NO20101432A1

NO20101432A1 - Bronnhodesammenstilling

Info

Publication number: NO20101432A1
Application number: NO20101432A
Authority: NO
Inventors: Hallgeir Melbo; Arve Tvitekkja
Original assignee: Aker Subsea As
Priority date: 2010-10-15
Filing date: 2010-10-15
Publication date: 2012-04-16
Also published as: WO2012049289A1; NO333482B1

Abstract

En brønnhodesammenstilling for undervanns brønner omfattende et brønnhodehus (1) som er festet til en foring (2) ved sveising langs en øvre del av sistnevnte i en sveisesone (8). Den nedre delen av brønnhodehuset (1) har et område (31) med redusert tykkelse i avstand fra sveisesonen (8), slik at det oppnås fleksibilitet og bøyekrefter påført brønnhodehuset (1) under stigerørsoperasjoner reduseres.An underwater wellhead assembly comprising a wellhead housing (1) secured to a liner (2) by welding along an upper portion of the latter in a welding zone (8). The lower portion of the wellhead housing (1) has a region (31) of reduced thickness spaced from the welding zone (8), thereby providing flexibility and bending forces applied to the wellhead housing (1) during riser operations.

Description

OPPFINNELSENS FELT THE FIELD OF INVENTION

Foreliggende oppfinnelse angår generelt en forbedret brønnhodesammenstilling og spesielt et forbedret brønnhodehus som er relativt mer fleksibelt og er i stand til å absorbere bøyebelastning, forårsaket av stigerørstilkobling under borings-, kompletterings- og overhalingsoperasjoner. Spesielt angår foreliggende oppfinnelse en brønnhodesammenstilling i henhold til ingressen i krav 1 og til et brønnhodehus i henhold til ingressen i krav 8. The present invention generally relates to an improved wellhead assembly and in particular to an improved wellhead housing which is relatively more flexible and capable of absorbing bending stress caused by riser connection during drilling, completion and overhaul operations. In particular, the present invention relates to a wellhead assembly according to the preamble in claim 1 and to a wellhead housing according to the preamble in claim 8.

TEKNISK BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN TECHNICAL BACKGROUND OF THE INVENTION

Et brønnhode blir hovedsakelig brukt som opphengningspunktet og trykkforseglingene for foringsstrengene som er strukket fra bunnen av topphullseksjonene til trykkontrollsystemet på overflaten eller sikkerhetsventilen («Blow Out Preventer», BOP). Etter at brønnen er boret blir overflatetrykkontrollen tilveiebragt av et juletre som er installert på toppen av brønnhodet. A wellhead is primarily used as the suspension point and pressure seals for the casing strings stretched from the bottom of the tophole sections to the surface pressure control system or blow out preventer (BOP). After the well is drilled, surface pressure control is provided by a Christmas tree installed on top of the wellhead.

Et stigerør er koblet på toppen av sikkerhetsventilen (BOP) og huset er på sin side koblet til brønnhodeforingen ved hjelp av sveising. Når et stigerør er koblet til toppen av BOP'en skaper det et svært høyt bøyemoment på koblingsoverflaten til den nedre delen av brønnhodehuset og den øvre delen av foringen, dvs. ved det sveisede sammenføyningsområdet. A riser is connected on top of the safety valve (BOP) and the casing is in turn connected to the wellhead casing by welding. When a riser is connected to the top of the BOP it creates a very high bending moment at the connection surface of the lower part of the wellhead housing and the upper part of the casing, ie at the welded joint area.

I en undersjøisk boreoperasjon er designkriteriet at sveisen bør tåle i det minste 500 dager med et stigerør tilkoblet. Det skal bemerkes at når brønnen er i produksjon er et stigerør kun tilkoblet under overhalingsoperasjonene. Sikkerhetsfaktoren er satt svært strengt av reguleringen til 10. Derfor må tilkoblingen av brønnhodehuset og brønnhodeforingen tåle belastning i 5000 dagers drift med et stigerør tilkoblet. In a subsea drilling operation, the design criterion is that the weld should withstand at least 500 days with a riser connected. It should be noted that when the well is in production, a riser is only connected during the overhaul operations. The safety factor is set very strictly by the regulation at 10. Therefore, the connection of the wellhead housing and the wellhead liner must withstand stress for 5000 days of operation with a riser connected.

