BETZLER, Elmar (Zum Waldeskühl 20, Igel, 54298, DE)
GROBEN, Martin (In der Hohl 1B, Sulzbach, 66280, DE)
BETZLER, Elmar (Zum Waldeskühl 20, Igel, 54298, DE)
| P a t e n t a n s p r ü c h e Vorrichtung zum Übertragen eines hydraulischen Arbeitsdruckes in einer Druckflüssigkeit zur Druckbetätigung hydraulischer Einrichtungen von Tiefseeanlagen, insbesondere Tiefwasserbohrungen, wobei in einer Zylinderanordnung (1) ein erster Druckraum (19) für die Druckflüssigkeit, eine zur Veränderung des Volumens dieses Druckraumes (19) bewegbare Kolbenanordnung (9, 1 1 , 13) sowie zumindest ein zweiter Druckraum (21 ) vorhanden sind, der für eine den Arbeitsdruck im ersten Druckraum (19) erzeugende Bewegung der Kolbenanordnung (9, 1 1 , 13) mit dem Umgebungsdruck der Tiefsee beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein der Zylinderanordnung (1 ) zugeordneter Druckspeicher (37) vorhanden ist, dessen bewegliches Trennelement (41) einen mit dem Seewasser verbundenen Raum (45) von einem Betätigungsraum (43) trennt, der ein Betätigungsfluid enthält und mit dem zweiten Druckraum (21) in Verbindung ist, um diesen mittels des Betätigungsfeldes mit dem Tiefseedruck zu beaufschlagen. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicher (37) ein gegen die Einwirkung von Seewasser unempfindliches Trennelement (41) aufweist. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckspeicher in Form eines Blasenspeichers oder Hydrospeichers (37) vorgesehen ist. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Betätigungsfluid im Druckspeicher (37) eine Wasser- Glykol-Mischung vorgesehen ist. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zylinderanordnung in Form eines Doppelkolbenspeichers (1 ) vorgesehen ist. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderanordnung (1 ) zwei zueinander koaxiale, durch einen zwischen ihnen befindlichen Trennkörper (7) voneinander getrennte Zylinderteile (3, 5) für je einen Kolben (1 1 , 13) aufweist, die über eine durch den Trennkörper (7) abgedichtet hindurch geführte Kolbenstange (9) miteinander verbunden sind und die jeder beidseits an einen Druckraum (19, 21) angrenzen, von denen der erste (19) und der zweite Druckraum (21) sich jeweils zwischen dem Trennkörper (7) und dem einen (13) und dem anderen Kolben (1 1 ) befinden. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen dem den ersten Druckraum (19) begrenzenden Kolben (13) und dem geschlossenen Ende (17) des betreffenden Zylinderteils (5) ein Vorspann-Druckraum (23) für unter Vorspanndruck stehendes Gas, wie N2, befindet. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen dem den zweiten Druckraum (21) begrenzenden Kolben (1 1 ) und dem geschlossenen Ende (15) des betreffenden Zylinderteils (3) ein Niederdruck-Druckraum (25) für ein unter einem geringen Druck, vorzugsweise Unterdruck, stehendes Gas, wie N2, befindet. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Vorspann-Druckraum (23) verbundener Druckbehälter (27) für das unter dem Vorspanndruck stehende Gas vorhanden ist. 10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter durch einen zylindrischen Rohrkörper (27) gebildet ist, der zu den Zylinderteilen (3, 5) der Zylinderanordnung (1) parallel und eng benachbart angeordnet ist. 1 1 . Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Rohrkörper (27) über die gesamte Länge der Zylinderanordnung (1) erstreckt und dass die zueinander fluchtenden, ge- schlossenen Enden (15, 1 7) der Zylinderteile (3, 5) der Zylinderanordnung (1) und des Rohrkörpers (27) jeweils über ein Endstück (33, 35) miteinander verbunden sind. 12. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass in dem Endstück (35), das sich am geschlossenen Ende (17) des Vorspann-Druckraums (23) befindet, eine Leitung (57) gebildet ist, die über je eine Bohrung (59, 61 ) im zugeordneten geschlossenen Ende (31 ) des Rohrkörpers (27) und im geschlossenen Ende (1 7) des Vorspann-Druckraums (23) diesen mit dem Druckbehälter (27) verbin- det. 13. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Blasenspeicher oder Hydrospeicher (37) ein korrosionsfestes Speichergehäuse (39) in Form eines langgestreckten Speicher- Zylinders besitzt, der zur Zylinderanordnung (1) parallel und benachbart angeordnet ist und sich entlang des den zweiten Druckraum (21 ) enthaltenden Zylinderteils (3) über dessen Gesamtlänge erstreckt. |
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Übertragen eines hydraulischen Arbeitsdruckes in einer Druckflüssigkeit zur Druckbetätigung hydraulischer Einrichtungen von Tiefseeanlagen, insbesondere Tiefwasserbohrungen, wobei in einer Zylinderanordnung ein erster Druckraum für die Druckflüssig- keit, eine zur Veränderung des Volumens dieses Druckraumes bewegbare Kolbenanordnung sowie zumindest ein zweiter Druckraum vorhanden sind, der für eine den Arbeitsdruck im ersten Druckraum erzeugende Bewegung der Kolbenanordnung mit dem Umgebungsdruck der Tiefsee beaufschlagbar ist.
