Riser-Spannsysteme

Was ein Riser-Spanner bewirkt

Am oberen Ende des Risers befindet sich ein Teleskopstück. Sein Innenrohr hängt unter dem Bohrboden an der Anlage und gleitet im Außenrohr, das den oberen Abschluss des Risers bildet. Die Spanner greifen am Spannring des Außenrohrs an und tragen dort den Riser (Abbildung 1). Bei Hubbewegungen der Anlage gleitet das Innenrohr, und die Spanner fahren ein oder aus, während der Riser darunter an seiner Position bleibt.

Jeder Spanner besteht aus einem Hydraulikzylinder, der gegen Hochdruckgas arbeitet. Steigt die Anlage, fährt der Spanner aus, drückt Öl in seine Gasflaschen und verdichtet das Gas; dadurch steigt die Zugkraft etwas. Senkt sich die Anlage, drückt das Gas das Öl zurück, und die Zugkraft sinkt etwas. Das Gas bildet die Feder, und sein Volumen bestimmt, wie gering die Zugkraftänderung ausfällt.

Wie viel Zugkraft ein Riser benötigt

Der Riser muss über seine gesamte Länge unter Zug stehen, sonst kann er ausknicken. Die Zugkraft am oberen Ende hält außerdem die Winkel an seinen Flexgelenken bei Strömung und wenn die Anlage vom Bohrloch abdriftet klein. API RP 16Q legt die Mindestzugkraft anhand einer Kräftebilanz am Spannring fest, den der Standard als Slip Ring bezeichnet:

Dabei ist W_s das Unterwassergewicht des Risers und B_n die Nettoauftriebskraft seiner Auftriebsmodule. Die Faktoren f_{wt} \ge 1.05 und f_{bt} \le 0.96 berücksichtigen Gewichtstoleranzen sowie Auftriebsverluste durch Kompression und Wasseraufnahme. A_i ist die innere Querschnittsfläche des Risers einschließlich seiner Choke-, Kill- und Hilfsleitungen; d_m H_m und d_w H_w sind die Drücke der Bohrspülungssäule innen und der Meerwassersäule außen am unteren Ende des Risers.

Die Spanner müssen eine höhere Kraft aufbringen, weil mehrere zugleich ausfallen können und auf dem Weg zum Ring ein kleiner Anteil verloren geht:

mit N Spannerseilsträngen oder Zylindern, n davon, die plötzlich ausfallen können, und R_f, üblicherweise 0.90 bis 0.95, für den Seilablenkwinkel (die Abweichung des Seils von der Vertikalen) und die Reibung.

Rechenbeispiel: ein Riser von 1,500 m

1. Die Eingangswerte. Beispielhaft gerundete Werte: 1,500 m Riser mit einem Unterwassergewicht von 900 t und einer Auftriebskraft von 800 t sowie A_i = 0.22\ \text{m}^2 für den Rohrquerschnitt und seine Leitungen. Die Bohrspülung hat 1.50 SG gegenüber 1.025 für Meerwasser; beide Flüssigkeitssäulen werden mit 1,500 m angesetzt. Zwölf Spannerseilstränge, von denen eine Doppeleinheit (zwei Stränge) plötzlich ausfallen kann, und R_f = 0.95.
2. Am Spannring. In Tonnen, bei Dichten in t/m³, ergibt der Gewichtsterm 900 \cdot 1.05 = 945, der Auftriebsterm 800 \cdot 0.96 = 768 und der Bohrspülungsterm 0.22 \cdot 1{,}500 \cdot (1.50 – 1.025) \approx 157, somit
   T_{\text{SR,min}} = 945 – 768 + 157 \approx 334\ \text{t}
3. Die Einstellung des Spanners.
   T_{\min} = 334 \cdot \frac{12}{0.95 \cdot 10} \approx 422\ \text{t}
   Das entspricht etwa 4.1 MN oder 930 kips.

