DE2221700C3

DE2221700C3 - Vorrichtung zum Ausüben einer im wesentlichen konstanten Kraft auf eine Bohrkolonne, die mit einer Wechselbewegungen ausgesetzten Installation verbunden ist

Info

Publication number: DE2221700C3
Application number: DE2221700A
Authority: DE
Inventors: Andre Mesnil-Le-Roi Castela; Philippe Meudon-La-Foret Joubert
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1971-05-03
Filing date: 1972-05-03
Publication date: 1974-04-25
Also published as: FR2147771B1; SE393429B; US3788074A; NL7205929A; SU633496A3; NL149253B; SE393430B; NL149259B; CA956922A; DK135865C; DE2221654C3; DK135865B; NO131616B; NO131617B; NO131616C; DK135866C; IT954956B; GB1394202A; DE2221654B2; ES402339A1

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausüben einer im wesentlichen konstanten Kraft auf eine Bohrkolor.ne, die mit einer Wechselbewegungen ausgesetzten Installation verbunden ist. eiche durch ₄s wenigstens cmc Hauptzylinderanordnung getragen ist. mit wenigstens einem ein Gas unter Druck enthaltenden Speicher und einer mit dem Speicher verbundenen Steuerzylinderanordnung, mit wenigstens einem Steuerzylinder, der an einem bezüglich der «,o Installation festen Punkt schwenkbar gelagert ist und auf ein liings einer gegenüber der Installation festen Bahn bewegliches Gelenk eine an die Bohrkolonne angelegte Kraft ausübt, wobei der schwenkbar gelagerte oteuerzylinder während des Verschwenkens bezüglich der Bahn geneigt bleibt.

Im allgemeinen ist das obere Hnde der Bohrkolonne fest mit einem, von einem beweglichen Haschenzugblock getragenen Haken verbunden, wobei der bewegliche Flaschenzugblock über ein der Betatigung des Bohrgestänges dienendes Kabel an einem Turmrollenblock hangt, der sich am Kopf eines von dor schwimmenu.cn Installation getragenen Bohrturms befindet.

Um selbsttätig die Stampfbewegungen der schwim- <i> ir.enden Insinuation zu kompensieren, wurde bereits vorgeschlagen, einen Hydraulikzylinder zn verwenden, der mit einem seiner linden an den Kopf des Bohrturms befestigt ist und den Turmrollenblock trägt. wobei dieser Hydraulikzylinder in der Verschiebungsrichtung der schwimmenden Installation, d. h. in einer im wesentlichen vertikalen Richtung, angeordnet ist. Die selbsttätige Kompensation der Bewegung der schwimmendem Installation erhält man, indem man den Zylinder mit einem unter Druck stehenden Fluid speist, welches von einem ölpneumatischen Speicher eeliefert wird. Wenn unter dem Einfluß des Stampfens der Kolben sich im Zylinderkörper verschiebt, so variiert der Druck des Speichers und folgt im wesentlichen einem polytropen Gesetz P V^K = const.

Man kann in erster Näherung zeigen, daß die Änderungen von Volumen I % und Druck IP₀ der Masse des im Speicher enthaltenen Gases, welche durch die Vertikalbewegungen der schwimmenden Installation hervorgerufen werden, sich definieren lassen durch die Beziehung

In diesen Formeln ist P₀ der Anfangsdruck des Gases im Speicher und somit der Druck des hydraulischen in der Zylinderanordnung enthaltenen Fluids, der es ermöglicht, eine bestimmte Zugkraft auf die Bohrkolonne auszuüben; V₀ ist das Volumen des komprimierten Gases und K ist ein Koeffizient, der unter anderem abhängig von dem im Speicher enthaltene:·! Gas ist.

Nimmt man beispielsweise eine maximale Änderung von 10% der in der Bohrkolonne bzw. dem Bohrgestänge ausgeübten Zugkraft an. was einer Änderung von "l0% des Druckes im Zylinder entspricht, so muß ein Speicher mit einem Volumen I5 verwendet werden, welches definiert wird durch die Beziehung \{ > IO /V 11₆'.

