-
Diese
Erfindung betrifft Stellvorrichtungen zur Bewegung von Lasten, z.
B. Stellvorrichtungen für
unterseeische Bohrloch-Drosseln.
-
Derartige
Stellvorrichtungen werden normalerweise in unterseeischen Umgebungen
eingesetzt, um eine Steuerung von Drosseln in Bohrloch-Fluidfördersystemen
zu schaffen. Derartige Drosseln steuern den Fluidfluss in das oder
aus dem Bohrloch. Üblicherweise
sind solche Drosseln einfache AN/AUS-Vorrichtungen gewesen, die lediglich
die Leitung geöffnet
oder geschlossen haben. In letzter Zeit hat ein Bedarf an variabler
Strömungssteuerung bestanden,
im Allgemeinen an einer begrenzten Anzahl von Strömungssteuerungsabstufungen.
Die Steuerung muss ausreichend genau sein, um Drücke zwischen verschiedenen
Fluidquellen, die ein Bohrloch versorgen, oder innerhalb einer Vielzahl
von Verzweigungen eines Bohrloches auszugleichen. Weiterhin muss
der Stellmechanismus bei Stromausfall oder im Notfall selbstverriegelnd
in Position zu gehen.
-
Herkömmlicherweise
ist eine kolbenartige Hydraulikstellvorrichtung verwendet worden.
Ein Problem, das mit solchen Stellvorrichtungen in Verbindung gebracht
werden kann, besteht darin, dass die mittels des hydraulischen Antriebs
erreichbaren Stufenstellungen relativ grob bezüglich ihrer Genauigkeit sein
können.
Weiterhin hat diese Art von Stellvorrichtung keine ihr innewohnende
Selbstverriegelungseigenschaft bei einem Stromausfall. Es ist vorgeschlagen
worden, einen elektrischen Reserve-Betrieb vorzusehen, der bei Stromausfall
die Leistungsabgabe der Stellvorrichtung in eine vorbestimmte Sicherheitsposition
erzwingt. Dies führte
typischerweise zur Hemmung eines weitergehenden Betriebs des primären Hydraulikantriebs
nach Einsatz des elektrischen Antriebs. Daher wurden solche Vorschläge gewöhnlich „als einmaliger
Notfall-Mechanismus" benutzt,
die eine teure Wiederbeschaffung und/oder manuelles Rücksetzen
der Stellvorrichtung nach Aufhebung des Notfalls erforderlich machten.
-
Lineare
Antriebsstellvorrichtungen mit den in Anspruch 1 vorgekennzeichneten
Merkmalen sind in der GB 2311838 (Baker Hughes Incorporated) und
EP 0799672 (Western Atlas
Inc.) enthalten.
-
Die
Erfindung stellt eine Stellvorrichtung zur Bewegung einer Last bereit,
mit einem Ausgabebereich, der angeordnet ist, an der Last anzugreifen, und
mit einer ersten und zweiten Drehmotoreinrichtung, wobei die Stellvorrichtung
derart angeordnet ist, dass in einer ersten Betriebsart die erste
Drehmotoreinrichtung den Ausgabebereich in eine lineare Bewegung
mittels einer ersten Schraubverbindung versetzt, und in einer zweiten
Betriebsart die zweite Drehmotoreinrichtung den Ausgabebereich mittels einer
zweiten Schraubverbindung in lineare Bewegung versetzt, wobei die
erste und zweite Drehmotoreinrichtung eine Rotation um eine zur
Richtung der linearen Bewegung parallele Achse erzeugen, und die erste
und zweite Drehmotoreinrichtung unabhängig voneinander betätigt werden
können,
um eine Bewegung des Ausgabebereichs zu bewirken.
-
Die
Bereitstellung von Schraubverbindungen ermöglicht eine allmähliche lineare
Bewegung, die auf die Ausgabe weitergeleitet wird, um eine genauere
Positionssteuerung der Last zu ermöglichen. Die Bereitstellung
von zwei Drehmotoreinrichtungen erlaubt die kontinuierliche Leistung
der Stellvorrichtung im Falle eines Ausfalls einer der Motoreinrichtungen.
-
Die
Erfindung wird insbesondere für
die Steuerung der Hülsen
von unterseeischen Drosselvorrichtungen angewendet.
-
Vorzugsweise
ist die Stellvorrichtung derart ausgebildet, dass in der ersten
Betriebsart die erste Schraubverbindung gegen ein von der zweiten Schraubverbindung
getragenes Zwischenglied getrieben wird. Auf diese Weise wird der
Ausgabebereich in lineare Bewegung versetzt.