Et hvilket som helst brudd i sveisen mellom brønnhodehuset og foringen vil føre til utblåsning, og det vil være liten mulighet for å forsegle brønnen, i det minste ikke uten å måtte pumpe store mengder av betong ned i brønnen og derved stenge brønnen permanent. Derfor er det sveisede området mellom foringen og huset sannsynligvis det mest kritiske og sårbare området i hele sammenstillingen. Any break in the weld between the wellhead housing and the liner will lead to blowout, and there will be little chance of sealing the well, at least not without having to pump large amounts of concrete into the well and thereby permanently close the well. Therefore, the welded area between the liner and the housing is probably the most critical and vulnerable area in the entire assembly.

I et konvensjonelt brønnhode er foringene også koblet tilbake til brønnhodet for å redusere risikoen for brudd i tilkoblingen og å opprettholde trykkintegriteten. In a conventional wellhead, the liners are also connected back to the wellhead to reduce the risk of breakage in the connection and to maintain pressure integrity.

For å kunne unngå en slik sveiset kobling har man tenkt på å lage foringen og huset som en struktur i én del. Dette vil unngå problemet, men en slik struktur vil kreve spesielt kjørings- og installasjonsutstyr og prosesser og er derved ikke anvendelig i de eksisterende systemene. In order to avoid such a welded connection, it has been thought of to make the liner and the housing as a structure in one part. This will avoid the problem, but such a structure will require special driving and installation equipment and processes and is therefore not applicable in the existing systems.

US patent 6,196,323 viser en løsning for å opprettholde trykkintegriteten ved å tilveiebringe et brønnhodesystem som innbefatter et brønnhodehus, en overflateforing og ett eller fler suksessive forlengingsrør uten behovet for å bruke en foringsstreng, noe som derved reduserer lasten på systemet. US patent 6,196,323 shows a solution for maintaining pressure integrity by providing a wellhead system that includes a wellhead housing, a surface casing and one or more successive extension pipes without the need to use a casing string, thereby reducing the load on the system.

Imidlertid er spørsmålet om å motstå kraftig bøyemoment på det sveisede området av sammenføyningen mellom hus og foring under stigerørsoperasjon og materialtretthet i det sveisede sammenføyningsområdet fortsatt et problem. However, the issue of resisting heavy bending moment on the welded area of the casing-liner joint during riser operation and material fatigue in the welded joint area remains a problem.

Foreliggende oppfinnelse søker å løse dette problemet ved å tilveiebringe en unik utforming av brønnhodehuset. The present invention seeks to solve this problem by providing a unique design of the wellhead housing.

OPPFINNELSENS FORMÅL PURPOSE OF THE INVENTION

Det fremste formålet med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en brønnhodesammenstilling som er i stand til å redusere The primary object of the present invention is to provide a wellhead assembly capable of reducing

bøyemomentet/belastningen som oppleves på dens sveisede sammenføyningsområde. the bending moment/load experienced at its welded joint area.

Det er enda et formål med oppfinnelsen å bruke mindre mengde av smidd materiale til å fremstille brønnhodehuset uten å påvirke dets styrke og stabilitet. Det er et videre formål med oppfinnelsen å redusere risikoen for utblåsning av brønnhodet under stigerørsoperasjon. It is a further object of the invention to use less amount of forged material to manufacture the wellhead housing without affecting its strength and stability. It is a further purpose of the invention to reduce the risk of blowout of the wellhead during riser operation.

