DE2502020A1

DE2502020A1 - Verfahren zum positionieren eines wasserfahrzeugs

Info

Publication number: DE2502020A1
Application number: DE19752502020
Authority: DE
Inventors: Giorgio Cassone; Franco Scolari
Original assignee: Saipem SpA
Current assignee: Saipem SpA
Priority date: 1974-01-21
Filing date: 1975-01-20
Publication date: 1975-07-24
Also published as: JPS50103087A; US4301760A; AR211516A1; IE40658L; NL7500718A; BR7500448A; FR2258305A1; FI750137A; SE7500604L; IT1009574B; NO145533C; BE824536A; JPS5532596B2; DE2502020B2; ES434184A1; NO750161L; GB1486158A; EG12360A; NO145533B; DK675574A

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Positionieren eines Wasserfahrzeugs, insbesondere eines Bohrschiffs.

Um Tiefbohrungen unter Wasser in Küstennahe anzulegen, ist es bekanntlich möglich, eine Einrichtung zu benutzen, die gegenüber dem Meeresboden in einer festen lage gehalten wird, z.B. eine ortsfeste Bohrplattform, ein am Meeresboden verankertes Wasserfahrzeug oder ein Wasserfahrzeug, das unter Anwendung eines dynamischen Positionierverfahrens mit Hilfe von Antriebseinrichtungen in der gewünschten Position gehalten wird.

Diesen bekannten Einrichtungen haften jedoch verschiedene Nachteile an, denn die Benutzung ortsfester Plattformen ist auf Gewässer von geringer Tiefe beschränkt, die Verwendbarkeit verankerter Wasserfahrzeuge beschränkt sich auf relativ günstige Bedingungen bezüglich der Atmosphäre und des Seegangs, und die Benutzung eines mit Hilfe von Antriebseinrichtungen dynamisch positionierbaren Wasserfahrzeugs ist ebenfalls nur dann möglich, wenn die Witterungsverhältnisse und der Seegang nicht zu ungünstig sind, denn die Antriebseinrich-

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tungen, mittels welcher das Fasserfahrzeug über einem bestimmten Punkt auf dem Meeresboden gehalten wird, müssen ständig in Betrieb gehalten werden, und zwar selbst dann, wenn auf das Wasserfahrzeug nur kleine äußere Kräfte wirken.

Versuche im Rahmen der Entwicklung der Erfindung haben gezeigt, daß es nicht nur unmöglich ist, ein Wasserfahrzeug mit absoluter Genauigkeit über einer Unterwasser-Tiefbohrung zu positionieren, sondern daß sich Unterwasser-Tiefbohrarbeiten ohne weiteres auch sehr gut von einem Wasserfahrzeug aus durchführen lassen, das gegenüber der senkrechten Achse des Bohrlochs versetzt ist, vorausgesetzt daß bei dieser Versetzung nicht ein Begrenzungskreis überschritten wird, welcher der größten zulässigen Neigung der auch als "Standrohr" bezeichneten Rohrleitung zum Zurückleiten des Bohrschlamms entspricht. Wenn starke Unterwasserströmungen vorhanden sind, führt außerdem das Positionieren des Bohrfahrzeugs auf der senkrechten Achse des Bohrlochs zu einer Verformung des mittleren Teils des Standrohrs, denn selbst starke Zugkräfte, die auf das Standrohr mit Hilfe einer Spanneinrichtung aufgebracht werden, genügen nicht, um eine geradlinige Form des Standrohrs aufrechtzuerhalten; daher wird das Material des Standrohrs, das unter einer hohen Zugspannung steht,' Ermüdungserscheinungen ausgesetzt, und da eine erhebliche Reibung zwischen dem Bohrgestänge und der Innenwand des verformten Standrohrs auftritt ist mit einer schnellen Abnutzung der betreffenden Teile, insbesondere in der Nähe des Kugelgelenks, das eine Verbindung zwischen dem Standrohr und der Tiefbohrung herstellt, zu rechnen. In diesem letzteren Fall ist es daher erforderlich, das Bohrfahrzeug gegenüber der senkrechten Achse des Bohrlochs so zu versetzen, daß das Standrohr durch die Unterwasserströmungen nioht durchgeknickt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Einrichtungen bzw. der mit ihrer Hilfe durchgeführten Verfahren zu vermeiden und ein Verfahren zu schaffen, das es ermöglicht, ein Wasserfahrzeug, z.B. ein Bohrschiff, . ständig zwar nicht auf der senkrechten Achse des Bohrlochs,