Die zunehmende Verknappung der Ressourcen zwingt zu immer größeren Anstrengungen für die Gewinnung von Rohstoffen und Energieträgern. Dies führt dazu, dass Bohrungen zur Gewinnung von Öl oder Gas in immer größeren Meerestiefen durchgeführt werden. Für den sicheren Betrieb derarti- ger Tiefwasserbohrungen, die von Bohrplattformen oder Bohrschiffen durchgeführt werden, sind am Meeresboden umfangreiche Sicherheitsanlagen vorgesehen, die dem Übergangsbereich zwischen Bohrloch und Bohrrohr oder Förderrohr funktional zugeordnet sind. Ein wichtiges, zum Sicherheitsstandard derartiger Tiefwasserbohrungen gehörendes Anlagenteil ist hierbei ein sog.„Blow-out-Preventer" (BOP), eine Einrichtung, die in einem Gefahrenfalle einen Schnellverschluss am Bohrlochausgang und/oder Bohrrohr und/oder Förderrohr bewirkt. Für eine sichere Funktion muss sichergestellt sein, dass zur hydraulischen Betätigung Druckflüssigkeit mit einem entsprechend hohen Arbeitsdruck zur Verfügung steht.
Um die Schwierigkeiten zu vermeiden, die überwunden werden müssen, um eine Druckflüssigkeit mit einem ausreichend hohen Arbeitsdruck und in ausreichender Menge von einer Bohrplattform oder einem Bohrschiff von der Wasseroberfläche aus zum entsprechend tief gelegenen Meeresboden zu transportieren, ist es bereits Stand der Technik, vgl. US 6 418 970 B1 , mittels einer Vorrichtung der eingangs genannten Art den zur Betätigung entsprechender Tiefseeanlagen erforderlichen hydraulischen Arbeitsdruck am Ort der Tiefseeanlage selbst bereit zu stellen, indem mit Hilfe des umgebenden Druckes der Tiefsee, also mit dem hohen Druck des Tiefwassers, der benötigte hydraulische Arbeitsdruck erzeugt wird, indem in einer Zylinderanordnung eine Kolbenanordnung mit dem Umgebungsdruck der Tiefsee beaufschlagt und durch die dadurch bewirkte Kolbenbewegung in einem Druckraum der Zylinderanordnung der hydraulische Arbeitsdruck erzeugt wird.
Trotz der Vorteile, die durch die Erzeugung oder die Übertragung des Arbeitsdruckes am Ort erwachsen, sind die Betriebseigenschaften der bekannten Vorrichtung nicht zufriedenstellend. Die Benutzung des Seewassers zum Betrieb der Zylinderanordnung ist in mehrerer Hinsicht problematisch. Zum einen besteht die Gefahr der Verschmutzung durch Eintritt von Sedimentpartikeln und dergleichen oder durch Mikroorganismen, die zusammen mit dem Seewasser eingebracht werden. Zum anderen ergeben sich Beeinträchtigungen aufgrund des äußerst korrosiv wirkenden Seewassers. Um letzterem entgegen zu wirken, ist es beim Stand der Technik erforder- lieh, die Zylinderanordnung mit geeigneten Auskleidungen zu versehen und/oder aus entsprechend korrossionsfesten Materialien herzustellen, um die Korrosion und/oder den durch Anlagerungen erhöhten Reibungskoeffizienten bei Kolbenbewegungen zu verringern. Trotz dieser Maßnahmen ergeben sich Schwierigkeiten durch Ablagerungen, beispielsweise Kalzium- stearat, aus dem Salzwasser.
Ausgehend von dieser Problematik stellt sich die Erfindung die Aufgabe, eine Vorrichtung der betrachteten Art zur Verfügung zu stellen, die unter Beibehaltung der Vorteile, wie sie aus der Übertragung des Arbeitsdruckes an Ort und Stelle erwachsen, eine verbesserte Betriebssicherheit gewähr- leistet.
Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gelöst, die die Merkmale des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit aufweist. Eine wesentliche Besonderheit der Erfindung besteht demgemäß darin, dass im Unterschied zum Stand der Technik der Arbeitsdruck in der Zylinderanordnung nicht mittels des auf die Kolbenanordnung unmittelbar einwirkenden Seewassers erzeugt oder übertragen wird, sondern dass der Zylinderanordnung ein Druckspeicher vorgeschaltet ist, aus dem der Zylinderano- rdnung ein Betätigungsfluid, das unter dem Tiefseedruck steht, zuführbar ist. Zu diesem Zweck weist der Druckspeicher einen mit dem Seewasser verbundenen Raum auf, der durch ein bewegliches Trennelement von dem das Betätigungsfluid enthaltenden Raum getrennt ist, der mit dem entsprechenden Druckraum der Zylinderanordnung in Verbindung ist, um diesen mittels des Betätigungsfluids mit dem Tiefseedruck zu beaufschlagen und so die Kolbenbewegung zu bewirken, die den Arbeitsdruck erzeugt. Im Unterschied zum Stand der Technik ist somit lediglich ein Raum des Druckspeichers mit dem korrosiven und möglicherweise mit Problemstoffen belasteten Seewasser in Berührung, während die Zylinderanordnung selbst dank des vorgeschalteten Druckspeichers vom Seewasser separiert, trotzdem jedoch vom Tiefseedruck beaufschlagt ist, weil das bewegliche Trennelement des Druckspeichers das Betätigungsfluid mit dem jeweiligen vorliegenden Tiefseedruck vorspannt.
In vorteilhafter Weise kann der Druckspeicher ein gegen die Einwirkung von Seewasser unempfindliches Trennelement aufweisen, wobei die mit Salzwasser in Berührung kommenden Teile des vorgeschalteten Druckspeichers entweder aus nicht rostendem Stahl hergestellt oder beschichtet sind.
Mit besonderem Vorteil kann ein Blasenspeicher oder Hydrospeicher vor- gesehen sein, der mit einer Blase, beispielsweise aus Kunststoff oder einem synthetischen Kautschuk, ausgerüstet ist.
In besonders vorteilhafter Weise kann als Betätigungsfluid im Druckspeicher eine Wasser-Glykol-Mischung vorgesehen sein. Eine solche Flüssigkeit hat korrosionsverhindernde Wirkung, wirkt reibungsvermindernd in der Art eines Schmiermittels und bietet gleichzeitig einen Frostschutz, der die Gefahr von Störungen durch Vereisung ausschließt, die durch Abkühlung bei Expansionsvorgängen auftreten könnte. Wenn die Zylinderanordnung in Form eines Doppelkolbenspeichers vorgesehen ist, kann die Anordnung mit Vorteil so getroffen sein, dass sie zwei zueinander koaxiale, durch einen zwischen ihnen befindlichen Trennkörper voneinander getrennte Zylinderteile für je einen Kolben aufweist, die über eine durch den Trennkörper abgedichtet hindurchgeführte Kolbenstange miteinander verbunden sind und die jeder beidseits an einen Druckraum angrenzen, von denen der erste und der zweite Druckraum sich jeweils zwischen dem Trennkörper und dem einen und dem anderen Kolben befinden.
Weiterhin kann sich zwischen dem den ersten Druckraum begrenzenden Kolben und dem geschlossenen Ende des betreffenden Zylinderteils ein Vorspann-Druckraum für unter Vorspanndruck stehendes Gas, wie N2, befinden. Bei der Betätigung der Vorrichtung steht dadurch für die Erzeugung des Arbeitsdruckes sowohl der Tiefseedruck als auch der gleichzeitig auf die Kolbenanordnung wirkende Vorspanndruck zur Verfügung.
Um bei geschlossener Zylinderanordnung eine praktisch unbehinderte Kolbenbewegung für die Erzeugung des Arbeitsdruckes zu ermöglichen, befindet sich vorzugsweise zwischen dem den zweiten Druckraum begrenzenden Kolben und dem geschlossenen Ende des betreffenden Zylinderteils ein Niederdruck-Druckraum für ein unter einem geringen Druck, vorzugsweise Unterdruck, stehendes Gas, wie N2.
Bei besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen ist ein mit dem Vorspann-Druckraum verbundener Druckbehälter für das unter dem Vorspann- druck stehende Gas vorhanden. Dadurch steht, zusätzlich zu dem Gasvolumen im Vorspann-Druckraum, für die Zylinderanordnung das Gasvolumen des zusätzlichen Druckbehälters zur Verfügung, das die zur Erzeugung des Arbeitsdruckes stattfindende Kolbenbewegung über den gesamten Hubweg des Kolbens unterstützt.