Da in Praxis die Wahl des Druckes P₀ durch die Konstruktionserfordernissc für Speicher und Zylinder und durch die Amplitude des Stampfens der schwimmenden Installation bestimmt wird, muß man Speicher mit sehr großem Volumen Ij,' verwenden, die sehr teuer sind und auf der schwimmenden Installation viel Plat/ wegnehmen.

Fs ist bereits bekannt (britische Patentschrift 1 051 311). dem \ertikalen Zylinder zuzuordnen bzw. an Stelle dieses Zylinders vorzusehen ein oder wehrerc Zylinder, die jeweils mit einem Fndc am Bohrturm angelenkt sind, wobei das and:"c Ende den Turmrollenblock trägt. Die Verwendung dieser gegenüber der Verschiebungsbahn des Turmroiienblocks geneigten Zylinder sorgt für eine bessere Steuerung der auf die Bohrkolonne ausgeübten Zugkraft und ermöglicht es. in beachtlicher Weise das Gesamtvolumen lyi der benutzten Speicher zu vermindern. Bei dieser bekannten Ausführungsform sind allerdings der Hauptzylinder und der Steutrzylinder dem Druckspeicher parallel geschaltet. Der Druck im Speicher wird also an den Hauptzylinder direkt über eine Leitung gegeben, was die Regelmöglichkeit der Anordnung beachtlich begrenzt.

Die Nachteile solcher bekannter Vorrichtungen 711111 Ausüben einer im wesentlichen konstanten Kraft sind vor allen Dingen abei in der 1 aisache zu sehen, daß einerseits die für die verwendeten Speicher notwendigen Volumina I₀' noch recht erheblich sind und daß andererseits das erhöhte Gewicht der am Bohrkopf des Bohrturms befestigten Zylinder die Stabilität der

<t

tchwimmenden Installation vermindert und dynamische Beanspruchungen im Bohrturm hervorruft.

Die Nachteile des erhöhten Gewichts am Kopf des Bohrturms und der nicht zufriedenstellenden Regelmöglichkeit zwischen Speicher und Hauptzylinder werden nun erfindungsgemäß dadurch beseitigt, daß bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art die Steuerzylinderanordnung zusätzlich zu dem Steuerzylinder eine durch das Gelenk mit diesem verbundene Hilfszylinderanordnung aufweist, welche über eine Flüssigkeitsleitung mit der Hauptzylinderanordnung verbunden ist.

Eine beispielsweise Ausführungsrorm der Erfindung soll nun an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden, die eine Vorrichtung erkennen lassen, um eine im wesentlichen konstante Zugkraft, die auf eine an einer Bohrinstallation im Meer hängende Bohrkolonne ausgeübt wird, aufrechtzuerhalten. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 eine Ausführungsform der Anordnung nach der Erfindung,

Fig. 2 und 3 geben jeweils Änderungen des der Hauptzylinderanordnung gelieferten Arbeitsdruckes gov\ ie der auf die Bohrkolonne ausgeübten Spannung als Funktion der Verschiebungen des Kolbens dieser Zylinderanordnung unter dem Einfluß der Verlikalbewegungen der schwimmenden Installation wieder.

Mit 1 ist eine schwimmende Installation bezeichnet. übe der ein Bohrturm oder Derrick aufgebaut ist. Eine nicht dargestellte Bohrkolonnc bzw. ein nicht dargestellter Bohrstrang ist an die schwimmende Insi illation über ein Betätigungsorgan .ingehängt, welches in diesem besonderen Fall durch einen fest mit einem beweglichen Flaschenzug 4 verbundenen Haken 3 gebildet wird, wobei der Flaschenzug über ein Kabel 5 an einem Turmrollenblock 6 hängt. Das Kabel 5. welches zur Betätigung der Bohrkolonne dient. läu<t über eine keinen Teil der Eründung bildende Einrichtung, die aus Gelenkarmen 7 und 8 und BKvkrollcn 9 und K) besteht, die es ermöglichen. Jen Verschleiß des Kabels zu vermeiden, welcher durch Reibungen an dem Turmrollenblock hervorgerufen winde.

