BRPI0719347A2

BRPI0719347A2 - Sistema de controle hidrostático de linha de controle minimamente sensível.

Info

Publication number: BRPI0719347A2
Application number: BRPI0719347-5A
Authority: BR
Inventors: David Z Anderson; Edward W Welch; Alan N Wagner; Darren E Bane; Cliff Beall
Original assignee: Baker Hughes Inc
Priority date: 2006-12-05
Filing date: 2007-11-13
Publication date: 2014-02-11
Also published as: GB2456450A; GB0908183D0; GB2456450B; EP2094939A1; CA2670135C; NO340228B1; US7552774B2; WO2008070409A1; BRPI0719347B1; EP2094939B1; AU2007329632A1; NO20092040L; CA2670135A1; AU2007329632B2; ATE523655T1; US20080128137A1

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMA DE CONTROLE HIDROSTÁTICO DA LINHA DE CONTROLE MINIMAMENTE SENSÍVEL".

CAMPO DA INVENÇÃO A presente invenção refere-se a sistemas de controle para válvu-

las de furo descendente e mais particularmente para válvulas de segurança de subsuperfície onde o sistema é insensível à pressão da tubulação. ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Válvulas de segurança de subsuperfície são usadas em poços para isolá-los na eventualidade de uma condição descontrolada para garantir a segurança do pessoal na superfície e impedir danos à propriedade e polui- ção. Tipicamente, essas válvulas compreendem um batente, que é o ele- mento de fechamento e é articuladamente montado para girar 90 graus entre uma posição aberta e uma fechada. Um tubo oco chamado um tubo de fluxo é acionado descendentemente contra o batente para girá-lo para uma posi- ção atrás do tubo e para fora da sua sede. Essa é a posição aberta. Quando o tubo de fluxo é retraído, o batente é impulsionado por uma mola montada na sua haste pivô para girar para a posição fechada contra uma sede simi- larmente formada.

O tubo de fluxo é operado por um sistema de controle hidráulico

que inclui uma linha de controle da superfície para um lado de um pistão. O aumento da pressão na linha de controle move o pistão em uma direção e muda o tubo de fluxo com ele. Esse movimento ocorre contra uma mola de fechamento que é geralmente dimensionada para compensar a pressão hi- drostática na linha de controle, perdas de atrito nas vedações do pistão e o peso dos componentes a serem movidos em uma direção oposta para mu- dar o tubo de fluxo para cima e para longe do batente, de modo que o baten- te possa fechar.

Normalmente, é desejável ter o batente indo para uma posição fechada na eventualidade dos modos de falha no sistema de controle hidráu- lico e durante a operação normal na perda ou remoção da pressão da linha de controle. A necessidade de satisfazer as exigências do modo normal e de falha em um sistema de controle insensível à pressão da tubulação, particu- larmente em uma aplicação de válvula de segurança de colocação profunda, era um desafio no passado. Os resultados representam uma variedade de abordagens que adicionaram complexidade ao projeto incluindo aspectos para garantir que a posição segura contra falhas seja obtida a despeito de quais vedações vazam. Alguns desses sistemas têm camadas de pistões- piloto e vários reservatórios de gás pressurizados enquanto outros exigem múltiplas linhas de controle da superfície em parte para compensar a pres- são proveniente da pressão hidrostática da linha de controle. Alguns exem- pios recentes desses esforços podem ser observados em USP 6.427.778 e 6.109.351.

A despeito desses esforços, um sistema de controle insensível à pressão da tubulação para válvulas de segurança de colocação profunda que tinha maior simplicidade, melhor confiabilidade e menor custo de produ- ção permaneceu uma meta a ser atingida. A presente invenção proporciona um pistão de operação insensível à pressão da tubulação. Ele neutraliza as forças hidrostáticas na linha de controle até uma extensão significativa en- quanto levando uma linha de controle única para a superfície. Ele provê um volume de gás comprimido de baixa pressão para permitir que o pistão se mova quando tal movimento reduz o volume de uma cavidade entre as ve- dações do pistão. Esses e outros aspectos da presente invenção se tornarão mais evidentes para aqueles versados na técnica a partir de uma revisão da descrição da modalidade preferida e do desenho associado do sistema de controle, enquanto reconhecendo que o escopo completo da invenção deve ser encontrado nas reivindicações. SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Um sistema de controle para uma ferramenta de furo descen- dente, tal como uma válvula de segurança de subsuperfície, apresenta um pistão de operação que é insensível à pressão da tubulação na válvula. As forças hidrostáticas da linha de controle única provenientes da superfície são significativamente reduzidas com uma linha de ramificação para o fundo de um pistão que é ligeiramente menor do que o topo do pistão. Um volume variável entre as vedações do pistão é conectada em um reservatório de fluido compressível de baixa pressão para permitir o nrwimento do pistão. O pistão pode ser modular para facilitar a montagem ou ^compensações de furo no corpo da válvula. O fechamento seguro contra faltes com as falhas da vedação é considerado.

