DE2307847A1

DE2307847A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung der wellenhoehe, insbesondere in einem offenen gewaesser

Info

Publication number: DE2307847A1
Application number: DE19732307847
Authority: DE
Inventors: George Edward Mott; Robert Lee Skaggs
Original assignee: Texaco Development Corp
Current assignee: Texaco Development Corp
Priority date: 1972-05-01
Filing date: 1973-02-17
Publication date: 1973-11-15
Also published as: US3910111A; CA998473A; ZA731957B; GB1401731A; NL7304157A; KR790000495B1

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Wellenhöhe, insbesondere in einem offenen Gewässer

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Wellenhöhe, insbesondere in einem offenen Gewässer.

Es existieren eine Anzahl Verfahren und Vorrichtungen, mit denen die Höhe und Schwingungsdäuer in einem offenen Gewässer ermittelt werden kann. Die hierzu nötigen Messungen können sehr schnell entweder optisch oder durch zweckmäßige elektronische Instrumente ermittelt werden. Zur genauen Messung jedoch ist es nqtig, daß diejse Meßeinrichtungen an einer festen Konstruktion, die unbeeinflußt von den Wellen ist, angeordnet

sind.

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Ein weiterer Nachteil der bekannten Meßeinrichtungen besteht darin, daß sie nicht auf einem schwimmenden Wasserfahrzeug oder dgl. benutzt werden können, da ihre Effektivität von der ■Stabilität des Wasserfahrzeuges oder dgl. und den Bedingungen der das Wasserfahrzeug umgebenden See abhängt. Die relativ stärksten Bewegungen führt das Wasserfahrzeug bei turbulenter See aus. Die Schwierigkeit, eine genaue Wellenhöhen- und Schwingungsdauermessung durchzuführen, ist fast nicht überwindbar.

Bei der Verwendung mobiler, schwimmfähiger Bohr-Einrientrungen für den Küstenbereich, mit denen nach Gas, öl und anderen Flüssigkeiten gebohrt wird, ist es äußerst wünschenswert, kontinuierlich die Bedingungen der offenen See und deren Einwirkungen auf die Bohreinrichtung zu überwachen. Diese Überwachung wird benötigt, um die folgenden Arbeits- und Ausführungsbedingungen festzulegen und zu bestimmen, ob die Bohrarbeiten vorübergehend eingestellt und vom Bohrloch abgetrennt werden sollen, was wiederum auf den Erfolg der Bohroperation und die Sicherheit der Bedienungsmannschaft einwirkt .

So wirkt z.B. bei jeder Offshore-Bohrung, die von einem schwimmfäfrigen Fahrzeug aus abgeteuft wird, ständig eine rollende, hebende und schlagende Bewegung aufgrund des Windes, der Wellen und des Schwelles auf das schwimmfähige Fahrzeug

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ein. Aus wirtschaftlichen Erwägungen heraus ist es wünschenswert, eine kontinuierliche Bohroperation aufrechtzuerhalten. Das bedeutet, daß die Bohrausrüstung so angeordnet sein muß, daß der Bewegung des Wasserfahrzeuges oder dgl., insbesondere der vertikalen Hebebewegung des Wasserfahrzeuges entsprochen werden kann. Dieser vertikalen Bewegung kann entsprochen werden durch die Verwendung einer Kompensationseinrichtung innerhalb des Bohrstranges, um so die Einwirkung der Bewegung auf den Bohrkopf zu minimieren. Es hat sich als praktikabel und auch wünschenswert herausgestellt, die Hebebewegung durch eine auf dem Wasserfahrzeug angeordnete Kompensationseinrichtung zu kompensieren.

