BR112014003453B1

BR112014003453B1 - sistema atuador compensado à pressão insensível à pressão da tubulação e método para reduzir os requisitos de força de um atuador em ambiente de fundo de poço

Info

Publication number: BR112014003453B1
Application number: BR112014003453-2A
Authority: BR
Inventors: James T. Sloan; Ronald J. Garr; Robert McDaniel; Don A. Hopmann; David E. Schneider
Original assignee: Baker Hughes Incorporated
Priority date: 2011-08-16
Filing date: 2012-08-03
Publication date: 2021-03-09
Also published as: US9133687B2; AU2012295401A1; EP2744974B8; EP2744974A2; WO2013025368A2; EP2744974A4; DK2744974T3; CA2844516C; AU2012295401B2; BR112014003453A2; CN103732852A; CN103732852B; WO2013025368A3; CA2844516A1; EP2744974B1; MY185201A; US20130043039A1

Abstract

ATUADOR COMPENSADO Á PRESSÃO, INSENSÍVEL À PRESSÃO DA TUBULAÇÃO, PARA UMA FERRAMENTA DE FUNDO DE POÇO E MÉTODO. A presente invenção refere-se a um atuador compensado à pressão insensível à pressão da tubulação incluindo um alojamento tendo um furo. Um transmissor de força selavelmente móvel dentro do furo. O transmissor de força definindo, junto com o furo, duas câmaras de fluído. As duas câmaras de fluído se comunicando fluidicamente, uma em cada extremidade do transmissor de força. Um ativador em uma ou ambas câmaras de fluído, e operativamente conectado com o transmissor de força. Pelo menos dois selos selavelmente posicionados entre o alojamento e o transmissor de força. Um dos selos disposto perto de uma extremidade do transmissor de força e o outro disposto perto da outra extremidade do transmissor de força. Um pistão de compensação separado disposto no alojamento de modo a expor uma extremidade do pistão de compensação à pressão da tubulação e expor a outra extremidade do pistão de compensação ao volume de fluído incluindo as câmaras de fluído. Também sendo incluído um método para reduzir os requisitos de força de um atuador.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA AO(S) PEDIDO(S) DE PATENTE RELACIONADO(S)

[0001] Este Pedido de Patente reivindica os benefícios do Pedidode Patente US No 13/ 210999 depositado em 16 de Agosto de 2011 e incorporado nesta por referência em sua integralidade.

ANTECEDENTES

[0002] A atuação de ferramentas de fundo de poço na indústria deperfuração e completação é onipresente. Muitas operações no ambiente de fundo de poço requerem o uso de ferramentas que correm no furo em uma primeira posição para serem atuadas posteriormente em uma segunda posição. Há muitos modos para atuar tais ferramentas, por pressão hidráulica, mecânica, elétrica, etc.. Muitas das ferramentas atuais que são usadas são configuradas para superar a pressão da tubulação. Isto porque a pressão da tubulação atua contra um componente, tal como um pistão, contra qual um atuador opera para atuar a ferramenta. Nesta situação, um ativador em tal sistema atuador não deve apenas gerar energia para mover a ferramenta, mas também superar a pressão da tubulação que atua contra o ativador, ao mesmo tempo. Tem sido feito um número de tentativas para isolar a pressão da tubulação, mas, contudo, sofrendo a fricção mecânica nos selos, que bloqueia a operação, assim como acrescenta um custo adicional aos sistemas para adquirir uma longevidade aceitável. A técnica, por conseguinte, contempla disposições alternativas, que reduzem a energia de ativação requerida, de modo a melhorar aspectos de confiabilidade e custo.

SUMÁRIO

[0003] Um sistema atuador compensado à pressão insensível àpressão da tubulação inclui uma tubulação tendo um furo, um transmissor de força selavelmente móvel dentro do furo, o transmissor de força definindo, junto com o furo duas câmaras de fluído que se comunicam fluidicamente, uma em cada extremidade longitudinal do transmissor de força, um ativador, em uma ou ambas câmaras de fluído, operativamente conectado ao transmissor de força, pelo menos dois selos selavelmente posicionados entre o alojamento e o transmissor de força, um dos selos disposto perto de uma extremidade do transmissor de força e o outro selo disposto perto da outra extremidade do transmissor de força, e um pistão de compensação separado disposto no alojamento, de modo a expor uma extremidade do pistão de compensação à pressão da tubulação, de modo a expor a outra extremidade do pistão de compensação a um volume de fluído, incluindo as câmaras de fluído.