BREVE DESCRIÇÃO DO DESENHO

A figura 1 é um diagrama do sistema e s<petrmático do sistema de

controle.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA MODALIDADE PREFERIDA A presente invenção pode ser usada coibiboi um sistema de con-

trole para uma válvula de segurança de subsuperfííde! (JSSSV) ou, no que diz respeito ao assunto, outros tipos de ferramentas de Hjro descendente que são hidraulicamente operados a partir da superfície, ^eeiralmente através de uma linha de controle 10. Em uma aplicação de SSSW,; o» componente final é um batente 12 que é aberto sendo empurrado por umra Iubo de fluxo 14 que se move contra a orientação de uma mola de força UiBL Desde que a presen- te invenção tenha aplicações além de SSSVs, qualquer referência ao tubo de fluxo é planejada para genericamente se referir a crnna parte de uma fer- ramenta que é acionada por um conjunto de pislãoi II® de um sistema de controle. Desde que aqueles versados na técnica estejam bem cientes dos componentes comuns das SSSVs, eles são omittóos 'do desenho para per- mitir maior clareza no entendimento da operação do stestema de controle. Por exemplo, é bem conhecido que o batente 12 na poisrao mostrada na figura 1 está na posição fechada contra uma sede que ciTCuineüa uma passagem em um alojamento de válvula. Essa passagem fica expc stea à pressão da tubula- ção interna enquanto estando isolada da pressão na Enilna de controle 10. O tubo de fluxo 14 e partes do conjunto de pistão 18 fícsoi similarmente expos- tos à pressão da tubulação na passagem. Soments Jma porção do aloja- mento de válvula adjacente ao conjunto do pistão 18 sêitmiostrada por clareza. Com isso como uma introdução, pode siewoibservado que o alo-

jamento superior 20 fica justaposto em oposição a um alojamento inferior 22. Eles podem ser em uma peça ou duas peças que sia> conectadas. Existem furos espaçados opostos 24 e 26 que aceitam o conjunto de pistão 18. De preferência, os furos 24 e 26 ficam alinhados, mas algum desvio pode ser acomodado com um projeto modular do conjunto de pistão 18. Um conector 28 pode ser usado para conectar o pistão superior 30 no pistão inferior 32.

Devido aos canais nas extremidades do conector 28, o pistão superior 30 pode ser conectado no pistão inferior 32 com um desvio da linha central. Embora um projeto de pistão de haste seja preferido, outras formas de pis- tão são consideradas.

O pistão inferior 32 tem uma vedação 34 para definir uma tercei- ra câmara de volume variável 36. A linha de controle 10 tem uma ramifica- ção 38 conectada na conexão 40 na câmara 36 e uma ramificação 39 conec- tada na conexão 46. Elas formam uma junção 41 em proximidade com o alo- jamento superior 20. Opções existem quanto a como guiar a ramificação 38. Ela pode ser guiada, de modo que a conexão 40 fique exposta à pressão da tubulação que afeta o tubo de fluxo 14 e o batente 12, por exemplo. Opcio- nalmente, a ramificação 38 pode ser guiada fora do alojamento de válvula no espaço anular circundante. Dependendo de qual escolha é feita, existirão diferentes considerações quanto a como o sistema responde se um compo- nente falha, como será explicado abaixo. A modalidade preferida é para Ie- var a ramificação 38 para a conexão 40 ao longo de uma rota que tem expo- sição à pressão da tubulação ou pressão anelar com a pressão anelar prefe- rida para garantir modos desejados de falha na eventualidade de vazamen- to.

A pressão aplicada na linha de controle 10 passa através da ra- mificação 38 para a câmara 36 onde ela exercerá uma força de furo ascen- dente no pistão inferior 32. O pistão superior 30 tem uma vedação 42 que é de um diâmetro mais largo do que a vedação 34. O pistão superior 30 tem uma outra vedação 44 que é preferivelmente do mesmo ou muito próximo do mesmo tamanho que a vedação 34. Desde que ambas as vedações 44 e 34 fiquem no conjunto de pistão 18 e fiquem expostas em um lado à mesma pressão de tubulação, o conjunto de pistão 18 não experimenta força líquida pela exposição à pressão da tubulação e pode ser citada como uma pressão de tubulação insensível por essa razão. Entretanto, a vedação 42 é fabrica- da mais larga do que a vedação 34 por projeto, e ambas ficam expostas à pressão na linha de controle 10 e sua ramificação 38. Embora exista apenas uma única linha de controle 10 que passa da superfície que termina nas co- nexões 40 e 46, pode ser observado que a pressão hidrostática na linha de controle 10 é substancialmente compensada por essa disposição. Existe uma força líquida proveniente da pressão hidrostática na linha de controle 10 no conjunto de pistão 18 em uma direção de furo descendente igual à pres- são perto das conexões 40 e 46, que deve ser idêntica, dividida pela diferen- ça de área da vedação 34 subtraída da área da vedação 42. Naturalmente, na aplicação da pressão na linha de controle 10, a força líquida do furo des- cendente no conjunto de pistão 18 aumenta para superar a mola de força 16 para mudar o conjunto de pistão 18 até que o ressalto 48 no pistão inferior 32 engate o ressalto 50 no tubo de fluxo 14 para girar o batente 12 para a posição aberta.