-
Es
kann auch eine dritte Betriebsart vorhanden sein, in der das Ausgabemittel
durch Betätigen sowohl
der ersten als auch der zweiten Motoreinrichtung über deren
entsprechende Schraubverbindungen linear antreibbar ist. In dieser
Betriebsart wird auf den Ausgabebereich eine zusätzliche Kraft ausgeübt, und
sie ist deshalb für
den Notbetrieb geeignet.
-
Die
erste und zweite Schraubverbindung sind axial angeordnet, so dass
auf den Ausgabebereich die maximale Kraft weitergeleitet wird.
-
Eine
der Motoreinrichtungen kann elektrisch, die andere hydraulisch sein.
Alternativ können
beide Motoreinrichtungen hydraulisch oder elektrisch sein.
-
Eine
oder beide Motoreinrichtungen können zwei
Drehmotoren umfassen. In diesem Fall würde einer der Motoren angeordnet
sein, um die lineare Bewegung des Ausgabebereiches in eine erste
Richtung zu bewirken. Der andere Motor würde angeordnet sein, um die
lineare Bewegung des Ausgabebereichs in eine zweite Richtung zu
erzeugen.
-
Mindestens
eine der Schraubverbindungen kann eine Mutter aufweisen, die einen
Schlitten trägt. Die
Stellvorrichtung kann ebenfalls Führungen für den Schlitten beinhalten.
Mindestens eine der Schraubverbindungen kann so angeordnet sein,
um eine Keilwelle zu tragen.
-
Die
Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen
beschrieben, wobei
-
1 – eine Schnittansicht
einer gemäß der Erfindung
konstruierten Stellvorrichtung ist;
-
2 – eine Schnittansicht
einer gemäß einer
alternativen Ausführungsform
der Erfindung konstruierte Stellvorrichtung ist;
-
3 – eine Darstellung
mit teilweise schematischer Schnittansicht einer Drossel ist, die
durch die Vorrichtung von 1 oder 2 steuerbar
ist; und
-
4 – eine schematische
Darstellung ist, die eine Anordnung einer Stellvorrichtung gemäß 1 oder 2 zeigt,
die in einem unterseeischen Bohrloch eingesetzt ist.
-
Es
wurden in der gesamten Beschreibung die gleichen Bezugsnummern für gleiche
Teile verwendet.
-
Mit
Bezug auf die 1 umfasst die Stellvorrichtung,
die allgemein mit der Bezugsnummer 1 gekennzeichnet ist,
einen ersten Motor 2 und einen Ausgabebereich in Form einer
Stange 3. Die Ausgabestange 3 ist zum Beispiel
mit einer Hülse
einer Drossel verbindbar. Der Motor 2 ist angeordnet, um eine
axiale Bewegung auf die Ausgabestange 3 weiterzuleiten,
so dass die Drosselhülse
linear in eine gewünschte
Position bewegbar ist.
-
Gemäß der Erfindung
ist eine erste Schraubverbindung vorgesehen, die eine mit einem
Außengewinde
versehene Welle 4 umfasst, an der ein mit einem Innengewinde
versehenes Element 5 montiert ist. Das mit einem Innengewinde
versehene Element 5 ist in Gestalt einer reibungsarmen
Mutter 6, die einen Schlitten 7 trägt. Die
Welle 4 wird durch ein Lager 19 an einem Endabschnitt
und ein Lager (nicht gezeigt) an dem anderen Endabschnitt gehalten,
der innerhalb des Getriebes 8 des Motors 2 angeordnet
ist. Die Lager halten die Welle 4 in Position, während eine
Drehbewegung der Welle zugelassen wird. Der Motor 2 stellt
einen Drehantrieb für
die mit einem Gewinde versehene Welle 4 über das
Getriebe 8. Dies führt
zu einer linearen Bewegung der reibungsarmen Mutter 6 und
damit des Schlittens 7. Die Bewegung des Schlittens 7 kann
in jede axiale Richtung in Abhängigkeit
von der Rotationsrichtung der mit einem Gewinde versehenen Welle 4,
wie von dem Motor 2 erzeugt, erfolgen. Der Körper 9 der
Stellvorrichtung 1 wirkt als Führung für den Schlitten 7.
Der Schlitten 7 ist an internen Schubstangen 10a, 10b angebracht, wobei
deren anderen Endabschnitte mit einem zweiten Zwischenschlitten 11 in
Eingriff stehen.