Der Turmrollenblock 6 ist an das Ende der Stange eines Zylinderträgers Il gehangt, der fest mit dem Bohrturm 2 verbunden ist und die Aufhängccinrichtung füi Bohrkolonne bzw. Bohrgestänge bildet. Dieser Zylinder ist im wesentlichen in der Richtung der Stampfbewegung der schwimmenden installation angeordnet, d. h. im wesentlichen in einer vertikalen Richtung. Der Zylinderträger 11 ist über eine Leitung 12 mn einer Steuereinrichtung verbunden. Diese Einrichtung liefert eine Kraft, die in der weiter unten angegebenen Weise das den Zylinderträger 11 speisende Arbeitsfluid unter einem festgelegten Druck halt

Die durch die schwimmende Installation getragene Steuereinrichtung ist aus Gründen einer übersichtlichen Darstellung in der Figur in einer Vertikalebene gezeigt, ohne daß diese Anordnung als beschrankend anzusehen wäre. Die Vorrichtung umfaßt einen /\· linder 14, von dem eines der ihn bildenden 1 leinenle. beispielsweise der Zylinderkörper, um eine fes,. Abstützung 15 gelenkig ist. Hin Punkt seines anderen ihn bildenden Elements, beispielsweise der Punkt der Stange der Zylinderanordnung, wird gezwungen, sich längs einer festgelegten Bahn 19 so zu verschieben. daß die Achse der Zylinderanordnung J4 einen Neigungswinkel it gegenüber der Bahn S9 bildet Eine Leitung 20a verbindet die Zylinderanordnung 14 mit einem Speicher 20, der eine konstante Gasmasse enthält. Der Speicher 20 ist beispielsweise ein ölpneumatischer Speicher, dessen Drück mit der Relatjvverschiebung der die Zylinderanordnung 14 bildenden Elemente variiert, wenn der Punkt 18 sich auf der Bahn 19 verschiebt.

Die Bahn 19 ist derart festgelegt, daß die Änderungen in der Neigung α der Zylinderanordnung ίο gegenüber der den Verschiebungen des Punktes 18 auf dieser Bahn entsprechenden Bahn sich als eine Änderung des Verhältnisses der durch die Zylinderanordnung auf seine Komponente entsprechend dieser Bahn ausgeübten Kraft darstellt, wodurch eine gewisse Kompensation der Druckänderungen des Fluids im Zylinder 14 herbeigeführt wird.

Nimmt man nämlich an, daß die Vorrichtung 13 sich in der in der Figur dargestellten Lage befindet, so vermindert sich, wenn der Punkt 18 sich gegen den zo Punkt // der Bahn 19 verschiebt, der Druck im Zylinder 14 und sorgt für eine entsprechende Verminderung der durch den Zylinder 14 auf den Punkt 18 ausgeübten Kraft. Korrelativ vermindert sich der Winkel «<. und die entsprechend des Bahnverlaufs 19 is der Kraft durch den Zylinder 14 auf dem Punkt 18 ausgeübte Kraftkomponente variiert relativ wenig.

Verschiebt sich der Punkt 18 gegen den Punkt B der Laufbahn 19. so steigt der Druck im Zylinder 14 und sorgt für eine Erhöhung der durch den Zylinder 14 auf den Punkt 18 ausgeübten Kraft. Korrelativ nimmt der Winkel <i zu. und seine Komponente entsprechend der Bahn 19 der durch den Zylinder 14 auf den Punkt 18 ausgeübten Kraft variiert relativ wenig.

Die Steuereinrichtung ist mit Einrichtungen zur Umwandlung der durch den Zylinder 14 entlang der Bahn 19 entsprechenden Kraftkomponenle in einen bestimmten Druck P₀ verbunden.

