(12) PATENT (19) NO (11) (13) B1 NORGE. (51) Int Cl. Patentstyret

Transkript

1 (12) PATENT (19) NO (11) (13) B1 NORGE (1) Int Cl. E21B 17/02 (06.01) E21B 17/01 (06.01) F16L 37/08 (06.01) Patentstyret (21) Søknadsnr (86) Int.inng.dag og søknadsnr (22) Inng.dag (8) Videreføringsdag (24) Løpedag () Prioritet (41) Alm.tilgj.09. (4) Meddelt (73) Innehaver Aker Subsea AS, Postboks 94, 132 LYSAKER, Norge (72) Oppfinner Kjell Hagatun, Finstadrabben 13, 147 FINSTADJORDET, Norge Per Kristian Grønlund, Postboks 36, 3478 NÆRSNES, Norge Carsten Haavardtun, Geologsvingen 4, 0380 OSLO, Norge Helge Grande Urhamar, Heimdalsgata 21, 061 OSLO, Norge (74) Fullmektig Protector Intellectual Property Consultants AS, Oscarsgate, 032 OSLO, Norge (4) Benevnelse Stigerørsklemme (6) Anførte publikasjoner US A1, EP A2 (7) Sammendrag Det er vist en stigerørsklemme (1) satt sammen av flere deler og designet for å bære et antall fluidrør (11) parallelt med og i avstand fra et overflatebelagt stigerør () av stål. Stigerøret () er konstruert for utplassering i sjøen for forbindelse mellom et brønnhode på sjøbunnen og et overflatefartøy, der stigerørsklemmen (1) er beregnet på friksjonsmessig, dreiestiv montering til det overflatebelagte stigerør (), samtidig som den er utstyrt med et antall rørsadler som bære de respektive fluidrør (11). Stigerørsklemmen (1) har en innvendig anleggsflate (2) av fiberarmert komposittmateriale som er utformet i hovedsak komplementær til og beregnet på å ligge an mot den utvendige, overflatebelagte overflate av stigerøret (). Stigerørsklemmen (1) innspennes ved hjelp av omkretsmessig virkende innspenningsorganer.

2 Stigerørsklemme 1 Foreliggende oppfinnelse vedrører en stigerørsklemme satt sammen av flere deler og designet for å bære et antall fluidrør parallelt med og i avstand fra et overflatebelagt stigerør av stål, der stigerøret er konstruert for utplassering i sjøen for forbindelse mellom et brønnhode på sjøbunnen og et overflatefartøy, hvilken stigerørsklemme er beregnet på friksjonsmessig, dreiestiv montering til det overflatebelagte stigerør, samtidig som den er utstyrt med et antall rørsadler som bærer respektive fluidrør. Fra US 09/0003A1 er det kjent festeorganer for feste av et antall mindre rør til et stigerør av vesentlig større dimensjoner enn de mindre rør, noe i likhet med det som er angitt ovenfor. Et annet eksempel på en klemme av mer generell karakter, til bruk på stigerør, er kjent fra EP A2. 1 Slike stigerør benyttes typisk som borestigerør, dvs til å føre en borestreng på kontrollerbar måte ned gjennom stigerøret, gjennom en BOP og ventiltre på havbunnen, og videre ned i havbunnsformasjonen for boring av en olje- eller gassbrønn. 2 Stigerørene har i sin tur mindre stålrør festet til utsiden. Stålrørene er av ulike dimensjoner og transporterer et eller annet fluid for å kunne utføre visse funksjoner på ventiltre og BOP på havbunnen. Vanligvis er de to største rørene choke and kill rør. Kill-røret har som formål å kunne brått stenge en brønn i en nødssituasjon ved å aktivisere en skjær- og stengeinnretning. Choke-røret kan brukes til å kontrollere/regulere trykket i brønnen. I tillegg inngår det Booster-rør og hydraulikkrør for betjening av ventiler og avstengere. Stigerørene er vanligvis satt sammen av rørlengder med en bestemt lengde, her for eksempel 22 meters lengder. Disse settes mot hverandre, ende mot ende, ved hjelp av bajonettkoplinger som har høy integritet mht trykk- og væskelekkasje. Disse bajonettkoplinger bygger imidlertid noe ut i radiell retning slik at de mindre stålrørene må legges i en viss avstand fra stigerøret. Dette blir besørget av rørsadlene som bestemmer avstanden mellom de mindre stålrørene og overflaten av stigerøret. Typisk avstand mellom stigerørsklemmene i stigerørets lengderetning vil være 2-3 meter.