-
Dieser
Zwischenschlitten 11 wird von einer zweiten Welle 12 getragen,
dessen mindestens einer Abschnitt ein Außengewinde hat. Ein zweites
mit Innengewinde versehenes Element 13 wird von dem Außengewindeabschnitt
der Welle 12 getragen. Das zweite mit Innengewinde versehene
Element 13 weist eine reibungsarme Mutter 14 auf,
die einen dritten Schlitten 15 trägt. Der dritte Schlitten 15 ist
angeordnet, um mit der Ausgabestange 3 über einen zweiten Satz von
Schubstangen 27a, 27b in Eingriff zu treten.
-
Daher
bewirkt die Rotation der ersten mit Gewinde versehenen Welle 4 durch
den Motor 2 eine lineare axiale Bewegung des ersten Schlittens 7,
der wiederum gegen den Zwischenschlitten 11 mittels der
Stangen 10a, 10b drückt. Demzufolge wird eine lineare
Bewegung auf die Anordnung von dem Zwischenschlitten 11,
der zweiten mit einem Gewinde versehene Welle 12 und dem
dritten Schlitten 15 weitergeleitet. Der dritte Schlitten 15 drückt gegen
die Schubstangen 27a, 27b und dadurch wird die
lineare Bewegung der Ausgabestange 3 bewirkt.
-
Es
ist ebenfalls ein zweiter Motor 16 vorgesehen. Der zweite
Motor 16 ist angeordnet, um einen Rotationsantrieb für eine zweite
Schraubverbindung, die die mit einem Gewinde versehene Welle 12 und Mutter 14 umfasst, über ein
Getriebe 17 mittels einer Keilwelle 18 bereitzustellen.
Die zweite mit einem Gewinde versehene Welle 12 wird an
einem Endabschnitt von einem in dem Zwischenschlitten 11 angeordneten
Lager 20 gehalten. Der andere Endabschnitt der Welle wird
von einem Lager (nicht gezeigt) innerhalb des Getriebes 17 gehalten.
Eine Rotationsbewegung der zweiten mit einem Gewinde versehenen
Welle 12 bewirkt die axiale, lineare Bewegung der reibungsarmen
Mutter 14 und demzufolge des dritten Schlittens 15.
Der dritte Schlitten 15 bewegt sich seitlich innerhalb
des Körpers
in Abhängigkeit
von der Rotationsrichtung des zweiten Motors 16. Der Körper 9 der
Stellvorrichtung 1 wirkt wieder als Führung für den Schlitten 15.
Die Bewegung des dritten Schlittens 15 wird auf die Ausgabe 3 über die Stangen 27a, 27b übertragen.
Somit bewirkt die durch den zweiten Motor 16 erzeugte Rotation,
dass die Ausgabestange 3 axial drückt oder zieht in Abhängigkeit
von der Rotationsrichtung, die von dem zweiten Motor übertragen
wird.
-
Die
Keilwelle 18 hat den Zweck, den Differentialbewegungen
der Schlitten Rechnung zu tragen, während die eindeutige Übertragung
von dem zweiten Motor 16 auf die zweite mit einem Gewinde versehene
Welle 12 sichergestellt wird. Die Keilwelle kann dem zweiten
Motor oder dem ersten Motor oder beiden Motoren zugeordnet sein.
-
Entweder
der erste Motor 2 oder der zweite Motor 16 kann
den Hauptantrieb bilden, mit dem anderen Motor als Reserve. Zusätzlich können beide Motore
derart angeordnet sein, dass sie gemeinsam betrieben werden, um
die Ausgabe 3 mit zusätzlicher Kraft
zu versorgen.
-
Ein
hoher Grad an Genauigkeit bei der Positionierung der Stellvorrichtungsausgabestange 3 wird
leicht durch den Bewegungsmechanismus in den Getrieben 8, 17 und
der indirekten Wirkung der mit Gewinde versehenen Wellen 4, 12 der
Schraubverbindungen erreicht.
-
Die
Stellvorrichtung ist auch selbstverriegelnd. Wenn ein oder beide
Motoren im Ruhezustand sind, ist der rückwärtige Antrieb von den Motoren durch
Aufbringen einer Kraft auf die Stellvorrichtungsstange selbst aufgrund
einer Anzahl von Faktoren nicht möglich, nämlich 1) der hohe Wert der
indirekten Übertragungsleistung
der Schraubverbindungen während
des rückwärtigen Antriebs,
2) zusätzliche
Reibung durch die Getriebe 8, 17 während der rückwärtigen Antriebskraft,
3) (wenn der Motor hydraulisch ist) Isolierung der Hydraulikflüssigkeit
am Motor.
-
Eine
alternative Anordnung der Erfindung ist in der 2 gezeigt.