No meio das vedações 42 e 44 está uma primeira câmara de volume variável 52 que fica menor à medida que o conjunto de pistão 18 é deslocado contra a mola 16. A fim de permitir que o conjunto de pistão 18 se mova nessa direção sem ficar confinado, a conexão 54 tem uma linha 56 levando para um reservatório 58 que é preferivelmente pelo menos 4 vezes o volume da câmara 52. A linha 56 continua para uma válvula 60 que fica normalmente fechada e cuja finalidade será explicada mais tarde. Além da válvula 60, a linha 56 se junta na linha de controle 10. O reservatório 58 está preferivelmente na pressão atmosférica ou em uma ligeiramente mais alta e contém um fluido compressível. Na operação normal, o movimento do con- junto de pistão 18 contra a mola 16 eleva ligeiramente a pressão no reserva- tório 58 para um grau relacionado com as razões de volume entre a câmara 52 e o reservatório 58, mas de forma alguma impedindo de maneira mensu- rável o movimento do conjunto de pistão 18. Se existe uma falha de vedação da vedação 34, alta pressão de

tubulação pode alcançar a câmara 36 e de lá através da conexão 40 e rami- ficação 38 até a conexão 46 e para dentro da câmara 62. Desde que a pres- são seja agora a mesma na terceira câmara 36 e segunda câmara 62 (isto é, pressão da tubulação), existiria uma força líquida de abertura no conjunto de pistão 18 devido ao diâmetro da vedação 42 ser maior do que o diâmetro da vedação 34 (que agora falhou). Sem a válvula 60 no sistema, o batente 12 poderia ser mantido aberto com a falha da vedação 34 ou, no que diz respei- to ao assunto, a falha das conexões 40 e 46. A válvula 60 detecta uma for- mação de pressão na linha 56 que ocorre devido à falha da vedação 34 e a pressão da tubulação migrando de tão longe através da ramificação 38. A válvula 60 pode ser um disco de ruptura ou um pistão mantido por um pino que cisalha ou qualquer outro dispositivo equivalente que abre em uma pressão predeterminada. Quando a válvula 60 abre, a pressão nas conexões 46 e 54 iguala removendo qualquer influência da pressão da tubulação no conjunto de pistão 18 que ocorreu devido à falha da vedação 34. Nesse pon- to, a mola 16 empurra o conjunto de pistão 18 para a posição fechada da válvula mostrada na figura 1. Desse ponto, o conjunto de pistão 18 não pode mais ser operado a partir da linha de controle 10 e o batente 12 fica na sua posição fechada segura contra falhas.

Aqueles versados na técnica verificarão que a presente invenção ilustra um sistema de controle de ferramenta de furo descendente que pode escoar uma única linha de controle a partir da superfície 10 e que é também configurado para tratar as extremidades opostas de um conjunto de pistão em uma maneira que minimiza o efeito da pressão hidrostática da linha de controle. Essa redução do efeito líquido da pressão hidrostática a despeito do uso de uma linha de controle única para a superfície permite o uso de uma pressão menor para mover o conjunto de pistão 18. Diâmetros diferen- tes das extremidades opostas do conjunto de pistão permitem que uma força de abertura líquida suficiente seja aplicada para mover o conjunto de pistão 18 contra a mola 16. O conjunto de pistão é insensível à pressão da tubula- ção que dramaticamente diminui a pressão de abertura requerida quando comparado com válvulas de segurança de subsuperfície convencionais. O movimento do conjunto de pistão 18 reduz o volume da câmara 52, mas com a adição de um reservatório de volume razoavelmente grande, a resistência ao movimento do efeito de compressão da redução do volume na câmara 52 fica insignificante pela presença do reservatório grande 58 que opera em uma pressão inicial que está perto da atmosférica. Com pressões de tubula- ção muito altas na ordem de 137.900 KPa (20.000 PSI) ou mais, as veda- ções 44 e 34 experimentam diferenciais de pressão razoavelmente grandes para ajudá-las a vedar mais efetivamente. A falha da vedação 34, conexão 40 ou conexão 46 abre a válvula 60 para igualar a pressão através da veda- ção 42 para deixar a mola 16 impelir o batente 12 para a posição fechada segura contra falha. Os furos do pistão 24 e 26 podem ter um mau alinha- mento que pode ser compensado fabricando o conjunto de pistão 18 modu- lar usando um conector 28 que tolera o desvio entre o pistão superior 30 e o pistão inferior 32.

