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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur oberirdischen
Steuerung eines unterirdischen Sicherheitsventils, das im Steigrohr
eines Bohrlochs eingesetzt ist. Das Bohrloch kann ein Bohrloch an
Land oder im Meeresboden sein, und im letzteren Fall erfolgt die
Steuerung von der Oberfläche
des Meeresbodens aus. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren
zum Erkennen eines undichten Stellglieds einer solchen Vorrichtung.
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Die
Druckschrift
GB 2 362 407 zeigt
eine Vorrichtung zur oberirdischen Steuerung eines unterirdischen
Sicherheitsventils mit einem hydraulischen Stellglied zum Öffnen des
unterirdischen Sicherheitsventils, einer Steuerleitung zur Versorgung
des Stellglieds mit Hydraulikflüssigkeit
sowie Steuerventilmittel zum Steuern der Zufuhr von Hydraulikflüssigkeit zur
Steuerleitung. Das Stellglied ist als doppelt wirkender Hydraulikzylinder
ausgebildet, wobei durch Beaufschlagen eines ersten Zylinderraums
mit Druck das unterirdische Sicherheitsventil geöffnet wird. In diesem Fall
ist der andere zweite Zylinderraum mit einem Auslass verbunden.
Zum Schließen
des unterirdischen Sicherheitsventils wird der Kolben des doppelt
wirkenden Hydraulikzylinders mittels eines Schwimmers in die Ausgangsposition
bewegt, wobei beide Zylinderräume
mit dem Auslass verbunden sind. Somit wird bei jedem Schaltvorgang
Hydraulikflüssigkeit
in Richtung der Auslassöffnung
geführt.
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Oberflächengesteuerte
unterirdische Sicherheitsventile (Surface Controlled Subsurface
Safety Valves, nachfolgend SCSSV genannt) werden normalerweise inner halb
des Steigrohrs eines Bohrlochs in einer Tiefe zwischen 200 und 600
ft. (etwa 60–180 Meter)
unterhalb des Bohrlochkopfes eingesetzt. 1 zeigt in schematischer Form eine bekannte Vorrichtung
zur Steuerung eines SCSSV im Steigrohr eines unterseeischen Bohrlochs.
Diese bekannte Vorrichtung umfasst ein Stellglied 1, ein
Steuerungssystem 2, das an einem Bohrlochaufbau (well tree) 4 auf
der Oberfläche
des Meeresbodens oberhalb des Bohrlochkopfes positioniert ist, sowie
eine einzelne Steuerleitung 3, typischerweise eine ¼-Zoll-
(0,64 cm) Hydraulikleitung, die vom Steuerungssystem 2 durch
den Bohrlochaufbau 4 mit Steigrohr-Gehänge und entlang des (nicht-dargestellten)
Steigrohrs zum Stellglied 1 verläuft. Das Stellglied 1 wird
zum Öffnen angesteuert,
indem der Steuerleitungseingang zu einem unter Innendruck stehenden
Hydraulikversorgung 5 für
das Steuerungssystem 2 geschaltet wird, und geschlossen,
indem der Hydraulikdruck in der Leitung durch Verbinden der Steuerleitung 3 mit
einem hydraulischen Rücklaufsystem 6 reduziert
wird. Diese Umschaltfunktion wird durch ein elektrisch gesteuertes
Wegeventil (Directional Control Valve (DCV)) 7 ausgeführt. Ein
Drucksensor 8 ist vorgesehen, um den Druck in der Steuerleitung 3 zu überwachen.
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Das
Schaltvolumen des SCSSV-Stellgliedes 1 in solchen Systemen
liegt typischerweise bei einigen wenigen Kubikzoll (etwa 20 ccm)
Hydraulikflüssigkeit,
was bedeutet, dass eine geringe Flüssigkeitsbewegung in der Hydrauliksteuerleitung
vorliegt, wenn das Stellglied betätigt wird. Die Betätigung des SCSSV
kommt auch sehr selten vor, wobei das Sicherheits-Stellglied kontinuierlich
mit Druck beaufschlagt wird, um das SCSSV in der geöffneten
Position zu halten. Dies bedeutet, dass die Hydraulikflüssigkeit
in der Hydrauliksteuerleitung 3 normalerweise recht unbewegt
bleibt.