3 2 1 Det spesielle problem som oppstår i disse mindre rør er at de er gjenstand for bevegelse ved skiftende trykkpådrag og trykkavlastning med til dels svært høye trykk, så som 0bar. Under en trykkpådragssekvens vil dette skape store aksiale trykkrefter som søker å få til bukling i fluidrørene. Dette til tross for at de mindre fluidrørene er svært tykkveggede. For eksempel vil et fluidrør med utvendig diameter på 7mm ha en innvendig diameter på bare 2mm. Fenomenet kreerer i sin tur enorme vridningskrefter i stigerørsklemmene. Vridningsmomentet blir forsterket ved at rørsadlene står i avstand fra stigningsrørets overflate. Det har vært et problem med eksisterende stigerørsklemmer av stål at de blir utsatt for rotasjon omkring stigerøret og punktvis varig deformasjon i nevnte situasjoner. Se figur 1 som illustrer fenomenet. Det gjør det ikke bedre at det er krav til overflatebehandling av stigerørene, dvs at de er belagt med et korrosjonsbeskyttende lag så som epoksy, maling eller lakk. Det skal dermed forstås at det er viktig at det ikke går hull på nevnte lag, enten det måtte skje ved montasje av stigerørsklemmene eller ved nevnte rotasjon, slik at sjøvann slipper inn til metallet. I tillegg skaper dette større overflateglatthet, dvs normalt en lavere friksjonskoeffisient mellom stigerørsklemmen og stigerøret. Et hovedformål med den foreliggende oppfinnelse har vært å finne en løsning som øker friksjonen mellom stigerørsklemmen og stigerørets overflate. 2 Dette oppnås med en stigerørsklemme av den innledningsvis nevnte art som kjennetegnes ved at stigerørsklemmen har en innvendig anleggsflate av fiberarmert komposittmateriale som er utformet i hovedsak komplementær til og beregnet på å ligge an mot den utvendige, overflatebelagte overflate av stigerøret og at stigerørsklemmen innspennes ved hjelp av omkretsmessig virkende innspenningsorganer. Det skal dermed forstås at komposittmaterialet har en resinmatrise som er den bestanddel av komposittmaterialet som normalt er i kontakt med stigerørets overflate, mens fiberarmeringen ligger straks innenfor kontaktflaten.

4 3 Det er antatt at de gode friksjonsegenskaper som oppnås til dels skyldes E-modulen til det armerte komposittmateriale som ligger i størrelsesorden GPa (GigaPascal), mens E-modulen for stål ligger i området 2 GPa. E-modulen forteller som kjent noe om forholdet mellom kraft og tøyning hos et materiale. I en første, nærmere spesifisert utførelse er stigerørsklemmen satt sammen av en hoveddel av metall og en underdel av det fiberarmerte komposittmateriale, der underdelen utgjør en foring mellom hoveddelen og stigerørets overflate. 1 I en andre og foretrukket utførelse, også med hensyn til vektbesparelse, er stigerørsklemmen satt sammen av en hoveddel tilvirket av fiberarmert komposittmateriale og en underdel som også er tilvirket av fiberarmert komposittmateriale, hvilken underdel utgjør en foring mellom hoveddelen og stigerørets overflate. Denne utførelse finner spesiell anvendelse når man beveger seg mot større vanndybder, når vekt blir et problem, uten at dette skal anses som noen begrensning. Med fordel kan nevnte foring av det fiberarmerte komposittmateriale ha en tykkelse i størrelsesorden 2-4mm, fortrinnsvis 3mm. I en tredje utførelse, kan hver del av stigerørsklemmen være tilvirket i ett og samme stykke og nettopp av det fiberarmerte komposittmateriale. Det vil si at den er uten foringen, som vil være tilstrekkelig i noen situasjoner. 2 Det skal videre forstås at det fiberarmerte komposittmateriale kan ha fibre av ett eller flere fibermaterialer valgt blant; teknisk fiber/tekstiler så som karbonfiber, aramidfiber og glassfiber. Det skal også forstås at det fiberarmerte komposittmateriale har en resinmatrise som kan være valgt blant; polymerer så som vinylester, polyester, epoksy, samt termoplaster. Stigerørsklemmens omkretsmessig virkende innspenningsorganer kan være strammeband av egnet strekkfasthet som stropper den til stigerøret. Strammebandet kan