[0004] Um sistema atuador compensado à pressão insensível àpressão da tubulação para uma válvula elétrica de segurança de controle de superfície inclui um alojamento de válvula de segurança subssuperficial suportando um tubo de fluxo, uma chapeleta, e uma mola de retorno, o alojamento tendo um furo transmissor de força, um transmissor de força selavelmente móvel dentro do furo o transmissor de força definindo junto com o furo duas câmaras de fluído, que se comunicam fluidicamente, uma em cada extremidade longitudinal do transmissor de força, um ativador em uma ou nas duas câmaras de fluído e operativamente conectado ao transmissor de força pelo menos dois selos selavelmente posicionados entre o alojamento e o transmissor de força, um deles perto do transmissor de força e outro selo perto da outra extremidade do transmissor de força, e um pistão de compensação separado disposto no alojamento, de modo a expor uma extremidade do pistão de compensação à pressão de tubulação, e expor a outra extremidade do pistão de compensação a um volume de fluído, incluindo as câmaras de fluído.

[0005] Um método para reduzir os requisitos de força de umatuador em um ambiente de fundo de poço incluindo: selar um transmissor de força em um alojamento, para isolar as extremidades do transmissor da força da pressão da tubulação em uso, as respectivas extremidades em comunicação com as câmaras de fluído fluidicamente conectadas entre si; aplicar a pressão da tubulação a um fluído nas câmaras de fluído; e iniciar um ativador para impulsionar o transmissor de força em uma direção comensurável com ativação de uma ferramenta de fundo de poço, o ativador gerando uma força suficiente para ativar uma ferramenta de fundo de poço além de superar a pressão de tubulação.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0006] Referindo-se agora aos desenhos, onde os mesmoselementos recebem a mesma numeração nas diversas figuras.

[0007] as Figuras 1 a 4 são vistas em seção transversal alongadade um sistema de atuação compensada insensível à pressão da tubulação.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0008] Referindo-se às Figuras 1 a 4 simultaneamente, umaconfiguração de um sistema de atuação compensada à pressão insensível à pressão da tubulação 10 é ilustrada. O sistema inclui um alojamento 12 configurado nesta configuração com um subcilindro estendido 14 e alojamento de pistão 16. O alojamento 12 inclui um furo 18 de um transmissor de força 20, ilustrado com o pistão de haste. O transmissor de força, posicionado dentro do furo 18, efetivamente cria duas câmaras de fluído 19, 21 um em cada extremidade dotransmissor de força. As câmaras são de volume variável, provido pelo movimento de translação do transmissor de força no furo 18. O transmissor de força inclui um canal que se estende para acoplar fluidicamente a câmara 19 à câmara 21. Isto impede mudanças de pressão de fluído em qualquer extremidade do transmissor de força a partir do movimento de translação. O transmissor de força 10 suporta um selo 22 em uma extremidade e o selo 24 na outra extremidade. O transmissor de força 20 pode quer suportar o selo que desliza no furo, ou o furo pode suportar o selo, e o selo, então, desliza no transmissor de força 20. O furo 18 é mais longo que o transmissor de força 20 para permitir a translação do transmissor de força 20 dentro do furo 18. Os mancais 26 e 28 também são providos para suportar o movimento de translação do transmissor de força em uso. Embora os mancais 26, 28 não necessariamente estejam nas posições representadas na Figura 2, eles ajudam convenientemente a identificar uma abertura 30, através da qual um interengate 32 a partir do transmissor de força 20 se estende em contato com o tubo de fluxo 34. Esta abertura 30 também provê a insensibilidade à pressão de tubulação, uma vez que a pressão da tubulação é aplicada igual em módulo e em direção oposta aos selos 22 e 24. O iinterengate 32 garante que o tubo de fluxo se mova com o transmissor de força 20 pelo menos em uma primeira direção. Na configuração da ilustração, o tubo de fluxo faz que o transmissor de força se mova junto com ele e na direção oposta. Em uma configuração, a primeira direção é a direção que abre a chapeleta 36 (Figura 4) de uma válvula de segurança. A direção oposta é a direção do movimento do tubo de fluxo 34 sob a ação de uma mola de retorno (Figura 3). Deve ser notado que os componentes ilustrados nas Figuras 1 a 4, especificamente relacionados auma válvula de segurança, correspondem a uma configuração de ferramenta que se beneficia do sistema atuador compensado à pressão e insensível à pressão da tubulação são bem conhecidos por aqueles versados na técnica e, por conseguinte não serão descritos.