Diese I mwandlungseinrichtungen sind durch einen Zwischenzylinder 16 gebildet, von dem eines der ihn bildenden Elemente, beispielsweise die Stange der Zylinderanordnung 16. mit dem Punkt 18 verbunden ist: das andere ihn bildende Element, beispielsweise der Körper des Zylinders 16. ist fest mit einem leslen 4> Stützpunkt 17 verbunden.

In der Figur ist der Körper des Zylinders K. um seinen festen AbsHil/punkl 17 gelenkig, und die Achse des Zylinders 16 bildet einen Winkel ,; mit der Führungsbahn 19. wobei dieser Winkel /»' mit den \ cschicso bup.gen der Punkte 18 auf der Führungsbahn variiert.

Selbstverständlich kann m;'n .tuch im Rahmen der Erfindung die Zylinderanordnung J6 derart vorsehen, daß ihre Achse entsprechend dem Verlauf der Bahn ss angeordnet ist.

Auf diese \S eise wird die Kolbenstange dei Zylinderanordnung 16 der Wirkung der in Richtung des Bahnverlaufs 19 wiiWenden Kraflkomponcnte ausgesetzt, wobei die Kraft durch die Zylinderanordnung i>o ausgeübt wiul. vv.is das in der Zylinderanordnung enthaltene und an den Zylinderlager ίι über die 1 titling 12 neführte Fluid unter einem bestimmten Druck.

Der vom Zylinder 16 gelieferte Druck Pu ist mit <>s dem Di tick P im Speicher 20 verknüpft durch die Beziehung:

J ^C0S1'

S cos

Die Werte dieses Druckes, welche den extremen Stellungen (ß und H) der beweglichen Gelenkanordnung 18 auf der Führungsbahn 19 entsprechen (Fig. 11. ergeben sich jeweils zu:

P»„ =

COS n_B

COS j!,,

(2) Setzt man V₁₁ Beziehung (5) her:

V_g = AV, so leitet man aus der

V_n =

-AV

p.. _ ρ ^{A COS} "If

⁷ "" - ' " S cos .;„

wobei die Indizes ß Uiid // die von den verschiedenen Variablen Pu. P. .< und ,; der Beziehung (1) für die Stellung P und // der beweglichen Gelenkverbindung 18 angenommenen Werte bezeichnen

In Praxis wählt man beispielsweise die Werte Pu₁₁ und Pu_n des Drucks Pu. über die man im Zylinderträger Il zu verfügen wünscht und die den F.xtremstellungcn des beweglichen Clements i^. Zylinderanordnung 11 entsprechen. (Diese Went von Pu₁, ^ und i'Ujt können gegebenenfalls unterschiedlich sein.)

Die Werte Pu₁, und Pu_n werden als Funktion der Bedingungen jeder in Betracht gezogenen Benutzung gewählt.

Nach dem betrachteten Benutzungsheispiel für _iL, diesen Druck werden in einem Alindertriiger zur Regelung der an eine Bohl kolonne geleutcn Spannung bzw. Zugkraft 7"die Werte von Pu_n und Pu₁₁ beispielsweise festgelegt, in dein der FinfluH einer I lasehen/uganoidnuug ueiücksiel.ligi i'. welche zwischen BoIv v. kolonne und Zvhnderträger 11 zwischengeschaltet ist

Man wählt Versuchsworte für die Konstniktionsparameter der Regelanordnung, wobei diese Parameter (Fig. 1) die Werte von </_u und </,„ sind (jeweilige Fniferniinuen der Gelenkpunkte 15 und 16 von der Achse der Führungsbahn I9)>o\vicdie Fxtremwcrtc -i„. (i_B und /f„. ,:_B der Winke! .1 und ,; und die Werte der Querschnitte von χ und S der Zylinder 14 bzw. 16.

Aus den Beziehungen (2) und (3) leitet man für Pu_H 4', und Pu„ erhaltene Werte, die Werte P_H und P_n des Drucks des Hilfsfluids im Speicher 20 als Funktion der Werte ί_β· "η· I'b- Jh (Fig. Π. die man sich vorgegeben hat, her.