Det er enda et videre formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en brønnhodesammenstilling som er i overensstemmelse med det myndighetspålagte kriterium og sikkerhetsstandard for offshore-brønner. It is yet another object of the invention to provide a wellhead assembly which is in accordance with the criteria and safety standard imposed by the authorities for offshore wells.

OPPSUMMERING AV OPPFINNELSEN SUMMARY OF THE INVENTION

Den foreliggende oppfinnelse tilfredsstiller de ovenfornevnte formålene med en brønnhodesammenstilling for undersjøiske brønner som innbefatter et brønnhodehus som er festet til en foring, der huset er fast festet til foringen ved å sveise langs den øvre delen av sistnevnte i en sveisesone, hvori den nedre delen av brønnhodehuset har et område med en redusert tykkelse i en avstand fra sveisesonen, slik at det oppnås fleksibilitet og bøyekrefter påført brønnhodehuset under stigerørsoperasjoner reduseres. The present invention satisfies the above-mentioned purposes with a wellhead assembly for subsea wells which includes a wellhead housing which is attached to a casing, where the housing is firmly attached to the casing by welding along the upper part of the latter in a welding zone, in which the lower part of the wellhead housing has an area of reduced thickness at a distance from the weld zone, so that flexibility is achieved and bending forces applied to the wellhead casing during riser operations are reduced.

Derved er redusert materialtretthet på sveisesonen oppnådd og dermed en lenger forventet levetid av brønnhodesammenstillingen. Thereby, reduced material fatigue in the welding zone has been achieved and thus a longer expected lifetime of the wellhead assembly.

Ved å oppnå reduksjonen i tykkelse ved å redusere den ytre diameteren av brønnhodehuset i sonen opprettholdes et kontinuerlig ringformet borehull. By achieving the reduction in thickness by reducing the outer diameter of the wellhead casing in the zone, a continuous annular borehole is maintained.

Dersom brønnhodehuset er laget av smidd materiale som har en høyere utmattingsstyrke enn sveisesonen, kan det sikres at bøyingen kan bli absorbert uten uforholdsmessig materialtretthet. If the wellhead housing is made of forged material that has a higher fatigue strength than the weld zone, it can be ensured that the bending can be absorbed without disproportionate material fatigue.

Dersom sammenstillingen er tilpasset til å tåle i det minste 5000 dager med stigerørstilkobling under boring, komplettering eller overhalingsoperasjoner, vil de myndighetspålagte kravene møtes. If the assembly is adapted to withstand at least 5,000 days of riser connection during drilling, completion or overhaul operations, the requirements imposed by the authorities will be met.

Oppfinnelsen møter også de ovenfornevnte formålene ved hjelp av et brønnhodehus for en undersjøisk brønnhodesammenstilling, tilpasset å festes til en foring, der huset (1) er sikret til en foring ved å sveise langs den øvre delen av sistnevnte i en sveisesone, hvori den nedre delen av brønnhodehuset har et område med en redusert tykkelse i en avstand fra sveisesonen, slik at det oppnås fleksibilitet og bøyekrefter påført brønnhodehuset under stigerørsoperasjoner reduseres.. The invention also meets the above-mentioned objects by means of a wellhead housing for a subsea wellhead assembly, adapted to be attached to a casing, where the housing (1) is secured to a casing by welding along the upper part of the latter in a welding zone, in which the lower part of the wellhead housing has an area with a reduced thickness at a distance from the weld zone, so that flexibility is achieved and bending forces applied to the wellhead housing during riser operations are reduced..