Der Druckbehälter kann durch einen zylindrischen Rohrkörper gebildet sein, der zu den Zylinderteilen der Zylinderanordnung parallel und benachbart angeordnet ist. Vorzugsweise ist dabei der Durchmesser des Rohrkörpers größer als der Zylinderdurchmesser der Zylinderanordnung, so dass ein verhältnismäßig großes Zusatzvolumen des unter Vorspanndruck stehenden Gases vorhanden ist.
In vorteilhafter Weise kann hierbei in dem Endstück, das sich am geschlossenen Ende des Vorspann-Druckraums befindet, eine Leitung gebildet sein, die über je eine Bohrung im zugeordneten geschlossenen Ende des Rohr- körpers und im geschlossenen Ende des Vorspann-Druckraums diesen mit dem Druckbehälter verbindet.
Hinsichtlich der Bauweise des Membranspeichers kann die Anordnung mit Vorteil so getroffen sein, dass der Blasenspeicher oder Hydrospeicher ein Speichergehäuse in Form eines langgestreckten Speicherzylinders besitzt, der zur Zylinderanordnung parallel und benachbart angeordnet ist und sich entlang des den zweiten Druckraum enthaltenden Zylinderteils über dessen Gesamtlänge erstreckt.
Nachstehend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im einzelnen erläutert.
Es zeigen:
Fig.1 einen schematisch vereinfacht gezeichneten Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
Fig.2 eine ebenfalls vereinfachte perspektivische Darstellung des
Ausführungsbeispiels.
Das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist für die Benutzung bei einem sog.„Blow-out- Preventer" (BOP) bestimmt, der als Sicherheitsanlage bei einer Tiefwasserbohrung in großer Meerestiefe von beispielsweise 3600 m angeordnet ist. Für derartige Anwendungen kann die Vorrichtung eine beträchtliche Bau- große haben. Die den Hauptteil der Vorrichtung bildende Zylinderanordnung, die in der Zeichnung als Ganzes mit 1 bezeichnet ist, kann beispiels- weise eine im Bereich von 4 m gelegene Länge besitzen. Die Zylinderanordnung 1 ist in der Art eines Doppelkolbenspeichers ausgebildet, mit einem ersten Zylinderteil 3 und einem zweiten Zylinderteil 5, die zueinander koaxial angeordnet und über einen Trennkörper 7 miteinander verbunden sind, der erstes Zylinderteil 3 und zweites Zylinderteil 5 gegeneinander abdichtet. Durch den Trennkörper 7 erstreckt sich eine Kolbenstange 9, an der an einem Ende ein Kolben 1 1 , der im ersten Zylinderteil 3 verschiebbar ist, und ein Kolben 13, der im zweiten Zylinderteil 5 verschiebbar ist, befestigt sind. Die Kolbenstange 9 ist unter Abdichtung durch den Trennkörper 7 geführt. Das Zylinderteil 3 ist endseitig durch ein Verschlussteil 15 und das Zylinderteil 5 durch ein Verschlussteil 17 abgeschlossen.
Bei dieser Bauweise definiert die Zylinderanordnung 1 vier innere Druckräume, nämlich zwischen dem Trennkörper 7 und dem im zweiten Zylinderteil 5 gelegenen Kolben 13 einen ersten Druckraum 19, der die Druckflüssigkeit enthält, die zur Betätigung des BOP vorgesehen ist. Ein zwischen Trennkörper 7 und dem im ersten Zylinderteil 3 gelegenen Kolben 1 1 befindlicher zweiter Druckraum 21 ist für das Betätigungsfluid vorgesehen, das mittels eines Betätigungsdruckes, welcher durch den Umgebungsdruck der Tiefsee erzeugt ist, die Kolbenbewegungen veranlasst, um im ersten Druckraum 19 den Arbeitsdruck zu übertragen. Weiterhin befindet sich zwischen dem Verschlussteil 1 7 des zweiten Zylinderteils 5 und dem zugeordneten Kolben 13 als dritter Druckraum ein Vorspann-Druckraum 23 und zwischen dem Verschlussteil 15 des ersten Zylinderteils 3 und dem zugeordneten Kolben 1 1 als vierter Druckraum ein Niederdruck-Druckraum 25.