5 4 igjen omfatte sjakler med strammeskruer. Strammebandene gir den gunstige effekt at hele friksjonsflaten tas i bruk og man unngår punktbelastninger. Hensiktsmessig har stigerørsklemmen utstikkende flenspartier som de omkretsmessig virkende strammeband virker mot. I en hensiktsmessig utførelse kan stigerørsklemmen være satt sammen av to halvdeler satt mot hverandre til omslutning av stigerøret. 1 I nok en utførelse kan stigerørsklemmens to halvdeler være hengslet forbundet til hverandre, for eksempel ved at hele klemmen er tilvirket i ett stykke, men med en svekkelseslinje på ett sted slik at dette virker som et hengslingspunkt. Dermed kan klemmen likevel åpnes, selv om den er tilvirket i ett stykke, når den skal monteres til et stigerør. Alternativt kan det benyttes et hengsel av alminnelig kjent type for å holde delene sammen, samtidig som det skal kunne åpnes. Det skal også nevnes at det er forsøkt med mange ulike gummimaterialer som innlegg i en tradisjonell stigerørsklemme av stål, uten å være i stand til å oppnå tilstrekkelig friksjon mellom stigerørsklemmen og stigerørets ståloverflate. Andre og ytterlige formål, særtrekk og fordeler vil fremgå av den følgende beskrivelse av foretrukne utførelser av oppfinnelsen, som er gitt for beskrivelsesformål og gitt i forbindelse med de vedlagte tegninger, hvor: 2 Fig. 1 viser en skadet stigerørsseksjon som anskueliggjør problemet ifølge den foreliggende oppfinnelse, Fig. 2 viser en stigerørsklemme i kombinasjon med en rørsadel ifølge oppfinnelsen, Fig. 3 viser en stropp med strammeinnretning for innfesting til stigerøret, Fig. 4 viser i perspektiv og med delene fra hverandre, en komplett stigerørsklemme med tilhørende deler, Fig. viser i perspektiv en montert stigerørsklemme, og

