Unterwassertiefbohrung der in der
Zeichnung dargestellten Art Wartungsarbeiten durchzuführen, benutzt man ein Wartungsboot
od. dgl. (nicht dargestellt), um den Senkkasten 18 zu dem Bohrlochabschlußgehäuse
12 zu transportieren und ihn so auf das Gehäuse abzusenken, wie es aus der Zeichnung
ersichtlich ist. Dann wird das Wasser aus dem Senkkasten 18 mit Hilfe einer geeigneten
Pumpe (nicht dargestellt) abgepumpt. Diese Pumpe befindet sich entweder auf dem
Wartungsboot, oder sie wird in den Senkkasten hinein abgesenkt. Wenn der Senkkasten
18 mit Wasser gefüllt ist, übt nur das Gewicht des Senkkastens eine nach unten wirkende
Kraft auf das Gehäuse 12 aus, und diese Kraft wird in einer im wesentlichen senkrechten
Richtung aufgebracht, um den Dichtungsring 21 an die Oberseite des Gehäuses 12 anzudrücken.
Beim Abpumpen des Wassers aus
dem Senkkasten wird ein Druckunterschied
zwischen dem Inneren und der Außenseite des Senkkastens hervorgerufen. Auf der Höhe
des Dichtungsringes 21 entspricht dieser Druckunterschied dem Unterschied zwischen
dem hydrostatischen Druck des umgebenden Wassers in der betreffenden Tiefe und dem
Strömungsmitteldruck, der nach dem vollständigen Abpumpen des Wassers innerhalb
des Senkkastens herrscht, d. h. dem Druck der Atmosphäre. Da der Flansch 19 des
Senkkastens starr ist, wird im wesentlichen die gesamte auf den Druckunterschied
zurückzuführende, an dem Flansch angreifende Kraft in einer solchen Richtung aufgebracht,
daß der Dichtungsring an das Gehäuse 12 angedrückt wird. Die auf den Dichtungsring
aufgebrachte Dichtungskraft entspricht somit dem Gewicht des Senkkastens 18 zuzüglich
des Gewichtes des Wassers oberhalb des Flansches 19 innerhalb eines Zylinders, der
durch eine sich von dem Dichtungsring senkrecht nach oben erstreckende Linie gebildet
würde (in der Zeichnung durch die schraffierte Fläche 25 angedeutet).
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Dadurch, daß ein Senkkasten 18 verwendet wird, dessen Durchmesser
etwas größer ist als der Außendurchmesser des Halses 15, sowie dadurch, daß ein
Flansch 19 vorgesehen ist, der mit einem Dichtungsring 21 zusammenarbeitet, welcher
eine dem Flächeninhalt des oberen Endes des Gehäuses 12 entsprechende Fläche umgibt,
wird die vor dem Abpumpen des Wassers aus dem Senkkasten auf die Gehäuseoberseite
außerhalb des Halses 15 wirkende hydraulische Kraft dann, wenn der Senkkasten ausgepumpt
worden ist, von dem Flansch 19 aufgenommen und über den Dichtungsring 21 auf das
Gehäuse 12 übertragen. Die auf den Dichtungsring aufgebrachte Gesamtkraft ist dann
gleich dem Gewicht des Senkkastens 18 und dem Produkt aus dem hydrostatischen Druck
auf dem Niveau der Dichtung und der waagerechten Fläche des Senkkastenffansches
innerhalb der Dichtung 21. Zwar ist der Flansch 19 annähernd zur Oberseite des Gehäuses
12 passend geformt, doch ist es wichtig, daß kein Teil des Flansches die Oberseite
des Gehäuses 12 berührt, bevor die Dichtung 21 im größtmöglichen Ausmaß zusammengedrückt
worden ist. Die einzige Verbindung zwischen der Oberseite des Gehäuses und dem Flansch
muß durch den Dichtungsring 21 hergestellt werden, um eine möglichst wirkungsvolle
Abdichtung zu gewährleisten. Die in einer gegebenen Tiefe unterhalb des Wasserspiegels
aufgebrachte Dichtungskraft nimmt entsprechend dem Ausdruck R2 - r2 zu; hierin bezeichnet
R den Abstand zwischen der Mittellinie des Senkkastens und dem Außendurchmesser
des Dichtungsringes und r den äußeren Radius des Senkkastens. An Stellen, wo starke
Strömungen usw. auftreten, kann es zweckmäßig sein, mechanische Verbindungsmittel
zwischen dem Senkkasten und dem Gehäuse zu verwenden, um die Wirkung der vorstehend
beschriebenen Abdichtungsmittel zu ergänzen, doch würden die erfindungsgemäßen Abdichtungsmittel
die gesamte für die Abdichtung der Anlage erforderliche Dichtungswirkung aufbringen.
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Es liegt auf der Hand, daß man die Dichtungskraft durch Vergrößern
des äußeren Radius R des Dichtungsringes vergrößern kann, wobei der Außendurchmesser
des Flansches 19 und gegebenenfalls auch der Außendurchmesser des Gehäuses 12 vergrößert
werden muß; dies kann bei der Verwendung eines Dichtungsringes 21 erforderlich sein,
auf den eine große Dichtungskraft aufgebracht werden muß.
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Bei einer zweckmäßigen Ausbildungsform der Erfindung können die Abmessungen
des Flansches und des Ringes so gewählt werden, daß die Ringfläche #T (R2 - r2)
vorzugsweise gleich oder größer ist als die Fläche nr2.