Die Funktion einer solchen Kompensationseinrichtung besteht darin, auf die Adjustierung der Höhenlage des Unterblockes des Flaschenzuges einzuwirken, wenn das Wasserfahrzeug bzw. Bohrschiff sich hebt und senkt, wobei eine konstante Zugkraft, die auf den Bohrstrang einwirkt, aufrechterhalten wird, üblicherweise beinhaltet eine solche Kompensationseinrichtung eine Druckquelle, um augenblicklich den Unterblock anheben oder absenken zu können und die relative Position aufrechtzuerhalten, wenn das Bohrschiff aufgrund der Wellenbewegung die

periodischen Schwingungen ausführt,
ν

Um die Kompensierungseinrichtung noch wirkungsvoller zu verwenden, ist es wünschenswert, im voraus die durchschnittliche

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Wellenbildung dee Wassere, auf dem das Bohrschiff schwimmt, zu bestimmen. Mit dem so bestimmten Wellenbild kann die Kompensierungeeiiirichtung für den Bohrstrang programmiert oder im voraus beaufschlagt werden, um der Bewegung des Wasserfahrzeugee bzw. dee Bohrschiffes zuvorzukommen und folglich zum richtigen Zeitpunkt und der richtigen Hubhöhe die Bewegung zu adjustieren.

Weiterhin ist ee wünschenswert und auch eines der Ziele der Erfindung, in Erwiderung dee sich wiederholenden Wellenbildes des Wassers eine solche Steuerungs-Einrichtung wirkungsvoll zu regeln. Daβ Wellenbild wird somit ständig berechnet und als Determinante für die Programmierung der Steuerungs-Einrichtung verwendet.

Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe, d.h. eine einfache, wirkungsvolle Meßeinrichtung zur Messung der Wellenhöhe, der Wellenfrequenz und der horizontalen Komponente der Versetzung des Wasserfahrzeuges bzw. Bohrschiffes zu schaffen, wird an dem Waββerfahrzeug eine Halterung angeordnet, die zur Aufnahme der Wellen-Meßinstrumente in einer vertikalen Anordnung dient. Jedes Meßinstrument ist beweglich angeordnet oder poeitioniert, um sofort in Erwiderung sowohl auf die vertikale Vereetzung als euch auf die Roll- und Kippbewegung des Wasserfahrzeuges bzw. dee Bohrschiffes sich einstellen zu können. Die Meßinstrumente werden in einer im wesentlichen vertikalen Orientierung gehalten und sprechen nur auf Bewegungen des Wasserfahrzeuges in vertikaler Richtung an.

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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, aus dem sich weitere erfinderische Merkmale ergeben, ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines halbgetauchten Bohrschiffes, das für Bohrarbeiten im Offshorebereich vorgesehen ist,

Fig. 2 eine Ausschnitts-Ansicht eines Teiles des Bohrschiffes nach Fig. 1,

Fig. 3 eine schematisierte Ansicht des Bohrschiffes im Gewässer, aus der die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ersichtlich ist,

Fig. 4 eine Ausschnitts-Ansicht der Wellen-Meßeinrichtung im vergrößerten Maßstab,

Fig. 5 eine ähnliche Ansicht nach Fig. 4 und Fig. 6 die Beziehung der Meßsonden zueinander.

Fig. 1 zeigt eine Ausbildung einer Offshore-Bohrplattform

auf

Die Bohrplattform 10 weist ein Arbeitsdeck 11 ,^das wie üblich ' . 309846/0330

über der Wasseroberfläche 15 des Gewässers angeordnet ist und von einem steuerbar tauchfähigen Unterbau 12 gestützt wird. Eine Meßeinrichtung 14- ist so am eingetauchten Teil des 'Unterbaus 1$ angeordnet, daß sie die Wasserbedingungen über wachen und meßbare Daten aufzeichnen kann.

Aus Pig. 2 wird ersichtlich, daß die Heßeinrichtung 14 zur Erzeugung einer relativ niedrigfrequenten Schallwelle, die auf den Meeresboden 16 gerichtet ist, einen Übertrager 17 aufweist. Nachdem die Schallwelle vom Meeresboden reflektiert wurde, wird zumindest ein Teil der Schallwelle nach oben reflektiert, durchläuft das Wasser und wird von einem Schallempfänger aufgenommen.