6 Fig. 6A viser i perspektiv et stigerør med påmonterte stigerørsklemmer ifølge oppfinnelsen, og Fig. 6B viser et detaljriss av den innringede del av fig. 6A. Det vises først til figur 1 som tydeliggjør det problem man står ovenfor. Et sentralt stigerør er omgitt av flere mindre rør, så som Choke and Kill rør 11 av innledningsvis nevnte type, og hydraulikkrør 14. Hver stigerørseksjon har endekoplinger 13 slik at et stort antall rørseksjoner kan skjøtes sammen for å bygge opp en hel stigerørstreng. Endekoplingene 13 har i sin tur orienterende organer som gjør at de mindre rørene 11, 14 blir riktig montert i forhold til hverandre når rørseksjonene skjøtes sammen. 1 Rørene 11, 14 er festet til stigerøret ved hjelp av klammere 12, som tradisjonelt har vært tilvirket av vanlig stål av egnet kvalitet. Slike klammere 12 har i mange situasjoner vist seg utilstrekkelige i den forstand at de ikke har klart å motstå eller forhindre bukling i rørene 11, 14. Dermed har klammerne 12 gitt etter og dreid omkring stigerøret og resultatet er blitt slik som figur 1 viser, og med fare for senere brudd. 2 Figur 2 viser i perspektiv en typisk utforming av hoveddelene til den nye kombinerte stigerørsklemme 1 og rørsadel 1 ifølge oppfinnelsen, der to halvdeler 1a og 1b er satt mot hverandre. Stigerørsklemmen 1 har en innvendig overflate 2 som er spesielt designet og beregnet på friksjonsmessig, dreiestiv montering til et stigerør. Stigerør av denne typen, her spesielt beregnet på boringsformål, skal utplasseres i sjøen for å forbinde et brønnhode på sjøbunnen med et overflatefartøy. Stigerørene er overflatebehandlet, dvs at de er belagt med et korrosjonsbeskyttende lag så som maling eller lakk. Stigerørsklemmen 1 er utstyrt med et antall rørsadler 1 som er utformet komplementært med en røroverflate og skal bære respektive fluidrør omkretsmessig og i avstand fra stigerøret. Stigerørsklemmens 1 innvendige anleggsflate 2 er tilvirket av fiberarmert komposittmateriale som i sin tur er beregnet på å ligge an mot den utvendige overflaten til et stigerør som normalt er tilvirket av stål.

7 6 Stigerørsklemmen er i en første utførelse (ikke vist) satt sammen av en hoveddel av stål og en underdel av det fiberarmerte komposittmateriale. I denne utførelsen kan man si at underdelen utgjør en foring mellom hoveddelen og stigerørets overflate. Foringen av det fiberarmerte komposittmateriale er ikke veldig tykk og vil vanligvis ha en tykkelse i størrelsesorden 2-4mm. Stigerørsklemmen 1 er i en andre utførelse, som vist i figur 2, tilvirket i ett og samme stykke av det fiberarmerte komposittmateriale, fortrinnsvis i massiv form. Eksempler på fibre i fiberarmert komposittmateriale kan være ett eller flere materialer valgt blant; karbonfiber, aramidfiber og glassfiber. Fibrene er i sin tur innleiret i en resinmatrise valgt blant vinylester, polyester og epoksy. 1 2 Det fiberarmerte komposittmateriale er bygd opp lagvis, dvs at fiberarmeringen ligger i lag i matrisematerialet. Det er fiberarmeringen som er det strukturelt bærende i komposittmaterialet. Enkeltfibrene i armeringen er samlet i tråder. Trådene kan i sin tur holdes sammen ved at de opptrer i form av en duk. Typisk vil alle trådene ligge i planet og ikke med overligger og underligger som i en vevnad. Trådene kan være orientert på hensiktsmessig måte alt etter hvilke hovedretninger som kreftene vil virke i. Trådene kan være orientert for eksempel vinkelrett på hverandre, eller danne en spiss vinkel med hverandre. Det skal videre forstås at det er selve matrisematerialet som ligger an mot stigerøret, mens fiberarmeringen ligger straks innenfor selve anleggsflaten. Avstanden mellom anleggsflaten og nærmeste innleirede lag med fiberarmeringsduk bestemmes ut i fra hver enkelt applikasjon. For eventuelt å øke grepet ytterligere kan anleggsflaten ha en forutbestemt tekstur, dvs en form for mønster, vilkårlig eller repeterende. Man kan tenke seg at allerede ved støpingen legges en vevnad i støpeformen som på sin ene side skal danne grenseflate mot matrisematerialet. Denne vevnad kan også fungere som en transportbeskyttelse som rives av når stigerørsklemmen skal monteres slik at den i mellomtiden holder seg ren og fri for smuss, samt motvirker mulige transportskader.