Der Auftrieb trägt den größten Teil des Stahlgewichts. Allein die Toleranzfaktoren erhöhen die erforderliche Kraft um etwa 80 t: 5 % Zuschlag auf 900 t Stahlgewicht und 4 % Abschlag vom Auftrieb von 800 t. Wassertiefe und Spülungsdichte bestimmen den Rest. Derselbe Riser benötigt bei 3,000 m Wassertiefe mit Bohrspülung von 1.8 SG etwa 1,100 t. Tiefwasser-Bohranlagen haben eine Spannerkapazität von etwa 1,400 bis 1,800 t, um diese Mindestkraft, den Kraftanstieg über den Hub sowie die zusätzliche Zugkraft bei Strömung und Versatz abzudecken.

Eine tatsächliche Gewichts- und Auftriebsbilanz verwendet die Gewichte aus den Datenblättern der Risersegmente und prüft die effektive Zugkraft über die gesamte Riserlänge, nicht nur am oberen Ende. Auch der obere Grenzwert ist durch den Riser, das Teleskopstück und den Spannring sowie den Bohrlochkopf und das Führungsrohr begrenzt.

Hub und Gasvolumen

Der Hub muss die Hubbewegung der Anlage am Riser, das Absenken beim Abdriften der Anlage vom Bohrloch, die Tide und die Eigenlängung des Risers abdecken. An beiden Enden ist Reserve nötig, damit der Spanner nie am Anschlag ankommt. Tiefwasseranlagen haben etwa 15 m (50 ft) Verfahrweg.

Wie stark sich die Zugkraft über diesen Hub ändert, hängt vom Gas ab. Bei einem Gasvolumen V_0 in der Mittelstellung und einer Kolbenfläche A, bewirkt ein Hub x aus der Mittelstellung, der das Gas verdichtet, Folgendes:

Dabei nimmt \kappa Werte von 1.0 bei langsamer, isothermer Verdichtung bis etwa 1.4 bei schneller, adiabatischer Verdichtung eines idealen Gases an. Bei den 100 bis 200 bar, mit denen ein Spanner arbeitet, ist reales Stickstoffgas noch steifer; schnelle Hübe erfordern daher mehr Gas. Je größer das Gasvolumen im Verhältnis zum über den Hub verdrängten Volumen ist, desto flacher verläuft die Kurve (Abbildung 2). Um die Zugkraft über den vollen Hub innerhalb von ±5 % zu halten, ist beispielsweise ein Gasvolumen von etwa dem 14-Fachen des verdrängten Volumens nötig. Deshalb haben Spannersysteme Gruppen großer Gasflaschen.

Dieselbe Gasfeder verleiht dem Riser und seinen Spannern eine vertikale Eigenperiode, die mit den Wellenperioden des Betriebsfalls verglichen wird. Besonders wichtig ist sie, wenn der Riser vom BOP getrennt wurde und nur noch an den Spannern hängt, ohne Halt am unteren Ende.

Seilgeführte und direktwirkende Spanner

Spannerseile

Bei einem seilgeführten System sind die Seile die Verschleißteile. Aktuelle Einheiten verwenden Stränge mit jeweils bis zu etwa 250 kips. In jedem Wellenzyklus werden dieselben wenigen Meter Seil über die Rollen gebogen; zudem greift salzhaltige Luft das Seil an. Deshalb versetzen Bohranlagen das Seil nach einem festen Plan, um den Verschleiß zu verteilen (Slip and Cut), prüfen es und ersetzen es am Ende seiner Lebensdauer. Das Seil ist nach API Spec 9A spezifiziert; Pflege und Verwendung richten sich nach API RP 9B. Die Umlenkrollen werden so angeordnet, dass der Seilablenkwinkel klein bleibt. Dadurch trägt ein größerer Teil der Seilzugkraft den Riser, und das Seil hält länger.

Produktionsriser

Oben gespannte Produktionsriser auf TLPs und Spar-Plattformen werden auf dieselbe Weise gehalten: durch hydropneumatische Spanner oder bei manchen Spar-Plattformen durch Auftriebskörper. Dort wird die Zugkraft für die Lebensdauer des Feldes eingestellt, nicht für eine Bohrkampagne.