KORTFATTET BESKRIVELSE AV TEGNINGENE BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

En mer detaljert og ikke-begrensende beskrivelse av noen eksempeltjenende utførelsesformer er gitt i det følgende med henvisning til tegningene, hvori, A more detailed and non-limiting description of some exemplary embodiments is given below with reference to the drawings, in which,

Figur 1 er et utsnitt av brønnhodesammenstillingen i en kompletteringstilstand som viser de forskjellige delene som de eksisterer med dagens løsninger. Figur 1 A er et forklarende utsnitt av brønnhodesammenstillingen som viser de forskjellige delene uten komplettering som de eksisterer med dagens løsninger. Figur 2 er et utsnitt av den forbedrede brønnhodesammenstillingen i henhold til foreliggende oppfinnelse. Figure 1 is a section of the wellhead assembly in a completed state showing the various parts as they exist with current solutions. Figure 1 A is an explanatory section of the wellhead assembly showing the various parts without completion as they exist with current solutions. Figure 2 is a section of the improved wellhead assembly according to the present invention.

DETALJERT BESKRIVELSE AV OPPFINNELSEN DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Den foreliggende oppfinnelse har blitt beskrevet under henvisning til en foretrukket utførelsesform og tegninger med det formål at det skal være forståelig. The present invention has been described with reference to a preferred embodiment and drawings with the aim that it should be understandable.

Den medfølgende figur 1 viser et utsnitt av en brønnhodesammenstilling med dens interne komponenter i komplettert stadium som de eksisterer med dagens løsninger. Et brønnhodehus 1 mottas inne i et lederør 2. Lederøret 2 har på sin øvre del en mottagende del 3 designet til å motta og låse den nedre delen av brønnhodehuset 1. Sammenføyningen mellom brønnhodehuset 1 og borerøret 2 er sikret av en fastspenningsanordning 4. En foring 7 har blitt satt inn i lederøret 2 og er sementert på plass i brønnen. Et produksjonsrør 6 er satt inn i brønnhodehuset og strekker seg inn i foringen 7. Et stigerør (ikke vist) kan festes til toppen av brønnhodehuset 1 for å tilveiebringe brønntilgang fra havoverflaten. Under produksjon blir et juletre installert på toppen av brønnhodet som har det strømningskontrollerende utstyret slik som isolasjonsventiler og reduksjonsutstyr for å kontrollere strømningen av brønnvæsker under produksjon. De andre tilhørende delene av en brønnhodesammenstilling er utelatt fra figuren for forenklingens skyld da de er velkjent i tidligere kjent teknikk, og er ikke gjort i den hensikt å begrense. The accompanying Figure 1 shows a section of a wellhead assembly with its internal components in the completed stage as they exist with today's solutions. A wellhead casing 1 is received inside a guide pipe 2. The guide pipe 2 has on its upper part a receiving part 3 designed to receive and lock the lower part of the wellhead casing 1. The joint between the wellhead casing 1 and the drill pipe 2 is secured by a clamping device 4. A liner 7 has been inserted into the guide pipe 2 and is cemented in place in the well. A production pipe 6 is inserted into the wellhead housing and extends into the casing 7. A riser pipe (not shown) can be attached to the top of the wellhead housing 1 to provide well access from the sea surface. During production, a Christmas tree is installed on top of the wellhead that has the flow controlling equipment such as isolation valves and reducers to control the flow of well fluids during production. The other associated parts of a wellhead assembly are omitted from the figure for the sake of simplicity as they are well known in the prior art, and are not intended to be limiting.

Den nedre delen av brønnhodehuset 1 er sveiset til toppen av foringen 7 med en sveis 8. Når et stigerør er koblet til toppen av brønnhodehuset 1, skaper det et svært høyt bøyemoment på den nedre delen av huset 1 og den øvre delen av foringen 7 under overhalingsoperasjoner. The lower part of the wellhead housing 1 is welded to the top of the casing 7 with a weld 8. When a riser is connected to the top of the wellhead housing 1, it creates a very high bending moment on the lower part of the housing 1 and the upper part of the casing 7 below overhaul operations.

Figur 1A er et annet utsnitt av brønnhodesammenstillingen som viser de forskjellige delene uten brønnkomplettering som de eksisterer med dagens løsninger. Like henvisningstall henviser til like deler av utførelsesformen som drøftet med hensyn på den ovenfornevnte figuren for å gjøre det enkelt å forstå. Figure 1A is another section of the wellhead assembly showing the various parts without well completion as they exist with current solutions. Like reference numerals refer to like parts of the embodiment as discussed with respect to the above figure for ease of understanding.