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Ein
Dichtungsversagen innerhalb des SCSSV kann zur Folge haben, dass
Flüssigkeiten und
Gase aus dem Bohrloch in die Steuerleitung 3 des Hydraulikreservoirs
gelangen. Wenn diese Flüssigkeiten
und Gase aus dem Bohrloch Fluide auf Kohlenwasserstoffbasis sind,
wie dies in einer Ölbohranlage
der Fall ist, besteht die Möglichkeit,
dass gasförmige
oder flüssige
Kohlenwasserstoffe die Steuerleitung 3 zum Steuerungssystem 2 hinaufwandern
und von dort über
das Wegeventil in andere Hydrauliksysteme des Bohrlochkopf-Steuerungssystems
gelangen. Da Kohlenwasserstoffe korrosiv und schädlich für den Betrieb eines Steuerungssystems sein
kön nen,
hat dies in der Vergangenheit zu Situationen geführt, in denen verunreinigte
Hydraulikflüssigkeit
große
Schäden
an oft sehr teuren Systemkomponenten verursacht hat.
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Aufgrund
der einzelnen Steuerleitung 3 und der niedrigen Betätigungsvolumina
der Hydraulikflüssigkeit
ist es weder möglich,
die verunreinigte Hydraulikflüssigkeit
aus der Steuerleitung des in 1 gezeigten
Systems zu spülen,
noch die Hydraulikflüssigkeit
in der Leitung zu ersetzen, während
das SCSSV in Betrieb ist.
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Eine
Lösung
für dieses
Problem, das durch verunreinigte Hydraulikflüssigkeit verursacht wird, besteht
darin, eine zweite Hydraulikleitung als Auslassleitung bereitzustellen,
um ein Herausspülen
der verunreinigten Hydraulikflüssigkeit
aus dem System zu ermöglichen.
Eine solche bekannte Vorrichtung ist schematisch in 2 dargestellt,
bei der die gleichen Bezugszeichen der 1 für die Teile
in dieser Figur verwendet werden, die den Teilen der 1 gleichen oder
diesen Teilen entsprechen. Bei dieser Vorrichtung ist eine Auslassleitung 9 an
ihrem einen Ende durch ein T-Rohrverbindungsstück 10 nächst dem Stellglied 1 an
die zuführende
Steuerleitung 3 angeschlossen und an ihrem anderen Ende
mit einem zweiten elektrisch gesteuerten Wegeventil 11 verbunden.
Das Wegeventil 11 kann die Auslassleitung 9 von
einer Absperrposition in eine Öffnungsposition und
umgekehrt umschalten. In der Öffnungsposition ist
die Auslassleitung 9 über
das Wegeventil 11 mit einer Auslassöffnung 12 verbunden.
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Für einen
normalen Betrieb des Stellgliedes 1 ist die Auslassleitung 9 zur
Auslassöffnung 12 hin abgesperrt
und das Öffnen
und Schließen
des SCSSV erfolgt durch das Wegeventil 7, um den Hydraulikdruck
in der Steuerleitung 3 in der gleichen Weise wie in 1 zu
steuern. Wenn jedoch das System gespült werden soll, wird das Wegeventil 7 so
eingestellt, dass es eingangsseitig mit der unter Druck stehenden
Hydraulikversorgung verbunden ist, während das Wegeventil 11 so
eingestellt wird, dass es die Auslassleitung 9 mit der
Auslassöffnung 12 verbindet,
so dass die Hydraulikflüssigkeit
von der Hydraulikversorgung über
das Wegeventil 7, die Steuerlei tung 3, das T-Verbindungsstück 10,
die Auslassleitung 9 und das Wegeventil 11 zur
Auslassöftnung 12 fließt.