[0009] Voltando para o sistema de atuação 10 e com respeito àFigura 3; deve ser notado que o furo 18 é fluidicamente conectado ao furo 40, por uma extremidade do mesmo, via um subsistema de comunicação fluída 42. O subsistema 42, em uma configuração, compreende um conector 44 selado ao furo 18 e o conector 44 é conectado ao furo 40. Os conectores 44 são conectados entre si por meio de um dispositivo de comunicação fluída 46 ilustrado nesta configuração como linha de controle. Nesta configuração, a linha de controle pode ser facilmente formada para envolver o tubo de fluxo 34 e prover a necessária comunicação fluída entre os furos 18 e 40. A invenção não deve ser construída de modo a ser limitada à linha de controle, uma vez que outros meios de condução poderiam ser usados, provendo que sejam capazes de conduzir o fluído pressurizado entre os furos 18 e 40.

[00010] Passando para a Figura 2, deve ser apreciado que dentro do furo 40 é posicionado um pistão de compensação 48, deslizavelmente selado no furo 40. O furo 40 é aberto para a pressão de tubulação em algum lugar ao longo do furo 40 que permite o posicionamento do pistão de compensação 48 entre a abertura 50 e o conector 44, onde o furo 40 conecta o subssistema 42. Isto permite a translação do pistão de compensação 48 dentro do furo 40 para compensar a pressão do fluído em um lado do pistão de compensação oposto ao lado do pistão de compensação, que é exposto à pressão de tubulação.

[00011] Na configuração descrita e na configuração mostrada, um ativador elétrico ou mecânico 52 disposto em uma ou ambas as câmaras 19 e 21 (19 como ilustrada) é conectado ao transmissor de força 20 pela conexão 54. Esta conexão pode ser um fuso roscado ou outra conexão mecânica (por exemplo, motor ou solenoide). Os ativadores precisam gerar apenas uma força suficiente para atuar a ferramenta, sem precisar superar a pressão de tubulação. Mais especificamente, no caso da válvula de sedal subssuperficial, como ilustrado, a força gerada precisa ser suficiente apenas para comprimir a mola de força 38, e girar a chapeleta 36 (provavelmente contra a força da mola de retorno), que é uma força significativamente menor que aquela que seria necessária se a pressão de tubulação também tivesse que ser superada. Em adição, uma vez o fluído dielétrico (por exemplo, óleo, em alguns casos ar, se admitida compressibilidade, em uma aplicação específica) nos furos 18 e 40 sendo compensado à pressão pela ação de um pistão de compensação 48, há uma pequena pressão dinâmica (se alguma) através dos selos 22 e 24, daí reduzindo a fricção, que, de outra forma, teria que ser superada. Outro benefício reside no fato de ser provida uma duração estendida aos selos, em razão de não haver um diferencial de pressão apreciável entre eles.

[00012] Embora uma ou mais configurações tenham sido mostradas e descritas na presente invenção, um número de modificações e substituições poderá ser introduzido à mesma, sem sair do espírito e escopo da mesma. Portanto, deve ser bem entendido que a presente invenção foi apresentada por meio de ilustração e sem limitação.

