Riser-tensionersystemen

Wat een riser-tensioner doet

Boven aan de riser zit een telescopische verbinding. De binnenbuis hangt onder de boorvloer aan de rig en schuift in de buitenbuis, die de bovenkant van de riser vormt. De tensioners zijn bevestigd aan de spanring op de buitenbuis en dragen de riser daar (figuur 1). Terwijl de rig heave-bewegingen maakt, schuift de binnenbuis en maken de tensioners hun slag; de riser eronder blijft op zijn plaats.

Elke tensioner is een hydraulische cilinder die tegen gas onder hoge druk werkt. Wanneer de rig omhoog beweegt, maakt de tensioner slag, drukt olie in de gasflessen en comprimeert het gas, zodat de trekkracht iets stijgt. Wanneer de rig daalt, drukt het gas de olie terug en neemt de trekkracht iets af. Het gas is de veer; het gasvolume bepaalt hoe klein die verandering blijft.

Hoeveel trekkracht een riser nodig heeft

De riser moet over zijn hele lengte onder trekkracht staan, anders kan hij knikken. De trekkracht bovenaan houdt ook de hoeken in de flexibele verbindingen klein bij stroming en wanneer de rig van de put afdrijft. API RP 16Q bepaalt het minimum met een krachtenbalans bij de spanring, die daarin slip ring heet:

Hier is W_s het ondergedompelde gewicht van de riser en B_n de netto opwaartse kracht van de drijfmodules. De factoren f_{wt} \ge 1.05 en f_{bt} \le 0.96 houden rekening met gewichtstolerantie en met drijfvermogen dat door compressie en wateropname verloren gaat. A_i is de inwendige oppervlakte van de riser, inclusief de choke-, kill- en hulpleidingen, en d_m H_m en d_w H_w zijn de drukken van de boorvloeistofkolom binnenin en de zeewaterkolom buiten de riser, onderaan de riser.

De tensioners moeten meer kracht leveren, omdat er tegelijk enkele kunnen uitvallen en onderweg naar de ring een klein deel verloren gaat:

met N tensionerkabels of cilinders, n daarvan die plotseling kunnen uitvallen, en R_f, gewoonlijk 0.90 tot 0.95, voor de vloothoek (de hoek van de kabel ten opzichte van de verticaal) en de wrijving.

Rekenvoorbeeld: een riser van 1,500 m

1. De uitgangswaarden. Illustratieve, afgeronde waarden: 1,500 m riser met een ondergedompeld gewicht van 900 t en 800 t opwaartse drijfkracht, en A_i = 0.22\ \text{m}^2 voor de doorlaat en de leidingen. De boorvloeistof heeft een dichtheid van 1.50 SG tegenover 1.025 voor zeewater; beide kolommen worden op 1,500 m gesteld. Twaalf tensionerkabels, waarvan één dubbele eenheid (twee kabels) plotseling kan uitvallen, en R_f = 0.95.
2. Bij de spanring. In ton, met de dichtheden in t/m³, is de gewichtsterm 900 \cdot 1.05 = 945, de drijfkrachtterm 800 \cdot 0.96 = 768 en de boorvloeistofterm 0.22 \cdot 1{,}500 \cdot (1.50 – 1.025) \approx 157, zodat
   T_{\text{SR,min}} = 945 – 768 + 157 \approx 334\ \text{t}
3. De instelling van de tensioner.
   T_{\min} = 334 \cdot \frac{12}{0.95 \cdot 10} \approx 422\ \text{t}
   Dat is ongeveer 4.1 MN of 930 kips.

Het drijfvermogen draagt het grootste deel van het staalgewicht; de tolerantiefactoren alleen voegen ongeveer 80 t toe: 5 % op 900 t en 4 % minder op 800 t. De waterdiepte en de dichtheid van de boorvloeistof bepalen de rest. Dezelfde riser in 3,000 m water met boorvloeistof van 1.8 SG vraagt ongeveer 1,100 t. Diepwaterboorinstallaties hebben ongeveer 1,400 tot 1,800 t aan tensionercapaciteit om dat minimum, de toename van de trekkracht over de slag en de extra trekkracht door stroming en positieafwijking op te vangen.

Voor een werkelijke samenstelling worden de gewichten uit de gegevensbladen van de risersecties gehaald en wordt de effectieve trekkracht over de hele riser gecontroleerd, niet alleen bovenaan. Ook de bovengrens is beperkt: door de riser, de telescopische verbinding en de spanring, en de putkop en de conductor.

Slag en gasvolume

De slag moet ruimte bieden voor de heave van de rig bij de riser, het zakken van de riser wanneer de rig van de put afdrijft, het getij en de rek van de riser zelf. Aan beide uiteinden is marge nodig zodat de tensioner nooit tegen de aanslag loopt. Diepwaterinstallaties hebben ongeveer 15 m (50 ft) bewegingsweg.

Hoeveel de trekkracht over die slag verandert, hangt af van het gas. Bij een gasvolume V_0 halverwege de slag en een zuigeroppervlakte A, geeft een slag x vanuit de middenstand die het gas comprimeert

waarbij \kappa varieert van 1.0 bij langzame, isotherme compressie tot ongeveer 1.4 bij snelle, adiabatische compressie van een ideaal gas. Bij de 100 tot 200 bar waarop een tensioner werkt, is echt stikstofgas nog stijver, zodat snelle slagen meer gasvolume vragen. Hoe groter het gasvolume ten opzichte van het door de slag verdrongen volume, hoe vlakker de curve (figuur 2). Om de trekkracht bijvoorbeeld over de volle slag binnen ±5 % te houden, is een gasvolume nodig van ongeveer 14 maal het verdrongen volume. Daarom hebben tensionersystemen grote banken met gasflessen.