Wie die Figuren zeigen, ist neben der Zylinderanordnung 1 , zu dieser parallel und eng benachbart, ein Druckbehälter 27 in Form eines zylindrischen Rohrkörpers angeordnet, der die gleiche Länge wie die Zylinderanordnung 1 , jedoch einen größeren Durchmesser, vorzugsweise den doppelten
Durchmesser, derselben besitzt. Der Druckbehälter 27 ist endseitig durch Verschlussteile 29 und 31 geschlossen. Die zueinander fluchtenden geschlossenen Enden der Zylinderteile 3 und 5 sowie des Druckbehälters 27, also die jeweiligen Verschlussteile 1 5 und 29 sowie 1 7 und 31 , sind jeweils über ein Endstück 33 bzw. 35 miteinander verbunden. Der Druckbehälter- räum 27 ist ferner über das Endstück 35 mit dem Vorspanndruckraum 23 verbunden.
Die Vorrichtung vervollständigt ein korrosionsfester Druckspeicher 37, beim Ausführungsbeispiel in Form eines Blasenspeichers oder Hydrospei- chers, mit einem langgestreckten kunststoffbeschichteten Speichergehäuse 39, das sich entlang des Druckbehälters 27, zu diesem parallel und benachbart, mit einer Länge erstreckt, die etwa der Länge des benachbarten ersten Zylinderteils 3 entspricht. Die als Trennelement im Druckspeicher 27 befindliche Blase oder Membrane 41 aus einem für Seewasser unempfindli- chen Werkstoff, beispielsweise Kunststoff oder Elastomer, trennt den Innenraum des Druckspeichers 37 in einen Betätigungsraum 43 und einen Seewasserraum 45, der über ein den Wassereintritt ermöglichendes Rückschlagventil 47, das in der Art eines Tellerventils ausgebildet ist, mit dem umgebenden Seewasser in Verbindung ist. Der Betätigungsraum 43 ist über eine Druckleitung 49 mit einem Betätigungseingang 51 verbunden, der über einen Kanal im Trennkörper 7 der Zylinderanordnung 1 mit dem ersten Druckraum 21 in Verbindung ist.
Für den Betrieb der Vorrichtung wird in einer Gasfüllung (N2) des Nieder- druck-Druckraums 25 über den Anschluss 53 ein niederer Gasdruck, vorzugsweise Unterdruck, erzeugt. Als Betätigungsfluid im Betätigungsraum 43 des Blasenspeichers oder Hydrospeichers 37 ist dieser mit einer Wasser- Glykol-Mischung befüllt. Bei einer Wassertiefe von beispielsweise 3600 m, mit einem Wasserdruck von 360 bar im Seewasserraum 45 des Druckspei- chers 37, ist demzufolge der erste Druckraum 21 über die Leitung 49 vom Druckspeicher 37 her durch das Betätigungsfluid mit einem Betätigungs- druck von 360 bar vorgespannt. Über einen Vorspannanschluss 55 am Endstück 35, das die Verschlussteile 17 und 31 am Zylinderteil 5 und am Druckbehälter 27 verbindet, sowie Leitungen 57 im Endstück 35 und Bohrungen 59 und 61 in den Verschlussteilen 31 bzw. 1 7 sind der Druckspei- eher 27 und damit der Vorspann-Druckraum 23 der Zylinderanordnung 1 mit einem Vorspanndruck(N2)-Gas befüllt. Bei einem Vorspanndruck im Bereich von 280 bar im Vorspann-Druckraum 23, dem Seewasserdruck im zweiten Druckraum 21 von beispielsweise 360 bar (3600 m Wassertiefe) und einem Niederdruck-Druckraum 25 herrschenden Unterdruck, steht daher für die Verschiebebewegung der Kolben 1 1 , 1 3 in Fig.1 nach links ein Druckniveau von wesentlich mehr als 600 bar zur Verfügung, um im ersten Druckraum 19 in dem enthaltenen Hydraulikfluid den Arbeitsdruck bereitzustellen, der somit auch am Arbeitsausgang 63 des Trennkörpers 7 zur Verfügung steht. Aufgrund des verhältnismäßig großen Volumens des Vorspanngases, das dank des Vorratsvolumens im Druckbehälter 27 zur Verfügung steht, kann der gesamte Kolbenhubweg von Vorspanndruck unterstützt erfolgen. Somit ist die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht nur besonders betriebssicher, weil dank des Druckspeichers 37 das Seewasser von der Zylinderanordnung 1 getrennt ist, sondern die Er- zeugung des hydraulischen Arbeitsdruckes erfolgt auch dank des im Druckbehälter 27 zur Verfügung stehenden Vorratsvolumens des Vorspann- Gasdruckes besonders effizient.