Under overhalingsoperasjonen opplever det sveisede området 8 av tidligere kjent teknikk, som drøftet, kraftig bøyebelastning og moment når et stigerør er koblet til toppen av brønnhodet på grunn av dets forskjellige bevegelser som et resultat av de bølgef rem kalte bevegelsene av overhalingsfartøyet på overflaten, som den øvre delen av stigerøret er koblet til. Derfor er det en potensiell risiko for at en slik sveiset sammenføyning ryker på grunn av materialtretthet, noe som resulterer i en utblåsning. During the overhaul operation, the prior art welded area 8, as discussed, experiences heavy bending stress and moment when a riser is connected to the top of the wellhead due to its various movements as a result of the wave-like movements of the overhaul vessel on the surface, which the the upper part of the riser is connected. Therefore, there is a potential risk of such a welded joint rupturing due to material fatigue, resulting in a blowout.

Oppfinnerne av den foreliggende oppfinnelse har kommet frem til en unik løsning på dette problemet som i stor grad reduserer slik risiko. Oppfinnelsen søker å redusere det resulterende bøyemoment som oppleves av den sveisede sammenføyningen 8 av huset 1 og foringen 7. The inventors of the present invention have arrived at a unique solution to this problem which greatly reduces such risk. The invention seeks to reduce the resulting bending moment experienced by the welded joint 8 of the housing 1 and the liner 7.

For å kunne oppnå et slikt resultat, søker oppfinnelsen å flytte absorpsjonssonen til bøyemomentene vekk fra den sveisede sammenføyningen 8 mellom huset 1 og foringen 7. In order to achieve such a result, the invention seeks to move the absorption zone of the bending moments away from the welded joint 8 between the housing 1 and the lining 7.

Brønnhodehuset 1 er laget av smidd materiale som er relativt mykt og bøyelig, og dets fleksibilitet og materialtretthetskarakteristikker er derfor relativt bedre enn foringen 7. Dette tilveiebringer en unik mulighet til å tilveiebringe mer fleksibilitet i den nedre enden av huset 1. Som illustrert i figur 2, som illustrerer et utsnitt av oppfinnelsens brønnhodesammenstilling som kreves i foreliggende redegjørelse, blir dette gjort ved å redusere diameteren til brønnhodehuset ved den nedre enden derav i en sone 3' en avstand vekk fra det sveisede området mellom huset og foringen, noe som derved lager en sone 3' med en redusert stivhet sammenlignet med det sveisede området 8. I dette konseptet blir sonen 3' mer fleksibel. Da denne sonen 3' er inne i det relativt bøyelige brønnhodehuset 1 kan det tåle flere bøyesykluser uten for stor utmatting. Løsningen er derfor å redusere veggtykkelsen i den nedre delen av huset 1 i en sone 3' en avstand vekk fra det sveisede området 8. Denne utformingen gir brønnhodehuset 1 forbedret fleksibilitet til å tåle økt bøyemoment. Den reduserte tykkelsen av huset hjelper til å forflytte bøyemomentet til den mottagende delen 3 av Iederøret2, slik at mer moment blir absorbert av lederøret 2 og mindre blir overført til den sveisede sonen 8. The wellhead housing 1 is made of forged material which is relatively soft and pliable, and its flexibility and material fatigue characteristics are therefore relatively better than the liner 7. This provides a unique opportunity to provide more flexibility in the lower end of the housing 1. As illustrated in Figure 2 , which illustrates a section of the wellhead assembly of the invention as required in the present disclosure, this is done by reducing the diameter of the wellhead housing at the lower end thereof in a zone 3' a distance away from the welded area between the housing and the casing, thereby creating a zone 3' with a reduced stiffness compared to the welded area 8. In this concept, zone 3' becomes more flexible. As this zone 3' is inside the relatively flexible wellhead housing 1, it can withstand several bending cycles without excessive fatigue. The solution is therefore to reduce the wall thickness in the lower part of the housing 1 in a zone 3' a distance away from the welded area 8. This design gives the wellhead housing 1 improved flexibility to withstand increased bending moment. The reduced thickness of the housing helps to transfer the bending moment to the receiving part 3 of the guide tube 2, so that more moment is absorbed by the guide tube 2 and less is transferred to the welded zone 8.