Desgleichen wird eine zweite, in Richtung der Wasseroberfläche 15 laufende Schallwelle von einem zweiten schallwellen-erzeugenden Übertrager 18 erzeugt. An der Grenzfläche zwischen dem Wasser und der Luft wird ein Teil der Schallwelle nach unten reflektiert, um von dem Schallempfänger aufgenommen und aufgezeichnet zu werden.

Der Übertrager 17 kann eine herkömmliche Form eines elektronischen Tiefenmessers oder dgl. aufweisen. Eine Ausbildung eines solchen Instrumentes weist einen Erzeuger und übermittler für ein Schallsignal auf, das gemeinsam als Übertrager bezeichnet wird. Dieses Instrument erzeugt und empfängt in vor-

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bestimmten Zeitintervallen Schallwellen. Das Instrument dient somit sowohl für die Emittierung der nach unten gerichteten .Schallwellen als auch für den Empfang der reflextierten , zurücklaufenden Schallwelle.

Die Wassertiefe, durch die die Schallwelle läuft, wird als Punktion der Laufzeit zwischen Aussendung und Empfang des Signals oder der Welle bestimmt. In jedem Fall ermöglicht die Laufzeit der Schallwelle eine sofortige Bestimmung der Wassertiefe unterhalb der Plattform.

Gleichzeitig mit dem Tiefenmeß-Signal wird die Höhe der Wassersäule direkt über der Meßeinrichtung 14 bestimmt. Wie vorherbeschrieben kann die Meßeinrichtung 14 eine zweite Einrichtung zur Erzeugung und Übermittlung eines Schallsignales, die als übertrager 16 gekennzeichnet ist, aufweisen oder anstelle des übertragere 18 ein auf Druck der Wassersäule ansprechendes Instrument, das sofort die sich verändernden Wasserhöhen aufgrund des herrschenden Seeganges ermittelt. Dieser Aspekt ist sehr wesentlich, da die Plattform nicht nur der kontinuierlichen Wellenbewegung,, sondern auch dem langen, stufenartig fortschreitenden Seegang, der in einem Wellenmuster ansteigtvund wieder fällt, ausgesetzt ist.

Aus Fig. 4 ist die Anbringung des Meßinstrumentes ersichtlich, die dieses in vertikaler Ausrichtung stabilisiert. Die Uber-

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trager 17 und 18 sind durch eine Achse 19 verbunden, die in den Kardanachsen 20,21 verbunden ist. Die kardanisch gelagerten Übertrager 17 und 18 befinden sich in einem flüssigkeitsgefüllten Raum 22. Der Raum 22 schützt die kardanisch gelagerten Übertrager 17 und 18 vor Strömungskräften, die durch Wellen und Bohrinselbewegungen erzeugt werden können und ermöglicht unbeeinflußte Messungen.

Pig. 5 zeigt die Anbringung des Meßinstrumentes gemäß Fig. 4 in einer Ansicht entlang der Schnittlinie 5 - 5 . Eine alternative Anbringung des unter Wasser angeordneten Meßinstrumentes ist in der Fig. 6 dargestellt. Ein die Roll- und Stampfbewegungen der Bohrinsel aus der Vertikalen heraus ermittelndes Anzeigegerät 23 ist an der die Übertrager 17 und 18 aufnehmenden Achse 19 angeordnet. Die Übertrager 17 und 18 messen die inklinierten Entfernungen, die entsprechend der winkelmäßigen Auslenkung durch die Roll- und Stampfbewegungen der Bohrinsel 10 korrigiert werden müssen.

Die wahre Höhe der Wellen, die mit der Entfernung X bezeichnet ist, wird zwischen dem Wellenberg und dem Wellental der entsprechenden Welle gemessen. Durch Bestimmen der entsprechenden Entfernungen A und B sowie A· und B¹, kann die gewünschte Entfernung X, die die Wellenhöhe angibt, ermittelt werden, indem vom Gesamtwert von A und B der Gesamtwert von A¹ und B' abgezogen wird.