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jedoch innerhalb eines Begrenzungskreises zu halten, dessen Größe der größten zulässigen Neigung des Standrohrs entspricht. Das Verfahren nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die kleinen Kräfte, die nur eine kleine Versetzung des Wasserfahrzeugs innerhalb des Begrenzungskreises gegenüber der senkrechten Achse des Bohrlochs bewirken und daher nur eine kleine neigung des Standrohrs hervorrufen, nur durch ein System von Ankern ausgeglichen werden, während die großen Kräfte, die zu einer stärkeren Versetzung des Wasserfahrzeugs führen, und deren Wirkung daher ausgeschaltet werden muß, weil sie zu einer unzulässig großen Neigung des Standrohrs führen, dadurch ausgeglichen werden, daß das System von.Ankern in Verbindung mit Antriebseinrichtungen zur Wirkung gebracht wird. ·

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Anker benutzt, die auf dem Meeresboden in einem vorbestimmten Abstand von dem Schiff angeordnet und mit dem Schiff durch Seile oder Ketten so verbunden sind, daß sich das Schiff innerhalb gewisser Grenzen verlagern kann, so daß Zugkräfte auf das Schiff wirken, die bestrebt sind, das Schiff am Mittelpunkt des Verankerungssystems zu halten; ferner sind sowohl am Bug als auch am Heck des Schiffs Voith-Schneider-Antriebe (-Propeller) mit senkrechten Propellerblättern vorgesehen, um das Schiff jeweils in der erforderlichen Richtung und mit der benötigten Schubkraft zu bewegen, wobei Steuerung der Schubkraft und Schubrichtung durch Verstellung des Steuergestänges der tragflügelähnlichen Propellerblätter erfolgt.

Ferner wird bei dem Verfahren nach der Erfindung Gebrauch von Instrumenten gemacht, die dazu dienen, bestimmte Größen zu ermitteln, z.B. die Position des Schiffs,.die Orientierung des Bugs, den Neigungswinkel der Bohrschlammleitung bzw. des Standrohrs, die auf die Verankerungsseile wirkenden Zugkräfte, die auftretenden äußeren Kräfte, die Unterwasserströmungen, die Anzahl und die Bezeichnung der jeweils in Betrieb befindlichen Motoren der Antriebseinrichtungen, die Drehzahl und die Schubkraft der Antriebseinrichtungen sowie die Wirkungsrichtung jeder Antriebseinrichtung.

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G-emäß der Erfindung werden die Werte der genannten Größen einem Rechner eingegeben, der die Werte verarbeitet und bewirkt, daß die Antriebseinrichtungen außer Betrieb gehalten werden, solange die Resultierende der äußeren Kräfte und damit die Neigung des Standrohrs einen vorbestimmten Wert nicht überschreitet, so daß das Schiff innerhalb des vorgeschriebenen kleinen Kreises gehalten wird, wobei die äußeren Kräfte nur durch die Zugkräfte ausgeglichen werden, welche durch die Seile des Verankerungssystems aufgebracht werden; wenn dagegen die Resultierende der äußeren Kräfte oder der Neigungswinkel des Standrohrs einen vorbestimmten Wert überschreitet, ermittelt der Rechner die Schubkraft und die Richtung der Schubkraft, die durch jede der Antriebseinrichtungen aufgebracht werden muß, damit die Schubkräfte zur Unterstützung des 7erankerungssystems jeweils im gleichen Sinne zur Wirkung kommen, um das Schiff dann sowohl mit Hilfe der Anker und der Ankerseile als auch mit Hilfe der Antriebseinrichtungen auf einer vorbestimmten Position zu halten, die durch eine Ringfläche bestimmt wird, welche zwischen dem vorbestimmten kleinsten Kreis und dem eingangs genannten größeren Begrenzungskreis liegt.

Die Erfindung wird im folgenden mit weiteren Einzelheiten anhand schematischer Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:

Pig. 1 eine Seitenansicht einer Tiefbohreinrichtung, bei der das Verfahren nach der Erfindung angewendet wird;

Fig. 2 die genannten Begrenzungskreise für die Verlagerung des Wasserfahrzeugs und den Bereich des Neigungswinkels des Standrohrs bei der Anwendung der Erfindung;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der zum Positionieren des Wasserfahrzeugs dienenden Kräfte als Funktion der Versetzung des Wasserfahrzeugs gegenüber dem Lot auf der Bohrstelle ; und

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- Pig. 4 ein Blockdiagramm, das die erfindungsgemäße Verarbeitung von Informationen zum Positionieren eines Wasserfahrzeugs mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht.