8 7 Som skissert på figur 3 blir stigerørsklemmene 1 i sin tur stroppet til stigerøret ved hjelp av strammeband av egnet strekkfasthet. Strammebandet omfatter sjakler 6 med strammeskruer 7. 1 Fig. 4 viser igjen stigerørsklemmen 1, nå med de tilhørende deler som kompletterer klemmen. Stigerørsklemmen 1 er som før satt sammen av to halvdeler 1a og 1b som bærer respektive rørsadler 1. Stigerørsklemmen 1 omslutter stigerøret som det her kun vises en kort lengde av for illustrasjonsformål. På den ene siden av stigerørsklemmen 1 er det inntegnet rør 3a, 3b av større og mindre diameter, så som choke and kill rør og hydraulikkrør som tidligere omtalt. De er brakt til anlegg i sine respektive sadelutsparinger 1 og kan sikres på plass ved hjelp av respektive klammere 4a, 4b, 4c. Klammerne 4a, 4b, 4c kan både hengsles og fikseres ved hjelp av skruer og muttere (vist på fig. ). Skruene er beregnet på å passere gjennom de illustrerte huller i rørsadlene 1 og klammerne 4a, 4b, 4c. I den illustrerte utførelsen er det i alt anordnet fem sadelutsparinger 1 som følgelig er i stand til å bære fem rør. Sadelutsparingenes 1 krumningsradius er tilpasset diameteren til rørene som skal anbringes i dem. 2 En shim eller foring 8 er illustrert og kan inngå i noen varianter, men skal ikke anses som obligatorisk. Foringen 8 er tilvirket av fiberarmert komposittmateriale. Dersom stigerørsklemmen 1 er tilvirket i metall, så som aluminium, aluminiumslegering, titan eller stål, er foringen 8 obligatorisk. Dersom stigerørsklemmen 1 er tilvirket av bare fiberarmert komposittmateriale, er det mulig med en variant med og en variant uten foringen 8. Foringens tykkelse vil typisk være i størrelsesorden 2-4mm, uten at de oppgitte mål skal ses å på som noen begrensning av oppfinnelsen. Som tidligere antydet blir hver stigerørsklemme 1 i sin tur stroppet til stigerøret ved hjelp av strammeband av egnet strekkfasthet. Her er det vist to strammeband som er beregnet på plassering på hver sin side av rørsadlene 1 sett i stigerørets lengderetning. Som man vil se av figuren, har klemmedelene 1a, 1b, respektive radialt utad forløpende flenser 1c, 1d som hjelper til å holde strammebandene på plass på stigerørsklemmen 1, dvs mellom en flens 1c, 1d og rørsadlene 1. Strammebandene omfatter sjakler 6 med en strammeskrue 7. Hver sjakkel løper gjennom en løkke a i

9 strammebandet og den ene strammeskrue 7 er sentralt anordnet og bidrar til å utbalansere kreftene som virker i de to strammeband. 8 Fig. viser en komplett sammensatt stigerørsklemme 1. De to klemmedelene 1a, 1b er satt mot hverandre og har sin delingslinje D radialt rettet og forløpende midt gjennom den rørsadel 1 som er beregnet på å bære bare ett enkelt rør. Stigerørsklemmen 1 kan enten være delt eller være hengslet forbundet i området O nær sjakkeldelene 6,7. Den øvrige oppbygning er som beskrevet med hensyn til figur 4 og vil ikke bli repetert her. 1 Fig. 6A viser et ferdig montert stigerør med et antall påsatte stigerørsklemmer 1 ifølge oppfinnelsen. Stigerørsklemmene 1 bærer choke and kill rør og hydraulikkrør i samsvar med hver enkelt tiltenkt applikasjon. Det skal nevnes at det er en meget krevende oppgave å montere klemmene 1 slik at sadlene ligger nøyaktig på linje slik at hvert enkelt rør forløper så rettlinjet som praktisk mulig. Fig. 6B viser i forstørret målestokk den innringede del av fig. 6A. Det sentrale stigerør er vist og som stigerørsklemmene 1 i sin tur er montert på. Figuren viser nærmere hvordan både et grovere choke and kill rør 3b og et tynnere hydraulikkrør 3a blir båret av en rørsadel 1 og hvordan de i sin tur blir sikret i posisjon ved hjelp av klammerdelene 4a, 4b. I denne utførelse er det vist hvordan tre grovere rør og tre tynnere rør blir båret av stigerørsklemmene 1. Strammebåndene er som vist i figur 4.