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Die sofortige Integration von Λ plus B kann zur Ermittlung
der Entfernung X mathematisch bewerkstelligt werden, wenn die entsprechenden Entfernungen A und B für einen einzelnen Punkt bestimmt sind. Vorzugsweise können die den Wert X darstellenden Werte jedoch durch automatische Aufzeichnung durch einen
entsprechenden Doppel-Schreiber aufgezeichnet werden, der die Entfernungen A und B übereinander und fortlaufend auf einem
Aufzeichnungsstreifen gleichzeitig darstellt.

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Claims

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Ansprüche

Λ,}) Verfahren zur Messung der Wellenhöhe, insbesondere in einem offenen Gewässer, von einem Wasserfahrzeug bzw. einer schwimmenden Bohrinsel oder dgl. aus, dadurch gekennzeichnet , daß eine erste Entfernung zwischen einem Bezugspunkt am Wasserfahrzeug bzw. Bohrinsel oder dgl. und dem Heeresboden ermittelt wird, daß gleichzeitig eine zweite Entfernung zwischen dem Bezugspunkt und der Grenzfläche von Wasser und Luft oberhalb des Bezugspunktes ermittelt wird, daß die vorgenannten Verfahrensschritte im Wellenberg und im Wellental der zu messenden Welle wiederholt werden und daß die so erhaltenen Entfernungsmeßwerte zur Ermittlung der Wellenhöhe korreliert werden.
2.) Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , daß der Bezugspunkt ausreichend weit unterhalb der Wasseroberfläche gewählt wird, damit während der Messungen das die Entfernungen ermittelnde Meßinstrument im Wasser eingetaucht bleibt. ν
3.) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß ein

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erstes Meßgerät (17)» das sich unter Wasser von dem Grundteil (13) des Wasserfahrzeuges bzw. der Bohrinsel oder dgl. erstreckt, zur Messung der vertikalen Entfernung zwischen dem Meßgerät (1?) und dem Meeresgrund (16) vorgesehen ist, daß ein zweites Meßgerät (18), das sich entsprechend dem ersten Meßgerät (17) vom Grundteil (13) erstreckt, zur Messung der vertikalen Entfernung zwischen dem zweiten Meßgerät (18) und der Wasseroberfläche (15) vorgesehen ist und daß eine Einrichtung zur Integrierung der entsprechenden vertikalen Entfernungen vorgesehen ist, um die sich verändernde Höhe der Wasseroberfläche in bezug zum Wasserfahrzeug bzw. Bohrinsel oder dgl. zu bestimmen.
4.) Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung (19» 20, 21) zur Stabilisierung der Meßgeräte (17,18) im wesentlichen in vertikaler Ausrichtung während des Meßvorganges vorgesehen ist.
5.) Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4-, dadurch gekennzeichnet , daß das Meßgerät (17) Mittel zur Erzeugung einer Schallwelle, die auf den Meeresboden gerichtet ist und Mittel zum Empfang der vom Meeresboden (16) reflektierten Schallwelle aufweist.

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6.) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5 , d a durch gekennzeichnet, daß das zweite Meßgerät (18) Mittel zur Erzeugung einer Schallwelle, die im wesentlichen vertikal nach oben in Richtung der Wasseroberfläche gerichtet ist und Mittel zum Empfang der von der Grenzfläche zwischen dem Wasser und der Luft reflektiertem Schallwelle aufweist.
7·) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5» dadurch gekennzeichnet , daß das zweite Meßgerät (18) zur sofortigen Ermittlung der aufgrund der Wasserbewegung in vertikaler Richtung sich ändernden Druckverhältnisse ein auf Druck ansprechendes Meßelement aufweist.
8.) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß zur Vermeidung äußerer, auf die Meßgeräte (17»18) einwirkenden Bewegungen des Wassers die Meßgeräte (17»18) in einem Schutz-Raum angeordnet sind.

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