Strekksystemer for stigerør

Hva en stigerørstrammer gjør

Øverst på stigerøret sitter en teleskopskjøt. Det indre røret henger fra riggen under boredekket og glir inne i det ytre røret, som utgjør toppen av stigerøret. Strammerne er festet til strekk-ringen på det ytre røret og bærer stigerøret derfra (figur 1). Når riggen hiver, glir det indre røret og strammerne beveger seg gjennom slaglengden, mens stigerøret nedenfor blir stående i ro.

Hver strammer er en hydraulisk sylinder som arbeider mot gass under høyt trykk. Når riggen stiger, forlenges strammeren, presser olje inn i gassflaskene og komprimerer gassen, slik at strekkraften øker litt. Når riggen går ned, skyver gassen oljen tilbake, og strekkraften avtar litt. Gassen er fjæren, og volumet bestemmer hvor liten endringen i strekkraft blir.

Hvor stor strekkraft et stigerør trenger

Stigerøret må være i strekk langs hele lengden, ellers kan det knekke ut. Strekkraften i toppen holder også vinklene ved de fleksible skjøtene små i strøm og når riggen driver bort fra brønnen. API RP 16Q fastsetter minimumet ut fra en kraftbalanse ved strekk-ringen, som standarden kaller slip ring:

Symbolet W_s betegner stigerørets neddykkede vekt, og B_n er netto løftekraft fra oppdriftsmodulene. Faktorene f_{wt} \ge 1.05 og f_{bt} \le 0.96 tar høyde for vekttoleranse og oppdrift som går tapt på grunn av kompresjon og vannopptak. A_i er stigerørets innvendige areal, inkludert choke-, kill- og hjelpelinjer, mens d_m H_m og d_w H_w er trykket fra henholdsvis borevæskesøylen på innsiden og sjøvannsøylen på utsiden ved bunnen av stigerøret.

Strammerne må levere mer enn dette, fordi noen av dem kan svikte samtidig og noe av kraften går tapt på veien til ringen:

med N strammervaiere eller sylindre, n av dem som kan svikte plutselig, og R_f, vanligvis 0.90 til 0.95, for vaierens avviksvinkel fra vertikalen og friksjon.

Regneeksempel: et stigerør på 1,500 m

1. Inndata. Tall til illustrasjon, avrundet: 1,500 m stigerør med en neddykket vekt på 900 t og en oppdrift på 800 t, samt A_i = 0.22\ \text{m}^2 for innvendig løp og tilhørende linjer. Borevæsken er 1.50 SG mot 1.025 for sjøvann, og begge søylene er satt til 1,500 m. Tolv strammervaiere, der én dobbel enhet (to vaiere) kan svikte plutselig, og R_f = 0.95.
2. Ved strekk-ringen. I tonn, med tetthet oppgitt i t/m³, er vektleddet 900 \cdot 1.05 = 945, oppdriftsleddet 800 \cdot 0.96 = 768 og borevæskeleddet 0.22 \cdot 1{,}500 \cdot (1.50 – 1.025) \approx 157, altså
   T_{\text{SR,min}} = 945 – 768 + 157 \approx 334\ \text{t}
3. Innstilling av strammerne.
   T_{\min} = 334 \cdot \frac{12}{0.95 \cdot 10} \approx 422\ \text{t}
   Det tilsvarer omtrent 4.1 MN eller 930 kips.

Oppdriften bærer det meste av stålets vekt, og toleransefaktorene alene legger til omtrent 80 t: 5 % av 900 t og 4 % trukket fra 800 t. Vanndybde og borevæskens vekt styrer resten. Samme stigerør på 3,000 m vanndyp med borevæske på 1.8 SG trenger omtrent 1,100 t. Borerigger for dypt vann har en strammerkapasitet på rundt 1,400 til 1,800 t for å dekke dette minimumet, økningen i strekkraft gjennom slaglengden og ekstra strekkraft som strøm og avdrift krever.

En virkelig sammenstilling bruker vektdata fra databladene for stigerørseksjonene og kontrollerer den effektive strekkraften langs hele stigerøret, ikke bare på toppen. Øvre grense er også bestemt av stigerøret, teleskopskjøten og strekk-ringen samt brønnhodet og lederøret.

Slaglengde og gassvolum

Slaglengden må dekke riggens hiv ved stigerøret, nedsenkningen når riggen driver bort fra brønnen, tidevannet og stigerørets egen forlengelse. Det må være margin i begge ender slik at strammeren aldri når endestopp. Enheter for dypt vann har rundt 15 m (50 ft) vandring.

Hvor mye strekkraften endres gjennom slaglengden, avhenger av gassen. Med et gassvolum V_0 ved midtstilling og et stempelareal A, vil en forskyvning x fra midtstilling som komprimerer gassen, gi

der \kappa varierer fra 1.0 ved langsom, isoterm kompresjon til omtrent 1.4 ved rask, adiabatisk kompresjon av en ideell gass. Ved arbeidstrykket på 100 til 200 bar er reell nitrogen enda stivere, så raske slag krever mer gass. Jo større gassvolumet er i forhold til volumet som fortrenges gjennom slaglengden, desto flatere blir kurven (figur 2). For å holde strekkraften innenfor ±5 % gjennom hele slaglengden trengs for eksempel et gassvolum på rundt 14 ganger det fortrengte volumet. Derfor har strammesystemer rekker av store gassflasker.