10 9 P a t e n t k r a v 1 1. Stigerørsklemme (1) satt sammen av flere deler og designet for å bære et antall fluidrør (11) parallelt med og i avstand fra et overflatebelagt stigerør () av stål, der stigerøret () er konstruert for utplassering i sjøen for forbindelse mellom et brønnhode på sjøbunnen og et overflatefartøy, hvilken stigerørsklemme (1) er beregnet på friksjonsmessig, dreiestiv montering til det overflatebelagte stigerør (), samtidig som den er utstyrt med et antall rørsadler som bærer de respektive fluidrør (11), karakterisert ved at stigerørsklemmen har en innvendig anleggsflate (2) av fiberarmert komposittmateriale som er utformet i hovedsak komplementær til og beregnet på å ligge an mot den utvendige, overflatebelagte overflate av stigerøret () og at stigerørsklemmen (1) innspennes ved hjelp av omkretsmessig virkende strammeband (). 2. Stigerørsklemme som angitt i krav 1, karakterisert ved at stigerørsklemmen (1) er satt sammen av en hoveddel av metall og en underdel av det fiberarmerte komposittmateriale, hvilken underdel utgjør en foring mellom hoveddelen og stigerørets overflate Stigerørsklemme som angitt i krav 1, karakterisert ved at stigerørsklemmen (1) er satt sammen av en hoveddel tilvirket av fiberarmert komposittmateriale og en underdel som også er tilvirket av det fiberarmerte komposittmateriale, hvilken underdel utgjør en foring mellom hoveddelen og stigerørets () overflate. 4. Stigerørsklemme som angitt i krav 2 eller 3, karakterisert ved at nevnte foring av det fiberarmerte komposittmateriale har en tykkelse i størrelsesorden 2-4mm.

11 . Stigerørsklemme som angitt i krav 1, karakterisert ved at hver del av stigerørsklemmen (1) er tilvirket i ett og samme stykke av det fiberarmerte komposittmateriale. 6. Stigerørsklemme som angitt i ett av kravene 1-, karakterisert ved at det fiberarmerte komposittmateriale har fibre av ett eller flere fibermaterialer valgt blant; karbonfiber, aramidfiber og glassfiber. 7. Stigerørsklemme som angitt i ett av kravene 1-6, karakterisert ved at det fiberarmerte komposittmateriale har en resinmatrise valgt blant; vinylester, polyester og epoksy Stigerørsklemme som angitt i ett av kravene 1-7, karakterisert ved at stigerørsklemmens (1) omkretsmessig virkende strammeband () er av egnet strekkfasthet. 9. Stigerørsklemme som angitt i krav 8, karakterisert ved at strammebandet () omfatter sjakler (6) med strammeskruer (7). 2. Stigerørsklemme som angitt i ett av kravene 1-9, karakterisert ved at stigerørsklemmen (1) har utstikkende flenspartier som de omkretsmessig virkende strammeband () virker mot. 11. Stigerørsklemme som angitt i ett av kravene 1-, karakterisert ved at stigerørsklemmen (1) er satt sammen av to halvdeler (1a, 1b) satt mot hverandre til omslutning av stigerøret ().

12 Stigerørsklemme som angitt i ett av kravene 1-11, karakterisert ved at stigerørsklemmens (1) to halvdeler er hengslet forbundet til hverandre. 13. Stigerørsklemme som angitt i ett av kravene 1-12, karakterisert ved at stigerørsklemmens (1) innvendige overflate har en tekstur, vilkårlig eller repeterende.

13

14

15

16