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Wenn
der Betrieb des Stellgliedes 1 nicht gestört werden
soll, ist es bei der in 2 dargestellten Vorrichtung
beim Spülen
des Systems wichtig, dass genügend
Hydraulikdruck am Stellglied 1 aufrecht erhalten wird,
um sicherzustellen, dass der Betrieb des SCSSV nicht aufhört – wobei
der Minimaldruck eine Funktion des Rohrleitungs(Bohrloch-)drucks
ist. Wenn der Versorgungsdruck während
des Spülbetriebs
(durch den Flüssigkeitsstrom)
unter diesen Minimaldruck fällt,
besteht immer die Gefahr, dass eine nicht gewollte Schließung des
SCSSV erfolgt. Um zu verhindern, dass der Versorgungsdruck unter
einen vorbestimmten Mindestpegel abfällt, kann es somit erforderlich
sein, ein Reduzierstück 13 zu
verwenden, das typischerweise an demjenigen Ausgang des Wegeventils 11 montiert
wird, der zur Auslassöffnung 12 führt. Ein
Drucksensor 14 wird zur Drucküberwachung in der Auslassleitung 9 bereitgestellt.
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Bei
dieser Vorrichtung besteht jedoch zwischen den Spülvorgängen immer
noch die Möglichkeit,
dass kohlenwasserstoffhaltige Verunreinigungen das Wegeventil 7 erreichen
und möglicherweise Schäden am Steuerungssystem
verursachen.
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Erfindungsgemäß wird eine
Vorrichtung zur oberirdischen Steuerung eines unterirdischen Sicherheitsventils
vorgeschlagen, das im Steigrohr eines Bohrlochs eingesetzt ist,
wobei die Vorrichtung ein hydraulisches Stellglied zum Öffnen des
unterirdischen Sicherheitsventils, eine Steuerleitung zur Versorgung
des Stellgliedes mit hydraulischer Steuerflüssigkeit, Steuerventilmittel
zum Steuern der Zufuhr von Hydraulikflüssigkeit zur Steuerleitung
und ein Rückschlagventil
im Verlauf der Steuerleitung zwischen dem Stellglied und den Steuerventilmitteln
umfasst, um Verunreinigungen, die beim Stellglied in die Hydraulikflüssigkeit
eindringen, zu begrenzen und diese daran zu hindern, die Steuerventilmittel
durch Hinaufwandern in der Steuerleitung zu erreichen, sowie Auslassmittel
für die
Hydraulikflüssigkeit,
die mit dem Stellglied und der Steuerleitung verbunden sind, um
ein Herausspülen
von Flüssigkeit
aus der Steuerleitung zu ermöglichen.
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Eine
solche Konfiguration ermöglicht
es, die Hydraulikflüssigkeit
bei Schließung
des SCSSV abfließen
zu lassen, wodurch ein Teil der Flüssigkeit in der Steuerleitung
während
des normalen Schließvorgangs
des Ventils ersetzt wird. Sie bewirkt darüber hinaus, dass jegliche gasförmige oder
flüssige
Kohlenwasserstoffe, die in das System eindringen, zu einer dafür vorgesehenen
Auslassöffnung
wandern, anstatt zum Steuerungssystem zurückzuwandern. Optional kann
die Vorrichtung darüber
hinaus Mittel umfassen, um die Fließrate zu begrenzen, mit der
die Hydraulikflüssigkeit
aus der Auslassleitung abgelassen wird, so dass während des
Herausspülens
der Flüssigkeit über die
Steuerleitung genügend
Hydraulikdruck für
den Betrieb des Stellgliedes aufrecht erhalten wird. Eine solche
Konfiguration erlaubt es, während
des normalen Betriebs Hydraulikflüssigkeit aus dem Stellglied
herauszuspülen,
ohne dass ein versehentliches Schließen des SCSSV erfolgt, wie zuvor
beschrieben.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung wird nachstehend beispielhaft unter Bezugnahme auf
die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei
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1 und 2 wie
oben beschrieben, schematische Darstellungen von bekannten Vorrichtungen
zur Steuerung von SCSSV-Stellgliedern sind und
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3 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zur
oberirdischen Steuerung eines unterirdischen Sicherheitsventils
zeigt, wobei jene Teile, die gleich sind oder mit den Teilen der
bekannten Anordnungen korrespondieren, mit den gleichen Bezugsziffern
versehen sind.