Den samme gassfjæren gir stigerøret og strammerne en vertikal egenperiode, som kontrolleres mot bølgeperiodene under operasjonen. Dette er særlig viktig når stigerøret er frakoblet og henger i strammerne uten noe i bunnen som holder det.

Vaierbaserte og direktevirkende strammere

Strammervaiere

I et vaierbasert system er det ståltauene som slites. Dagens enheter bruker vaiere med kapasitet på opptil rundt 250 kips hver. I hver bølgesyklus bøyes de samme få meterne av tauet over trinsene, og salt luft fører til korrosjon. Derfor flytter riggene tauet etter en plan for å fordele slitasjen (slip and cut), inspiserer det og skifter det ut ved slutten av levetiden. Ståltauet spesifiseres etter API Spec 9A, og vedlikehold og bruk følger API RP 9B. Ledetrinsene plasseres slik at vaierens avviksvinkel blir liten. Da går mer av vaierstrekket til å løfte stigerøret, og ståltauet varer lenger.

Produksjonsstigerør

Toppstrammede produksjonsstigerør på strekkstagsplattformer og sparplattformer holdes oppe på samme måte, med hydropneumatiske strammere, eller på enkelte sparplattformer med oppdriftstanker. Der stilles strekkraften inn for feltets levetid snarere enn for en borekampanje.

Dimensjonerende tilfeller strammeren må dekke

1. Svikt i en strammer. Faktoren N/(N – n) sørger for at de gjenværende strammerne opprettholder minste strekkraft hvis én strammer svikter, eller en dobbel enhet, avhengig av hvordan systemet er delt opp. I et direktevirkende system kan en sviktet sylinder også trekke strekk-ringen nedover, og denne lasten legges til minimumet.
2. Rekyl etter nødfrakobling. Når den nedre marine stigerørspakken (LMRP) kobles fra BOP i en nødssituasjon, trekker strammerne fortsatt med hundrevis av tonn i et stigerør som har mistet forbindelsen i bunnen, og borevæsken begynner å renne ut. Strekkraften må løfte LMRP klar av BOP uten at den faller tilbake på utstyrsstabelen, men stigerøret må ikke skyte opp i riggen, gjøre strammervaierne slakke eller presse sammen teleskopskjøten. Et rekylbremsesystem struper strømmen mellom gassflaskene og sylindrene, og en rekylanalyse fastsetter strekkraft og innstillinger for rekylbremsen for hver borevæskevekt.
3. Slaglengdemargin. Hiv, nedsynking, tidevann og forlengelse må få plass innenfor slaglengden, med margin i begge ender, i alle sjøtilstander der riggen fortsatt er tilkoblet. Hvis riggen mister posisjonen, er gjenværende slaglengde en av grensene for hvor tidlig frakoblingen må starte.
4. Øvre grense for strekkraft. Tung borevæske øker minste strekkraft mot grensene for hva stigerøret, strekk-ringen, brønnhodet og strammerne selv tåler. Økningen i strekkraft gjennom slaglengden må også holde seg under denne grensen.

Reservestramming og SIRIUS

En strammer kan tas ut av drift på grunn av tetningssvikt, vaierbytte eller vedlikehold. Når én enhet er ute, bærer de andre dens andel, og marginen for neste svikt blir mindre. Det kan kreve lavere borevæskevekt eller strengere operasjonsgrenser til enheten er tilbake. En reservestrammer overtar den manglende enhetens andel mens den primære enheten settes i drift igjen.

Som størrelsesorden bærer en reserve som erstatter én dobbel vaierenhet, rundt 230 t, lasten fra to vaiere på 250 kips.

SIRIUS, vår generelle strammerfamilie under utvikling, kan fylle denne reserverollen: dekksmonterte enheter med manuelt innstilt demping, planlagt for 5 til 5,000 t og en slaglengde på 1 til 12 m, til reservestramming av stigerør, brønnoverhaling og andre oppgaver med konstant strekkraft. Teknologien bak SIRIUS er ikke ny: teamet vårt har tidligere levert strammere med lang slaglengde, blant annet en 500 t borestrammer med 8 m slaglengde.

Stigerørstrammere og hivkompensatorer for løft er samme type maskin, en sylinder som arbeider mot en gassfjær, men de vurderes etter ulike kriterier. En strammer vurderes etter hvor konstant strekkraften holder seg gjennom slaglengden, og den går i ukevis. En løftekompensator vurderes etter hvor lite av fartøyets bevegelse som overføres til lasten, i løpet av ett løft. For kompensering av en brønnoverhalingsstreng eller kveilrør som kjøres fra en kran, se hivkompensering ved kveilrørsoperasjoner.