Diese Bestimmung der Werte von P₈ und P₁, ermöglicht es. das für den Speicher 20 notwendige Volumen zu berechnen

Der Druck P in diesem Speicher variier! im wesentlichen entsprechend einem physikalischen Gesetz der Form: PV^K = Konstant, wobei K ein Koeffizient ist. s__s dessen Wert unter anderem von der Art des komprimierten Gases abhängt und V das Volumen des Gases beim Drucke P des Speichers 20 ist. das an den Kolben der Zylinderanordnung 14 übertragen wird.

Fs ergibt sich somit die Beziehung br.

wobei l'B und V_H die Werte für das Volumen des Gases unter Druck sind, wenn die bewegliche Gelenklaeerunc IS sich jeweils im Punkte R und im Punkte H der Führungsbahn 19 befindet.

ίο Der Wert von I V ist bekannt, da er gleich dem Produkt de; Querschnitts s des Zylinders 14 und der Bahn seines Kolbens ist. wenn die bewegliche Gclcnk-(31 lagerung 18 sich zwischen den Punkten ß und H verschiebt, wobei V_h der minimale Wert des komprii«. mierten Gasvolumens ist. Das Nennvolumen des Speichers 20 ist somit festgelegt, da die Werte P₁₁ und P_n bereits bestimmt sind. (Tat ierungsdruck dieses Speichers ist im wesentlichen gleich P_B.)

Man erstellt dann in der unten angegebener Weise die Kurve:

T= F (/j). (6)

die die Änderungen der an die Bnhrkolonne gelegten Zugkraft T als Funktion der Verschiebung h des Kolbens des Hauptzylinder« 11 aus seiner untersten Stellung angibt.

Jedem Wert von /; entspricht nämlich eine genau definierte Position der beweglichen Gelenklagerung 18 auf der Führungsbahn I¹* d h der definierten Werte füi die Winke' << und ,;. wenn man d>c Werte ,;'„. :,,. </j_f, und S festgelegt hat. Der Verschiebung /? üc.-. Kolbens des Zylinders 11 aus seiner untersten Lage entspricht nämlich eine bestimmte Änderung des Volumens des hydraulischen Fluids im Zylinder der Zyünderanomnung 16 über die Leitung 12 (die Verschiebungen der Kolben der Zylinder Il und 16 in jedem Augenblick gegenüber ihrer Ausgangsposition j unterste Stellung] geben den gleichen prozentualen Anteil ihres maximalen Weges wieder).

In dieser Stellung der beweglichen Gelenkverbindung, der eine bestimmte Lage des Kolbens der Zylinderanordnung 14 i:ii'i>pricht. nimmt das Gas beim Druck des Speichers 20 das Volumen I „ i λ S ein. und sein Druck P ist definiert durch die Beziehung

= P[V_B

ΛΠ*

und hieraus

Man kann somit den Druck P für jeden Wert von /1 dem ein genau definierter Wert jedes der Winkel < und '■ entspricht, festlegen.

F'iir jeden so erhaltener, Wert von P berechnet mar den entsprechenden Wert von Pk nach der oben ange gebcnen Beziehung (i):

^ COS (i

Pu = P -*■-■ πι

Λ COS ji

und man leite! den entsprechenden Wert der Zug kraft T her. der im betrachteten Arbeitsbeispiel dci F.influB der Fbschenzuaanordnung deutlich werdei läßt.

Die graphischen Darstellungen der Fig. 2 und zeigen jeweils die änderungen von Pu (ausgedrückt 11 kg cm²) und von T (ausgedruckt in Tonnen) al Funktion des Weges /7. (ausgedrückt in Meiern) de

Kolbens der Zylinderanordnung H, wie sie mil den folgenden Daten (es wird auf F i g. 1 Bezug genommen) erhalten wurden:

horizontale Entfernung der Achsen der Blockrollen 9 und 10 von der Achse der Blockrolle 6. wenn diese sich in ihrer untersten Stellung gleich 3,3 m belindet.

vertikale Entfernung der Achsen der Blockrollen 9 und 10 von der Achse der Blockrollc 6. wenn diese sich in ihrer untersten Lage gleich 1.8 m befindet.