Dezelfde gasveer geeft de riser en zijn tensioners een verticale eigenperiode, die wordt vergeleken met de golfperioden tijdens de operatie. Dit is vooral van belang wanneer de riser is losgekoppeld en aan de tensioners hangt, zonder bevestiging aan de onderkant.

Kabeltensioners en direct werkende tensioners

Tensionerkabels

Bij een kabeltensionersysteem zijn het de kabels die slijten. Huidige eenheden gebruiken kabels van elk maximaal ongeveer 250 kips. Tijdens elke golfcyclus buigen dezelfde paar meter kabel over de schijven, terwijl zoute lucht corrosie veroorzaakt. Daarom schuiven rigs de kabel volgens een schema door en korten die in om de slijtage te spreiden (slip and cut); ze inspecteren de kabel en vervangen die aan het einde van de levensduur. De kabel wordt gespecificeerd volgens API Spec 9A; voor onderhoud en gebruik geldt API RP 9B. De omloopschijven zijn zo geplaatst dat de vloothoek klein blijft. Daardoor draagt meer van de kabeltrekkracht bij aan het heffen van de riser en gaat de kabel langer mee.

Productierisers

Productierisers met topspanning op tension-leg-platforms en sparplatforms worden op dezelfde manier gehouden, met hydropneumatische tensioners, of op sommige sparplatforms met drijflichamen. Daar wordt de trekkracht ingesteld voor de levensduur van het veld in plaats van voor een boorcampagne.

Ontwerpsituaties waarvoor de tensioner geschikt moet zijn

1. Een uitgevallen tensioner. De factor N/(N – n) zorgt dat de overige tensioners de minimale trekkracht handhaven wanneer er één uitvalt, of een dubbele eenheid, afhankelijk van de systeemindeling. Bij een direct werkend systeem kan een uitgevallen cilinder ook aan de spanring omlaag trekken; die belasting wordt bij het minimum opgeteld.
2. Terugslag na een noodontkoppeling. Wanneer het lower marine riser package (LMRP) in een noodsituatie loskomt van de BOP, trekken de tensioners nog steeds met honderden tonnen aan een riser waarvan de onderste verbinding is weggevallen, terwijl de boorvloeistof begint weg te stromen. De trekkracht moet het LMRP vrij van de BOP tillen zonder dat het terugvalt op de stack, maar de riser mag niet omhoog de rig in schieten, de tensionerkabels slap laten vallen of de telescopische verbinding in elkaar drukken. Een terugslagbeveiliging smoort de stroming tussen de gasflessen en de cilinders. Een terugslaganalyse bepaalt per boorvloeistofdichtheid de instellingen van de trekkracht en de beveiliging.
3. Slagmarge. Heave, zakking, getij en rek moeten binnen de slag passen, met marge aan beide uiteinden, bij elke zeetoestand waarin de rig verbonden blijft. Als de rig zijn positie verliest, bepaalt de resterende slag mede hoe vroeg de ontkoppeling moet beginnen.
4. De bovengrens voor de trekkracht. Een zware boorvloeistof verhoogt het minimum in de richting van wat de riser, spanring, putkop en tensioners zelf aankunnen. Ook de toename van de trekkracht over de slag moet onder die grens blijven.

Reservespanning en SIRIUS

Een tensioner kan buiten bedrijf raken door een defecte afdichting, een kabelwissel of onderhoud. Als één eenheid uitvalt, nemen de overige haar aandeel over en wordt de marge voor een volgende storing kleiner. Daardoor kan een lagere boorvloeistofdichtheid of een strikter operationeel venster nodig zijn totdat de eenheid terug is. Een reservetensioner neemt het aandeel van de ontbrekende eenheid over terwijl de hoofdeenheid wordt hersteld.

Ter indicatie: een reserve voor één dubbele kabeltensioner draagt ongeveer 230 t, de belasting van twee kabels, elk met een capaciteit van 250 kip.

SIRIUS, onze algemene tensionerfamilie in ontwikkeling, kan als zo’n reserve dienen: topside-eenheden met handmatig ingestelde demping, gepland van 5 tot 5,000 t met een slag van 1 tot 12 m, voor riserspanning als reserve, workover en andere toepassingen met constante trekkracht. De techniek achter SIRIUS is niet nieuw: ons team heeft eerder tensioners met een lange slag geleverd, waaronder een boortensioner van 500 t met een slag van 8 m.

Riser-tensioners en heave-compensatoren voor hijswerk zijn hetzelfde soort machine: een cilinder die tegen een gasveer werkt. Ze worden wel anders beoordeeld. Bij een tensioner telt hoe constant de trekkracht over de slag blijft; hij werkt wekenlang. Bij een hijscompensator telt hoe weinig van de scheepsbeweging de last bereikt tijdens één hijsoperatie. Zie voor compensatie bij een workoverstreng of een coiled-tubing-operatie vanaf een kraan heave-compensatie voor coiled tubing.