Auslegungsfälle für den Spanner

1. Ausfall eines Spanners. Der Faktor N/(N – n) sorgt dafür, dass die verbleibenden Spanner bei Ausfall eines Spanners oder, je nach Systemaufteilung, einer Doppeleinheit die Mindestzugkraft halten. In einem direktwirkenden System kann ein ausgefallener Zylinder zusätzlich nach unten am Spannring ziehen; diese Last wird zur Mindestzugkraft addiert.
2. Rückstoß nach einer Nottrennung. Wenn die Lower Marine Riser Package (LMRP) im Notfall vom BOP getrennt wird, ziehen die Spanner weiter mit Hunderten Tonnen am Riser, obwohl seine Verbindung am unteren Ende gelöst ist und die Bohrspülung aus ihm abzulaufen beginnt. Die Zugkraft muss die LMRP vom BOP abheben, ohne dass sie auf den Stack zurückfällt. Zugleich darf der Riser nicht nach oben in die Anlage schießen, die Spannerseile erschlaffen lassen oder das Teleskopstück zusammenschieben. Ein Anti-Recoil-System drosselt die Strömung zwischen Gasflaschen und Zylindern. Eine Rückstoßanalyse legt die Zugkraft und die Anti-Recoil-Einstellungen für jede Spülungsdichte fest.
3. Hubreserve. Hubbewegung, Absenken, Tide und Längung müssen bei jedem Seegangszustand, in dem die Anlage verbunden bleibt, innerhalb des Hubs liegen, mit Reserve an beiden Enden. Verliert die Anlage ihre Position, begrenzt der verbleibende Hub, wie früh die Trennung eingeleitet werden muss.
4. Obere Zugkraftgrenze. Schwere Bohrspülung erhöht die Mindestzugkraft in Richtung der Belastungsgrenzen von Riser, Spannring, Bohrlochkopf und Spannern selbst. Auch der Kraftanstieg über den Hub muss unter dieser Grenze bleiben.

Reserve-Spannsysteme und SIRIUS

Ein Spanner kann wegen eines Dichtungsausfalls, eines Seilwechsels oder Wartungsarbeiten außer Betrieb gehen. Fällt eine Einheit aus, übernehmen die übrigen ihren Anteil, und die Reserve für den nächsten Ausfall wird kleiner. Bis die Einheit wieder verfügbar ist, kann das eine geringere Spülungsdichte oder engere Betriebsgrenzen erfordern. Ein Reservespanner übernimmt den fehlenden Anteil, während die Haupteinheit instand gesetzt wird.

Zur Größenordnung: Ein Reservespanner als Ersatz für eine Doppelseil-Einheit trägt etwa 230 t, die Last von zwei Seilsträngen zu je 250 kip.

SIRIUS, unsere in Entwicklung befindliche Spannerfamilie für allgemeine Anwendungen, kann als Reservespanner einspringen: an Deck installierte Einheiten mit manuell einstellbarer Dämpfung, geplant für 5 bis 5,000 t und 1 bis 12 m Hub, für den Einsatz als Reservespanner am Riser, bei Workover-Arbeiten und für andere Anwendungen mit konstanter Zugkraft. Die Technik hinter SIRIUS ist nicht neu: Unser Team hat bereits Spanner mit langem Hub geliefert, darunter einen Bohrspanner mit 500 t und 8 m Hub.

Riser-Spanner und Seegangskompensatoren für Hebevorgänge sind Maschinen derselben Art: Ein Zylinder arbeitet gegen eine Gasfeder. Sie werden jedoch nach unterschiedlichen Kriterien beurteilt. Bei einem Spanner zählt, wie konstant seine Zugkraft über den Hub bleibt; er arbeitet wochenlang. Bei einem Seegangskompensator für Hebevorgänge zählt, wie wenig von der Schiffsbewegung während eines Hebevorgangs die Last erreicht. Zur Kompensation an einem Workover-Strang oder einem vom Kran geführten Coiled-Tubing-Strang siehe Seegangskompensation für Coiled Tubing.