Bei dieser Ausführungsform
ist die zweite Drehmotoreinrichtung 16 an einer zentraleren
Stelle in dem Stellvorrichtungsmechanismus montiert. Die Keilwelle 18 nimmt
ebenfalls eine zentralere Stelle ein. Die Arbeitsweise dieser alternativen
Stellvorrichtung ist die Gleiche wie die von 1. Die Aktivierung
des ersten Drehmotors 2 versetzt den Schlitten 7,
der von der ersten Schraubverbindung (Welle 4 und Mutter 6)
gehalten wird, in lineare Bewegung. Der Schlitten 7 wird
auf den Schubstangen 10a, 10b getragen, die wiederum
gegen den Zwischenschlitten 11 drücken. Die auf den Zwischenschlitten 11 übertragene
lineare Bewegung wird in eine Bewegung der mit einem Gewinde versehenen
Welle 12 und des dritten Schlittens 15 und folglich
der Schubstangen 27a, 27b, die mit dem Ausgabebereich
verbunden sind (nicht gezeigt in dieser Zeichnung), umgesetzt.
-
Das
Aktivieren des zweiten Motors 16 überträgt auf den dritten Schlitten 15,
der von der zweiten Schraubverbindung (Welle 12 und Mutter 14)
getragen wird, eine lineare Bewegung. Diese versetzt die Schubstangen 27a, 27b und
folglich den Ausgabebereich in Bewegung. Es ist vorgesehen, dass
die Anordnung von 2 eine Fertigung kürzerer Stellvorrichtungen
als die von der 1 zulässt, die jedoch das gleiche
Ausmaß linearer
Bewegung bereitstellen.
-
Die
Erfindung findet insbesondere Anwendung bei der Steuerung von Drosseln
in unterseeischen Bohrloch-Umgebungen. Mit Bezug auf die 3 ist
eine solche Drossel dargestellt, die eine Innenhülse 22 aufweist, die
innerhalb einer Außenhülse 21 gleiten
kann. In der Drosselstellung von 3 erstreckt
sich die Außenhülse 21 über Schlitze 23 in der
Innenhülse 22.
Damit ist die Drossel in dieser Stellung vollständig geschlossen.
-
Das
Ausgabemittel 3 der Stellvorrichtung 1 wird ebenfalls
in der 3 gezeigt. Das Ausgabemittel 3 ist an
der Innenhülse 22 angebracht.
-
Die
lineare Bewegung des Ausgabemittels 3 in die durch den
Pfeil gezeigte Richtung bewirkt, dass sich die Hülse 22 gleitend in
die gleiche Richtung bewegt. Die Hülse 21 hat Schlitze 24 um
ihren Umfang, wobei sich die Schlitze axial entlang der Hülse erstrecken.
Die Schlitze 24 an der Hülse 21 beginnen sich mit
den Schlitzen 23 in der Innenhülse 22 zu überlappen,
mit dem Ergebnis, dass die Drossel teilweise geöffnet wird. Eine weitere Bewegung
in Richtung des Pfeils führt
möglicherweise
zur kompletten Überlappung
der Schlitze 24 und 23, so dass die Drossel vollständig geöffnet ist.
Die Stellvorrichtung kann ebenfalls so gesteuert werden, dass sich
die Ausgabemittel in die entgegengesetzte Richtung bewegen, wobei
in diesem Fall der Grad der Überlappung
zwischen den Schlitzen 23 und 24 abnimmt und die Drossel
anfängt,
sich wieder zu schließen.
-
Die 4 zeigt
eine typische Anordnung eines Bohrloches mit einer Anzahl von Verzweigungen. Das
Bohrloch hat eine Verschalung mit einem Stahlrohr 28, das
in richtiger Lage innerhalb des Hauptbohrlochs zementiert ist. Die
Förderleitung 29 erstreckt
sich von der Mündung
der Bohrung bis zu Erdöllagerstätten. Der
Raum, oder Ring, zwischen der Verschalung 28 und der Rohrleitung 29 ist
punktuell entlang der Länge
der Rohrleitung mittels Vorrichtungen, die als zylindrische Bohrlochpacker
(packers) 25 bekannt sind, abgedichtet. Zwischen den benachbarten
Bohrlochpackern 25 sind Drosseln 26 eingesetzt,
die jeweils durch Stellvorrichtungen, solche wie in 1 oder 2 gezeigt,
betätigt
werden. Beim Betrieb dringt das Öl
in die Förderrohrleitung 29 entweder
durch die offenen, unteren Enden an den Enden der Verzweigungen
oder durch die Schlitze in den Drossel vorrichtungen 26,
falls diese offen sind. Das Auswählen
und Betätigen
der Motoren, die den Drosselstellvorrichtungen zugeordnet sind,
wird von dem Bediener mittels einer Steuerflächen-Anzeige ausgeführt. Sensoren
(nicht gezeigt) können
eingesetzt werden, um dem Bediener genaue Informationen bezüglich Stellung
und Zustand der Drosseln 26 bereitzustellen.