Claims

1. Sistema atuador compensado à pressão insensível à pressão da tubulação (10) compreendendo: - um alojamento (12) tendo um furo (18) no mesmo; - um transmissor de força (20) selavelmente móvel dentro do furo (18), o transmissor de força (20) definindo junto com o furo (18) duas câmaras de fluído (19, 21), as duas câmaras de fluído (19, 21) se comunicando fluidicamente uma com a outra, uma em cada extremidade longitudinal do transmissor de força (20); - um ativador (52) em cada uma ou ambas as duas câmaras de fluído (19, 21) e operativamente conectado ao transmissor de força (20); - pelo menos dois selos (22, 24) selavelmente posicionados entre o alojamento (12) e o transmissor de força (20), um dos selos (22) disposto próximo de uma extremidade do transmissor de força (20) e outro dos selos (24) disposto próximo da outra extremidade do transmissor de força (20); e caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: - um pistão de compensação (48) separado disposto no alojamento (12) de modo a expor uma extremidade do pistão de compensação (48) à pressão da tubulação e a expor a outra extremidade do pistão de compensação (48) a um volume de fluído, incluindo as câmaras de fluído (19, 21).

2. Sistema (10), como reivindicado na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um alojamento (12) é um alojamento (12) de uma válvula de segurança subssuperficial.

3. Sistema (10), de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que o ativador (52) é mecânico.

4. Sistema (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o ativador (52) é, pelo menos parcialmente, elétrico.

5. Sistema (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o pistão de compensação (48) se desloca em paralelo para um eixo do alojamento (12).

6. Sistema (10), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o pistão de compensação (48) é fluidicamente conectado às câmaras de fluído (19, 21) através de um subsistema de comunicação fluída (42).

7. Sistema (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o transmissor de força (20) inclui uma interengrenagem (32) com um tubo de fluxo (34).

8. Sistema (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o transmissor de força (20) inclui um canal (23) que se estende axialmente de uma extremidade do transmissor de força (20) para a extremidade oposta do transmissor de força (20) através do transmissor de força (20), daí permitindo uma comunicação fluída de uma câmara de fluído (19) em uma extremidade do transmissor de força (20) para uma câmara de fluído (21) na outra extremidade do transmissor de força (20), através do transmissor de força (20).

9. Sistema (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o alojamento (12) adicionalmente contém um fluído isolado do fluído do furo de poço.

10. Sistema (10), de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o fluído é um fluído dielétrico.

11. Sistema (10), de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o fluído dielétrico é ar.

12. Sistema (10), de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o ativador (52) está em comunicação mecânica com o transmissor de força (20).

13. Sistema (10), de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o ativador (52) é um motor e fuso roscado.

14. Sistema (10) de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o ativador (52) é um solenoide.

15. Sistema (10) atuador compensado à pressão insensível à pressão da tubulação para uma válvula elétrica de segurança controlada de superfície compreendendo: - um alojamento (12) de válvula de segurança subssuperficial suportando um tubo de fluxo, uma chapeleta e uma mola de retorno, o alojamento (12) tendo um furo transmissor de força (20) no mesmo; - um transmissor de força (20) selavelmente móvel dentro do furo, o transmissor de força (20) definindo, junto com o furo, duas câmaras de fluído (19, 21) que se comunicam fluidicamente uma com a outra, uma em cada extremidade longitudinal do transmissor de força (20); - um ativador (52) em uma ou ambas as duas câmaras de fluído (19, 21) e operativamente conectado ao transmissor de força (20); - pelo menos dois selos (22, 24) selavelmente posicionados entre o alojamento (12) e o transmissor de força (20), um dos selos (22) disposto próximo de uma extremidade do transmissor de força (20) e o outro dos selos (24) disposto próximo da outra extremidade do transmissor de força (20); ecaracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: - um pistão de compensação (48) separado disposto no alojamento (12), de modo a expor uma extremidade do pistão de compensação (48) à pressão da tubulação e expor a outra extremidade do pistão de compensação (48) a um volume de fluído, incluindo as câmaras de fluído (19, 21).

16. Método para reduzir os requisitos de força de um atuador em ambiente de fundo de poço caracterizado pelo fato de que compreende: selar o transmissor de força (20) no alojamento (12) para isolar as extremidades do transmissor de força (20) da pressão de tubulação durante uso, as respectivas extremidades se comunicando fluidicamente com as câmaras de fluído (19, 21) fluidicamenteconectadas entre si;aplicar a pressão da tubulação ao fluído nas câmaras de fluído (19, 21); e iniciar um ativador (52) para impulsionar o transmissor de força (20) em uma direção comensurável com a ativação da ferramenta de fundo de poço, o ativador (52) gerando uma força suficiente para ativar a ferramenta de fundo de poço além de superar a pressão da tubulação.