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Die
in 3 gezeigte Vorrichtung umfasst ein Stellglied 1 zur
Betätigung
eines (nicht-dargestellten) SCSSV, erste Steuerventilmittel in Form
eines Wegeventils 7 sowie eine Steuerleitung 3 für Hydraulikflüssigkeit,
um unter Druck stehende Hydraulik-Steuerflüssigkeit von einer Hydraulikversorgung 5 über das
Wegeventil 7 zum Stellglied 1 zu führen. Das
Wegeventil 7 ist auch mit einem hydraulischen Rücklaufsystem 6 gekoppelt
und kann somit die Verbindung zur Steuerleitung 3 zwischen
der Hydraulikversorgung 5 und dem Rücklaufsystem 6 schalten. Ein
Rückschlagventil 15 ist
in der Steuerleitung 3 für die Hydraulikflüssigkeit
in Richtung desjenigen Endes der Leitung, an dem das Stellglied 1 vorgesehen ist,
eingebaut. Ein Ende einer Auslassleitung 9 ist durch ein
T-Verbindungsstück 10 zwischen
dem Rückschlagventil 15 und
dem Stellglied 1 mit der Steuerleitung 3 verbunden,
während
ihr anderes Ende mit einem zweiten Wegeventil 11 verbunden
ist, das wiederum einen Austrittsanschluss aufweist, der mit einer
Auslassöffnung 12 verbunden
ist. Das T-Verbindungsstück 10 sollte
so nahe wie möglich
an dem Stellglied 1 angeordnet sein. Wenn das Stellglied
jedoch zwei Anschlüsse
hat, die mit dessen Steuerkammer verbunden sind, kann der Ausgang des
Rückschlagventils 15 direkt
mit dem einen Anschluss und die Auslassleitung 9 direkt
mit dem anderen Anschluss verbunden werden.
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Die
Vorrichtung umfasst darüber
hinaus Drucksensoren 8 und 14, um das Druckniveau
in der Steuerleitung 3 bzw. das der Auslassleitung 9 zu überwachen,
wobei die Steuerleitung 3 auch mit einem Abscheider 16 versehen
ist, das vor dem Rückschlagventil 15 eingebaut
ist.
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Der
Steuerungsvorgang des Stellgliedes 1 ähnelt dem der bekannten Anordnung
in 2. In der vorliegenden Anordnung wird jedoch durch
das Rückschlagventil 15 in
der Steuerleitung 3 verunreinigte Flüssigkeit daran gehindert, vom
Stellglied 1 entlang der Steuerleitung 3 zurückzuwandern
und die Hydraulikversorgung zu verunreinigen. Dieses Rückschlagventil
kann von beliebiger Bauart sein. Beispielsweise kann ein federbelastetes
Kugelventil zum Einsatz kommen, das eine Feder oder andere elastische
Bauteile umfasst, die das Ventil in Richtung einer geschlossenen
Position vorspannen, wobei die Vorspannung überwunden wird, wenn in Strömungsrichtung
betrachtet, der Flüssigkeitsdruck
vor dem Ventil größer als
die Vorspannung und der Flüssigkeitsdruck
hinter dem Ventil ist. Der Abscheider 16 dient dazu, bestimmte
Verunreinigungen in der Hydraulikflüssigkeit zurückzuhalten,
wodurch verhindert wird, dass sie in das Stellglied 1 eindringen.
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Ein
typischer Durchspülvorgang
der Vorrichtung kann wie folgt ausgeführt werden. Bei geöffneten
Wegeventil 11 (d.h. in der auf „Auslass" gestellten Position) wird das Wegeventil 7 auf
die Position „Hydraulikversorgung" gestellt, so dass
Hydraulikflüssigkeit über das
Wegeventil 11 und das Rückschlagventil 15 zum
Stellglied 1 fließen
kann, wodurch Gase und verunreinigte Hydraulikflüssigkeit über das Wegeventil 11 zur
Auslassöftnung
abfließen.