-
Die
Erfindung lässt
eine Feinsteuerung der Drosseln 26 oder anderer Lasten
zu, um einen Ausgleich der Drücke
und/oder Ströme
in dem System zu erzielen. Weiterhin ist die Erfindung aufgrund
der unabhängigen
Stromquellen-Reserven zuverlässig.
Außerdem
stellt die Erfindung zusätzliche
Betätigungskräfte, falls
in einem Notfall erforderlich, bereit.
-
Vorzugsweise
ist einer der Motoren hydraulisch, der andere elektrisch, obwohl
beide Motoren hydraulisch oder elektrisch angetrieben sein können. Es
können
natürlich
auch andere Motortypen eingesetzt werden.
-
Weitere
Variationen können
vorgenommen werden, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen.
Zum Beispiel erzeugen einige Umkehrmotoren unterschiedliche Ausgangsleistungen
in Abhängigkeit
von der Rotationsrichtung. Folglich kann eine Diskrepanz bezüglich der
an der Ausgabe erzeugten Kraft zwischen den Schub- und Ziehrichtungen
auftreten. Um diese zu überwinden
können
die einzelnen Umkehrmotore 2 oder 16 gegen zwei gleichgerichtete
(unidirektionale) Motoren in Wechselkopplung ausgetauscht werden.
Weiterhin kann der Umkehrmotor 2 (oder 16), der
in den 1 und 2 dargestellt ist, durch zwei
Umkehrmotoren ersetzt werden, die in verschiedenen Winkeln zueinander
montiert sind. Diese Anordnung verringert den Welligkeitsanteil
der Motordrehmomente, der ein typisches Merkmal der Motoren von
der Verdrängerart/Hubraum
ist. Solche Motoren haben typischerweise eine sinusförmige Veränderung
des Abgabedrehmoments über
den Drehwinkel, so dass bei einigen Winkelpositionen der Motorwelle
eine reduzierte Drehmomentabgabeleistung vorhanden sein wird. Wenn
die Motoren in Wechselkopplung montiert sind, so dass die sinusförmigen Welligkeiten
des Abgabedrehmoments zueinander um 180 ° phasenverschoben sind, führt dies
zu einer großen
Reduzierung der Drehmomentminima und optimiert folglich den abgegebenen
Drehmoment des Motorpaares, insbesondere beim Anlaufen. Das ist
für die
Stellvorrichtung die beste Gelegenheit, die Reibung, beim Anlauf,
der Vorrichtung, wie sie zum Beispiel bei einer Untertage-Drossel-Hülse betätigt wird,
zu überwinden.
-
Sowohl
der Umkehrmotor als auch der unidirektionale Motor können von
separaten Leistungsquellen versorgt werden, um die Zuverlässigkeit
des Systems weiter zu steigern, in dem die Stellvorrichtung eingesetzt
wird.
-
Beide
Motoren können
hydraulisch oder alternativ beide elektrisch sein, so dass eine
Reserve-Antriebseinrichtung von zwei unabhängigen, hydraulischen oder
elektrischen Stromquellen bereitgestellt wird.
-
Es
kann mehr als eine Ausgabestange 3 vorgesehen sein.
-
Ein
Schlitten mit Innengewinde kann entweder gegen einen oder beide
Schlitten- und Mutteranordnungen 6, 7 und 14, 15 ausgetauscht
werden. Alternativ können
entweder ein oder beide Schlitten so angeordnet werden, dass sie
auf Rollen laufen, die mit dem Außengewinde der entsprechenden
Welle in Eingriff stehen. Die mit Innengewinde versehenen Elemente 5, 13 können tatsächlich durch
jede beliebige Anordnung ersetzt werden, damit eine lineare Bewegung
durch das Zusammenwirken mit einer rotierenden Welle mit Außengewinde
erzeugt wird.
-
Die
Erfindung ist ebenfalls auf jede andere Untertage-Gerätschaften
und Gewinnungsvorrichtungen hinsichtlich einer Gestängebetätigung in
einer Bohrlochumgebung anwendbar. Die Erfindung kann ebenfalls Anwendung
bei der Luftfahrzeugsteuerung finden.