Das Kabel 5 bildet 12 Trume zwischen der Blockrollc 6 und dem beweglichen Flaschenzug 4.

Maximalweg h_M (Fig. 1) des Hauptkolbens 11. der durch die Amplitude der Vertikalbewcgungen der schwimmenden Installation gleich 4,6 m aufgezwungen ist.

Im übrigen wurden die folgenden Werte gewählt:

d_u = 3.30 m.
</,„ - 3.90 m.

.■>■* - 20'.

In den Diagrammen der Fi g. 2 und 3 zeigen die gestrichelter. Linien die für Pu bzw. T erhaltenen Änderungen, wenn man wählt:

a„ = 23 ,
"« = 45-.

Die durchgezogenen Kurven zeigen die diesmal erhaltenen Ergebnisse

<i„ = 26°.
s "β = 50".

Die strichpunktiert dargestellte Kurve zeigt den gewünschten Verlauf an. Es ist also möglich, die Anordnung zu optimieren, indem man für die Konstruktionsparametcr «„. u_B, d_]4. s und ,,'„, ,·>'„, </„,. S die Werte

ίο entsprechend der Versuchskurve des Drucks Pu wählt. die am nächsten zur strichpunktierten Kurve verläuft. die ja die gewünschten Werte für diesen Druck Pu in diesem besonderen Fall angibt, um die Änderungen der von der Zylinderanordnung 11 ausgeübten Kraft

is zu erhalten, die es ermöglichen, die auf die Bohrkolonnc ausgeübte Zugkraft Tim wesentlichen konstant zu halten.

Es soll auch darauf hingewiesen werden, daß im Diagramm der Fig. 3 der Maßstab der Ordinaten stark auseinandergezogen wurde, da die relativen Änderungen der Spannung T in der Bohrkolonne ί 1.5% nicht überschreiten.

Selbstverständlich kann man die Grenzwerte für Pu_n und Pu₁₁ Pur den Arbeitsdruck unterschiedlich wählen, um so den unterschiedlichen Benutzun^sbcdingungcn. und somit beispielsweise der Wahl eines neuen Sollwertes Tür die Zugkraft 7" zu entsprechen.

Dies kann erfolgen, indem man auf die Masse des in

\o den Speicher 20 eingeführten Fluids, z. B über einen Schieber 20r> (Fig. 1), einwirkt.

Hierzu i Blatt Zeichnungen

409 617/438

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Ausüben einer im wesentlichen konstanten Kraft auf eine Bohrkolonne, die mit einer Wechselbewegungen ausgesetzten Installation verbunden ist, welche durch wenigstens eine Hauptzylinderanordnung getragen ist, mit wenigstens einem ein Gas unter Druck enthaltenden Speicher und einer mit dem Speicher verbundenen Steuerzylinderanordnung, die wenigstens einen Steuerzylinder umfaßt, der an einem bezüglich der Installation festen Punkt schwenkbar gelagert ist und auf ein längs einer gegenüber der Installation festen Bahn bewegliches Gelenk eine an : die Bohrkolonne angelegte Kraft ausübt, wobei der schwenkbar gelagerte Steuerzylinder während des Verschwenkens bezüglich der Bahn geneigt verbleibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerzylinderanordnung (14; 16) zusätzlich zu dem Steuerzylinder (14) eine durch das Gelenk (18) mit diesem verbundene Hilfszyiinderanordnung (16) aufweist, welche über eine Flüssigkeitsleitung (12) mit der Hauptzylinderanordnung (11) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis —^s-^- der Werte der Kosinus der spitzen Winkel, die jeweils der Steuerzyür.der (14) und ein Hubzylinder (16) der yo Hilfszylinderanordnung mit der Bahn des Gelenkorgans (18) bilden, bei Verschiebung des beweglichen Gelenkorgans (18) auf seiner Bahn in einen Sinne entgegengesetzt zur Änderung des Druckes des Gases in dem Speicher variiert. 3s