A descrição acima é ilustrativa da modalidade preferida e de vá- rias alternativas e não é planejada para personificar o escopo mais amplo da invenção, que é determinado a partir das reivindicações anexas abaixo e apropriadamente fornecido o seu escopo completo literal e equivalentemen- te.

Claims

1. Sistema de controle para uma válvula de furo descendente operada a partir da superfície, compreendendo: um alojamento tendo um furo vazado para conter a pressão da tubulação e um elemento de válvula nele, um conjunto de pistão, em uma parede que forma o dito aloja- mento, tendo uma extremidade superior e uma inferior e operativamente co- nectado ao dito elemento de válvula, uma primeira conexão no dito alojamento em comunicação de fluido com a dita extremidade superior do dito conjunto de pistão e uma se- gunda conexão no dito alojamento em comunicação de fluido com a dita ex- tremidade inferior do dito conjunto de pistão, uma passagem entre as ditas primeira e segunda conexões para prover forças de desvio no dito conjunto de pistão a partir da pressão na dita passagem.

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, no qual: as ditas extremidades superior e inferior do dito conjunto de pis- tão têm diâmetros diferentes.

3. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, no qual: o dito conjunto de pistão fica disposto nos furos opostos e espa- çados superior e inferior e também compreende uma vedação de furo supe- rior e uma vedação de furo inferior expostas à pressão da tubulação.

4. Sistema, de acordo com a reivindicação 3, no qual: as ditas vedações de furo superior e inferior expostas à pressão da tubulação são substancialmente da mesma dimensão, tornando o dito conjunto de pistão insensível à pressão da tubulação.

5. Sistema, de acordo com a reivindicação 4, no qual: o dito conjunto de pistão compreende uma vedação de pressão da linha de controle no dito furo superior tendo uma dimensão maior do que a dita vedação do furo superior.

6. Sistema, de acordo com a reivindicação 5, no qual: a dita vedação de pressão da linha de controle e a dita vedação do furo superior definem uma primeira câmara de volume variável no dito furo superior, a dita primeira câmara de volume variável contendo um fluido compressível.

7. Sistema, de acordo com a reivindicação 6, no qual: a dita primeira câmara de volume variável em comunicação de fluido com um reservatório maior.

8. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, no qual: o dito reservatório opera pelo menos na pressão atmosférica.

9. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, no qual: a dita vedação de pressão da linha de controle define uma se- gunda câmara de volume variável no dito furo superior acessada através da dita primeira conexão, a dita vedação de furo inferior define uma terceira câmara de volume variável no dito furo inferior acessada pela dita segunda conexão.

10. Sistema, de acordo com a reivindicação 9, no qual: o dito reservatório fica em comunicação de fluxo seletivo com a dita passagem.

11. Sistema, de acordo com a reivindicação 10, no qual: a dita comunicação de fluxo seletivo entre o dito reservatório e a dita passagem compreende uma válvula normalmente fechada sensível à pressão.

12. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, no qual: a dita válvula normalmente fechada compreende um disco de ruptura.

13. Sistema, de acordo com a reivindicação 12, no qual: o dito conjunto de pistão compreende duas partes unidas por um conector que pode acomodar o mau alinhamento dos ditos furos.

14. Sistema, de acordo com a reivindicação 13, no qual: o dito conjunto de pistão é operativamente engatado, entre os ditos furos espaçados, em um tubo de fluxo orientado que é operativamente conectado ao dito elemento de válvula que compreende um batente.

15. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, também compre- endendo: uma linha de controle única proveniente da superfície conectada na dita passagem.

16. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, no qual: a dita passagem fica pelo menos em parte exposta à pressão no dito furo vazado.

17. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, no qual: a dita passagem se estende substancialmente na dita parede do dito alojamento.

18. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, no qual: o dito reservatório é pelo menos tão grande quanto o volume da dita primeira câmara de volume variável.

19. Sistema, de acordo com a reivindicação 9, no qual: a falha da dita vedação do furo inferior coloca o dito conjunto de pistão em uma posição onde o dito elemento de válvula é fechado.

20. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, no qual: a falha da dita vedação do furo inferior ou dita primeira ou se- gunda conexão pressuriza a dita passagem e abre a dita válvula normalmen- te fechada sensível à pressão.