In Pig. 1 ist ein Bohrschiff 1 dargestellt, das an der Oberfläche 2 eines gewässers schwimmt und am Boden 5 des Gewässers mit Hilfe von Seilen oder Ketten 6 und 7 mit Ankern 17 verankert ist. Wenn auf das Bohrschiff ϊ, das mit Motoren zum Antreiben von Bugpropellern 4 und Heckpropellern 5 mit senkrechten Flügeln versehen ist, äußere Kräfte wirken, verlagert sich das Bohrschiff in der Richtung der Resultierenden dieser äußeren Kräfte derart, daß die Seile 6 und 7, die waagerechte Kräfte auf das Bohrschiff ausüben, den äußeren Kräften entgegenwirken und hierbei eine unterschiedliche Krümmung annehmen. · ■ '

Mit dem Ausbruchschieber 8 des Bohrlochs 9 ist ein Kugelgelenk 10 verbunden, das zu einer Bohrschlammrückleitung bzw. einem Standrohr 11 gehört.

Das Standrohr 11, das mit dem Bohrschiff durch eine Gleitverbindung 12 verbunden ist, die gleichachsig mit der senkrechten Achse eines Bohrturms 13 angeordnet ist, kann somit dann, wenn ein Kugelgelenk 10 vorhanden ist, das Schwenkbewegungen des Standrohrs gegenüber dem Ausbruchschieber zuläßt, mit der senkrechten Achse des Kugelgelenks bzw* des Bohrlochs einen Winkel y bilden.

Ist das Bohrschiff durch die äußeren Kräfte in einem vorbestimmten Ausmaß gegenüber der gewünschten Position versetzt, bildet eine Linie, welche die Gleitverbindung 12 mit . dem Kugelgelenk 10 verbindet, einen Versetzungswinkel oC mit der senkrechten Achse des Bohrlochs.

Ferner ist eine akustische Einrichtung zum Anzeigen der Versetzung des Bohrschiffs vorhanden, zu der ein Sender 14 gehört, der auf dem Ausbruchschieber 8 angeordnet ist und Ultraschallwellen in Richtung auf drei Unterwassermikrophone 15

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aussendet, die auf der Unterseite des Schiffsbodens auf einer Längsachse bzw. einer Querachse in Abständen voneinander angeordnet sind.

Die Unterschiede zwischen den Zeitpunkten, in denen die Ultraschallwellen an den Unterwassermikrophonen eintreffen, sind proportional zu den Koordinaten der Versetzung s des Bohrschiffs 1 gegenüber der senkrechten Achse des Bohrlochs.

Gremäß Mg. 1 ist auf der Bohrschlammrückleitung bzw. dem Standrohr 11 nahe dem Kugelgelenk 10 eine Einrichtung 16 angeordnet, die dazu dient, den Neigungswinkel y des Standrohrs gegenüber der senkrechten Achse des Bohrlochs zu ermitteln und entsprechende Signale einem der drei Unterwassermikrophone 15 zuzuführen.

Das Aussenden solcher Signale durch die Einrichtung 16 zu einem der drei Unterwassermikrophone 15 kann anstelle der Einrichtung benutzt werden,' mittels welcher die Versetzung des Bohrschiffs gegenüber dem Bohrloch ermit'telt wird, doh. anstelle des mit den drei Unterwassermikrophonen 15 zusammenarbeitenden Senders 14, und zwar entweder bei einer Betriebsstörung der mit den drei Unterwassermikrophonen arbeitenden Einrichtung oder dann, wenn lediglich die Absicht besteht, die Änderungen des Neigungswinkels y des Standrohrs zu verfolgen.

Pig. 2 veranschaulicht den größten Winkel <*- , welcher dem größten zulässigen Winkel ^ entspricht, welcher nicht überschritten werden darf, wenn eine Beschädigung und Ermüdung des Werkstoffs des Standrohrs vermieden werden soll·

Der größte Winkel cL entspricht einer Versetzung s_max des Bohrschiffs auf der Wasseroberfläche 2, die gleich dem Radius eines Begrenzungskreises'18 ist, innerhalb dessen eine Versetzung des Bohrschiffs auf der Wasseroberfläche zulässig ist, ohne daß eine Beschädigung des Standrohrs zu befürchten ist. Der Kreis 18 bezeichnet ferner den Bereich, innerhalb dessen sich₍das Bohrschiff ungehindert verlagern kann, wenn wegen des