Das Öffnen des
Wegeventils 11 in der „Auslass"-Position
verursacht auch, dass das Stellglied 1 schließt, es sei denn,
der Steuerdruck ist ausreichend hoch und der Flüssigkeitsstrom ausreichend
begrenzt (z.B. durch Verwendung eines Reduzierstücks 13, wie in der
Anordnung nach 2), so dass genügend Druck
in der Steuerkammer des Stellgliedes 1 aufrecht erhalten wird.
Nach ausreichender Durchspülung
des Systems wird das Wegeventil 11 in die Absperrposition gesetzt
(d.h. weg von der Position „Auslass" 12), wodurch
das hydraulische Stellglied 1 das SCSSV öffnet.
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Während des
normalen Steuerungsbetriebs, wenn das Lösen des Stellgliedes 1 erforderlich
ist, um das Sicherheits-SCSSV zu schließen, wird das Wegeventil 7 auf
das hydraulische Rücklaufsystem 6 umgeschaltet
(d.h. die Verbindung zur Hydraulikversorgung 5 wird unterbrochen),
worauf das Wegeventil 11 auf „Auslass" umgeschaltet wird, wodurch Gase und
verunreinigte Hydraulikflüssigkeit
durch die Auslassleitung herausgespült werden. Nur ein kleiner
Teil der Flüssigkeit,
etwa 2 Kubikzoll (etwa 30 bis 35 ccm), wird auf diese Weise bei
jeder Betätigung
dem Auslass zugeführt,
im Vergleich zu etwa 400 Kubikzoll (etwa 6550 ccm) in der Steuerleitung.
Aus diesem Grund sollte das T-Verbindungsstück so nah wie möglich am
Stellglied angeordnet sein. Ein gegabeltes Rohrverbindungsstück könnte ebenfalls
verwendet werden, bei dem ein einziger im Innern aufgeteilter Anschluss
mit dem Stellglied-Steueranschluss und
separaten Anschlüssen
für die
Steuer- und die Auslassleitung verbunden ist, wobei jedoch vorzugsweise
ein Stellglied mit zwei Anschlüssen
verwendet wird, das über
separate Steuer- und Auslassanschlüsse verfügt. Bei Verwendung des letztgenannten
wird die Kammer des Stellgliedes durch den normalen Ventilbetrieb
von Verunreinigungen befreit.
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Somit
wird in der gezeigten Ausführung
bei jeder Betätigung
des Stellgliedes 1 das Stellglied-Hydrauliksystems etwas
gespült,
was dazu beiträgt, dass
ein Anwachsen von unbewegter und verunreinigter Hydraulikflüssigkeit
vermieden wird. Bei Versagen des Rückschlagventils funktioniert
das Stellglied 1 immer noch normal, obwohl die Vorteile,
die verhindern, dass Verunreinigungen die Steuerleitung zurückwandern,
nicht mehr bestehen.
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Wie
oben erläutert,
kann ein Reduzierstück 13 im
Auslassstrom, wie in 2 gezeigt, vorgesehen sein,
wobei dann die Betriebsart „Durchspülen" wie folgt modifiziert
würde.
Bei geöffneten
Wegeventil 11 (d.h. in der Auslass-Position) wird das Wegeventil 7 auf
die Position „Hydraulikreservoir" gestellt, so dass
Hydraulikflüssigkeit über den
Abscheider 16 und das Rückschlagventil 15 zum
Stellglied 1 fließen kann,
wodurch Gase und verunreinigte Hydraulikflüssigkeit über das Wegeventil 11 zur
Auslassöffnung 12 abfließen. Aufgrund
des Vorhandenseins des Reduzierstücks 13 reduziert der
Durchspülprozess
den Druck nicht so sehr, dass das Stellglied 1 veranlasst wird,
zu schließen,
sondern es hält
den Steuerdruck so hoch, dass das Stellglied 1 das SCSSV
offen hält. Nach
ausreichendem Durchspülen
des Systems wird das Wegeventil 11 in die Absperrposition
gesetzt (d.h. nicht auf Auslass). Sollte das System zu einem späteren Zeitpunkt
noch weiter durchgespült
werden müssen,
kann dies ohne die Schließung
des SCSSV erfolgen, indem das Wegeventil 11 einfach wieder
in die geöffnete
Position gebracht wird. Wenn ein Lösen des Stellgliedes erforderlich
ist, um das Sicherheits-SCSSV zu schließen, wird das Wegeventil 7 auf das
hydraulische Rücklaufsystem 6 umgeschaltet (d.h.