Fortrinnsvis blir veggtykkelsen i sonen 3' redusert ved kun å redusere den ytre diameteren til huset, for slik å opprettholde et ringformet borehull inne i foringen og huset så jevnt som mulig. Preferably, the wall thickness in the zone 3' is reduced by only reducing the outer diameter of the housing, so as to maintain an annular borehole inside the liner and the housing as evenly as possible.

Tykkelsen av den indre diameteren av brønnhodehuset 1 kan reduseres med en andel av den normale diameteren av brønnhodehuselementet for å kunne gjøre det lettere å oppnå slik fleksibilitet. The thickness of the inner diameter of the wellhead housing 1 can be reduced by a proportion of the normal diameter of the wellhead housing element in order to make it easier to achieve such flexibility.

Det er funnet at en proporsjonal reduksjon av diameteren til huset gjør sammenstillingen i stand til å utvise bedre fleksibilitet, uten å påvirke styrken og stabiliteten til det smidde materialet sammenlignet med eksisterende sammenstillinger. It has been found that a proportional reduction of the diameter of the housing enables the assembly to exhibit better flexibility, without affecting the strength and stability of the forged material compared to existing assemblies.

Oppfinnelsen har blitt beskrevet ved hjelp av en foretrukket utførelsesform og atskillige forandringer og modifikasjoner kan gjøres uten å avvike fra ånden og rekkevidden av oppfinnelsen som beskrevet ovenfor og som definert i de vedlagte krav. The invention has been described by means of a preferred embodiment and numerous changes and modifications can be made without deviating from the spirit and scope of the invention as described above and as defined in the appended claims.

Claims

1. A wellhead assembly for subsea wells, which includes a wellhead housing (1) which is firmly attached to a casing (2) by welding along the upper part of the latter in a welding zone (8), characterized in that the lower part of the wellhead housing (1) has an area (3') with a reduced thickness at a distance from the welding zone (8), so that flexibility is achieved and that bending forces applied to the wellhead housing (1) during riser operations are reduced.

2. The wellhead assembly according to claim 1, characterized in that the reduction in thickness is achieved by reducing the outer diameter of the wellhead housing (1) in the zone (3').

3. The wellhead assembly according to claims 1 to 2, characterized in that the wellhead housing is made of forged material which has a higher fatigue strength than the welding zone (8).

4. The wellhead assembly according to claims 1 to 3, characterized in that the assembly is adapted to withstand at least 5,000 days of riser connection during drilling, completion or overhaul operations.

5. A wellhead housing for a subsea wellhead assembly, adapted to be fixed to a casing (2) by welding along the upper part of the latter in a welding zone (8), characterized in that the lower part of the wellhead housing (1) has an area (3' ) with a reduced thickness at a distance from the welding zone (8), so that flexibility is achieved and bending forces applied to the wellhead housing (1) during riser operations are reduced.

6. The wellhead housing according to claim 5, characterized in that the reduction in thickness is achieved by reducing the outer diameter of the wellhead housing (1) in the zone (3').

7. The wellhead housing according to any one of claims 5 to 6, characterized in that the wellhead housing is made of forged material which has a higher fatigue strength than the welding zone (8).

8. The wellhead housing according to any one of claims 5 to 7, characterized in that the housing is adapted to withstand at least 5000 days of riser connection during drilling, completion or overhaul operations.