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Vorhandenseins starker Meeresströmungen und äußerer Kräfte die Positioniereinrichtung nur die Anzeige der Neigung des Standrohrs gegenüber dem Lot auswertet. Kommen dagegen nur äußere Kräfte, jedoch keine Unterwasserströmungen, zur Wirkung, wird das Schiff lediglieh innerhalb des kleineren Kreises 19 auf seiner Position gehalten, dessen Radius si kleiner ist als der Radius s2 des Kreises 18, und innerhalb dessen die äußeren Kräfte nur durch die Verankerungsanordnung ausgeglichen werden. Innerhalb der Kreisringfläche 20 verlagert sich das Bohrschiff unter der Wirkung von äußeren Kräften, die durch die Verankerungsanordnung bei gleichzeitiger Unterstützung durch die Antriebseinrichtungen 4 und 5 ausgeglichen werden.

In Mg. 3 ist auf der Ordinatenacb.se über jedem Wert y1, d.h. der Reaktion des Bohrschiffs auf die äußeren Kräfte bzw. der Resultierenden der Zugkräfte, die durch die Seile der Verankerungsanordnung auf das Bohrschiff ausgeübt werden, der zugehörige Wert γ2 für die durch die Antriebseinrichtungen aufgebrachte Gegenkraft aufgetragen; auf der Abszissenachse ist der Radius si eines Kreises abgetragen, innerhalb dessen das Bohrschiff bei nur kleinen äußeren Kräften nur durch die Verankerungsanordnung in seiner Position gehalten wird, und außerdem ist die radiale Breite s2 der Ringfläche nach Pig. 2 aufgetragen, innerhalb welcher das Bohrschiff beim Auftreten starker äußerer Kräfte sowohl durch die Verankerungsanordnung als auch durch die Antriebseinrichtungen auf seiner Position gehalten wird.

Fig. 4 veranschaulicht in einem Blockdiagramm die Verarbeitung der Informationen, die von den verschiedenen Geräten zum Ermitteln der betreffenden Kräfte nach Größe und Richtung geliefert werden, und mittels welcher die Antriebseinrichtungen 4 und 5 so gesteuert werden, daß das Bohrschiff innerhalb des Begrenzungskreises 18 gehalten wird, und zwar in Abhängigkeit vom Wert der Resultierenden der äußeren Kräfte oder von der Größe des Neigungswinkels des Standrohrs gegenüber dem lot.

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Zu der Anordnung nach Fig. 4 gehört eine Einrichtung 21, die der beschriebenen Anordnung mit dem auf dem Bohrlochkopf am Meeresboden angeordneten Ultraschallsender und den drei auf der Unterseite des Schiffskörpers angeordneten Unterwassermikrophonen entspricht, bei der die Mikrophone in zwei verschiedenen Richtungen in Abständen voneinander angeordnet sind. Ferner ist ein Kreiselkompaß 22 vorhanden, der den Kurs des Bohrschiffs auf einem Bildschirm 23 anzeigt. Eine weitere Einrichtung 24, die nahe dem Kugelgelenk 10 des Standrohrs 11 angeordnet ist, dient zum Messen des Neigungswinkels y des Standrohrs.

Die von den verschiedenen G-eräten ausgesandten Signale werden über einen Signalwandler 25 einer Rechneneinheit 26 zugeführt, mittels welcher die Signale verarbeitet werden, um ein Signal zu erzeugen, das die Position des Bohrschiffs anzeigt. Dieses Signal, das ebenfalls auf einem Bildschirm 27 sichtbar gemacht wird, wird nach einer weiteren Behandlung durch eine Einrichtung 29 einem Rechner 28 zugeführt.

Die Signale des Kreiselkompasses 22, der die Richtung der Schiffslängsachse anzeigt, werden ferner dem Rechner auf direktem Wege zusammen mit Signalen eingegeben, die der Einrichtung 24 entnommen werden, durch die der Neigungswinkel des Standrohrs ermittelt wird, damit diese Informationen zusammen mit den Informationen der übrigen Geräte verarbeitet werden, um die Werte der aufzubringenden Kräfte zu erhalten, damit es auch dann, wenn bei der Ultraschalleinrichtung zum Ermitteln der Position des Schiffs eine Betriebsstörung auftritt, oder wenn starke Unterwasserströmungen zur Wirkung kommen, möglich ist, das Bohrschiff nur in Abhängigkeit vom Neigungswinkel V äes Standrohrs innerhalb des Kreises nach fig. zu halten, der den Radius s hat.