die Verbindung zur Hydraulikversorgung 5 wird unterbrochen),
worauf das Wegeventil 11 auf „Auslass" umgeschaltet wird, wodurch Gase und
verunreinigte Hydraulikflüssigkeit
durch die Auslassleitung zur Auslassöffnung gespült werden.
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Die
Steuerleitung ist mit dem hydraulischen Rücklaufsystem 6 verbunden,
um Druck in der Steuerleitung 3 abzulassen. Wenn dies nicht
geschieht, besteht das Risiko, dass Restdruck in der Leitung (die
sich unter dem Hydrauliksteuerdruck ausgedehnt hat) das SCSSV betätigt, insbesondere
wenn sich ein Reduzierstück 13 im
Verlauf der Auslassleitung befindet. Das Wegeventil 7 stellt
zusammen mit dem Rückschlagventil 15 eine
Trennung zwischen dem SCSSV-Hydrauliksystem und dem Rest des Hydrauliksystems
her und bewirkt einen Druckabbau in der Steuerleitung, wie vorstehend
erläutert
ist.
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Der
Einbau eines Rückschlagventils
ermöglicht
die Überwachung
des Druckes in der Auslassleitung mit einem Drucksensor 14,
um ein undichtes Stellglied zu erkennen. Nachdem das SCSSV durch Schalten
des Wegeventils 7 zum Rücklaufsystem 6 und
des Wegeventils 11 zur Auslassöffnung 12 geschlossen
worden ist, sollte das darauffolgende Zurückschalten des Wegeventils 11 zur
Absperrposition zur Folge haben, dass der Druck in der Auslassleitung
konstant bleibt. Wenn jedoch festgestellt wird, dass der Druck ansteigt,
würde dies
auf ein undichtes Stellglied hindeuten, welches ein Eindringen von Flüssigkeit
und Gasen aus dem Bohrloch ermöglicht, die
wegen des Rückschlagventils 15 und
des geschlossenen Wegeventils 11 nicht entweichen können und
einen Druckanstieg verursachen. Die Drucküberwachung kann durch eine
Beobachtung durch den Menschen oder durch Überwachungsinstrumente erfolgen.
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Die
vorstehende Beschreibung erläutert
in groben Zügen
die vorliegende Erfindung, ohne sie einzuschränken. Es versteht sich, dass
Variationen und Modifikationen, die der durchschnittliche Fachmann
dieses Bereichs der Technik erkennen kann, implizit im Umfang dieser
Anmeldung und der folgenden Patente enthalten sein sollen. Obwohl
beispielsweise die Erfindung unter Bezugnahme auf ein elektro-hydraulisches
Untersee-Steuerungssystem (mit einem elektrisch gesteuerten Wegeventil
und hydraulisch gesteuertem Stellglied 1) und einer Meeresbodenanlage
beschrieben wird, sind die Prinzipien und Konzepte genauso gut auf
ein direktes Hydrauliksteuerungssystem oder ein Bohrloch an Land
anwendbar.
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Darüber hinaus
könnten
auch andere Steuermittel als die dargestellten Wegeventile verwendet werden.
Anstelle von zwei Wegeventilen wäre
auch die Verwendung eines 3-Wege-Ventils möglich.
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- 1
- Stellglied
- 2
- Steuerungssystem
- 3
- Steuerleitung
- 4
- Bohrlochaufbau
- 5
- Hydraulikversorgung
- 6
- hydraulisches
Rücklaufsystem
- 7
- Wegeventil
- 8
- Drucksensor
- 9
- Auslassleitung
- 10
- T-Verbindungsstück
- 11
- Wegeventil
- 12
- Auslassöffnung
- 13
- Reduzierstück
- 14
- Drucksensor
- 15
- Rückschlagventil
- 16
- Abscheider