Dem Rechner 28 werden auch Informationen eingegeben, die sich auf die Unterwasserströmungen beziehen und mit Hilfe einer Einrichtung 30 ermittelt und auf einem Bildschirm 31 dargestellt werden} das gleiche gilt für die durch die Yer-

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ankerungsanordnung 32 aufgebrachten, auf einem Bildschirm 33 dargestellten Zugkräfte.

Die äußeren Kräfte, die mit Hilfe einer Einrichtung 34 ermittelt werden, und für die entsprechende Signale dem Rechner 28 eingegeben werden, stehen in Beziehung zu der Windrichtung und der Windgeschwindigkeit, die auf einem Bildschirm 35 dargestellt werden, zu der Sichtung und Geschwindigkeit von Windböen, die auf einem Bildschirm 36 dargestellt werden, sowie zu der waagerechten Komponente der Wellenbewegung und der Richtung und Stärke der Oberflächenströmungen des Gewässers.

Dem Rechner 28, der mit Signalwandlern 29 und 37 versehen ist, wird durch eine Einrichtung 38 programmiert und weist eine Einrichtung 39 auf, die es ermöglicht, mit der Hand die Wirkungsrichtung der Antriebseinrichtungen und die durch sie ausgeübten Kräfte zu variieren.

Dem Rechner 28.werden ferner von jeder Antriebseinrichtung aus Signale zugeführt, welche die Hummer, die Drehzahl usw. sowie die Stellung der Antriebsschaufeln anzeigen. Nachdem die Signale in einem Wandler 40 aufeinander abgestimmt worden sind, führt der Rechner 28 schließlich den Motoren und Antriebseinrichtungen 41 die verschiedenen Signale zu, die sich aus der Auswertung und Berechnung ergeben und die Sähubkraft sowie die Richtung der Schubkraft bestimmen, die mit Hilfe der Antriebseinrichtungen auf das Bohrschiff aufgebracht werden muß.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung ist durch die Erfindung ein Verfahren geschaffen worden, das es ermöglicht, ein Wasserfahrzeug innerhalb eines Begrenzungskreises mit dem Ra-,

dius s_mQ^ zu halten, wobei sich das Schiff innerhalb eines max

kleineren Kreises mit dem Radius.si verlagern kann, innerhalb dessen die äußeren Kräfte nur durch die Verankeruttgsanordnuüg ausgeglichen werden, und wobei sich das Schiff innerhalb einer Ringfläche zwischen den Kreisen 18 und 19 verlagern kann, innerhalb welcher die äußeren Kräfte sowohl durch die Verankerung als auch durch den Antrieb ausgeglichen werden.

509830/0731 /Ansprüche

Claims

ANSPRÜCHE

Verfahren zum Positionieren eines Wasserfahrzeugs, ibesondere eines Bohrschiffs, dadurch g e k e η η zeichnet , daß das Schiff stets innerhalb eines Begrenzungskreises gehalten wird, welcher der größten zulässigen Neigung der Bohrschlammrückleitung bzw. des Standrohrs entspricht, daß zu diesem Zweck eine Verankerungsanordnung und mehrere durch einen Rechner gesteuerte Antriebseinrichtungen mit um senkrechte Achsen drehbaren Schaufeln*benutzt werden, daß die Antriebseinrichtungen durch den Rechner nur dann in Betrieb gesetzt werden, wenn die Resultierende der auf das Schiff wirkenden äußeren Kräfte oder der Neigungswinkel des Steigrohrs einen vorbestimmten Wert überschreitet, und daß bei Werten der äußeren Kräfte oder des Neigungswinkels des Standrohrs, die unter dem vorbestimmten Wert liegen, das Schiff nur mit Hilfe der Verankerungsanordnung innerhalb eines Kreises gehalten wird, dessen Radius kleiner ist als der Radius des Begrenzungskreises. '
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Rechner den Antriebseinrichtungen mit um senkrechte Achsen drehbaren Schaufeln nicht jene Signale zuführt, die den Komponenten der Orientierungskräfte entsprechen, welchen die durch die Verankerungsanordnung ausgeübten Positionierungskräfte entgegenstehen.
3. Verfahren nach Anspruoh 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Position des Schiffs sowohl mit Hilfe von drei Unterwassermikrophonen und eines Ultrasehallsenders ermittelt als auch aus dem Neigungswinkel

*inabesondere Voith-Schneider-Propeller

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des Standrohrs bestimmt wird, und daß dem Rechner sämtliche Informationen über störende Faktoren zugeführt werden, z.B. die äußeren Kräfte, d.h. Stärke und Richtung des Windes, von Windböen, der Wellenbewegung, der Unterwasserströmungen sowie der durch die Verankerungsanordnung ausgeübten Kräfte«

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