NO149515B - Ventilanordning for omvendt sirkulason av broennfluider under broenntesting. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en ventilanordning for omvendt sirkulasjon av brønnfluider under brønntesting, som nærmere angitt i ingressen til det etterfølgende krav 1. Ventilanordningen (i det følgende også benevnt reverserings-

ventil) er særlig egnet for bruk ved utførelse av en borehull-

test på en offshorebrønn fra et flytende fartøy.

Fluidum som utvinnes under en borehulltest i en olje-

brønn samles i rørstrengen som oppebærer testverktøyene i brønnen. Av sikkerhetsgrunner er det ønskelig å rense rør-

strengen for formasjonsfluider før verktøyene trekkes opp etter avsluttet test, for å unngå spill av fluid på rigg-gulvet når rørskjøtene frakobles. Det vil forstås at i motsatt fall ville spillolje innebære en brannrisiko. En reverseringsventil av ovennevnte art, som spesielt er innrettet for offshore-testing og hvor verktøyene kan påvirkes i avhengighet av endringer i fluidtrykket i ringrommet, er vist i US patent nr. 3 823 773.

Selv om den der viste anordning virker tilfredsstillende, er ventilen slik konstruert at den automatisk åpner etter et forutbestemt minimum antall endringer i ringromtrykket. Imidlertid kan en spesiell brønntest kreve mulighet for variasjon i antall sett av testperioder med strømning og stengning, med større overflatekontroll over punktet ved den tid testen skal avsluttes og reverseringsventilen åpnes.

Det er således et formål med foreliggende oppfinnelse

å tilveiebringe en ny ringromtrykkstyrt ventilanordning av den innledningsvis angitte art, som åpner i avhengighet av et spe-

sielt trykksignal som er forskjellig fra det trykk som benyttes for å påvirke tilhørende testventiler o.l. slik at reverseringsventilen kan åpnes til enhver tid på signal fra overflaten.

Dette formål oppnås ifølge oppfinnelsen ved de nye og

særegne trekk som er angitt i den karakteriserende del av krav 1.

En foretrukket utføririgsform av oppfinnelsen skal i det

følgende beskrives nærmere i forbindelse med tegningen, hvor:

Figur 1 er et skjematisk riss av en verktøystreng for

borehulltesting,

figur 2A-2D er oppriss, delvis i snitt av en ventilanordning i henhold til foreliggende oppfinnelse,

figur 3 er et skjematisk planriss-av et kamførings- og kamfølgersystem som styrer åpningen av reverseringsportene,

figur 4 er et tverrsnitt langs linjen 4-4 i figur 2A, og

figur 5 er et riss lik figur 2A, men hvor delene er

vist i sine relative stillinger når reverseringsportene er åpne.

På figur 1 er skjematisk vist en verktøystreng for borehulltesting som er opphengt i et borerør 11 i en brønn-foring 10. Verktøyene omfatter en pakning 12 av en type som er innrettet til å fasthukes i foringsrørveggen og som virker til å isolere brønnpartiet som skal testes fra det overliggende hydrostatiske fluidumtrykk, og en testventilenhet 13 som virker til å fremslippe eller avbryte en strøm av formasjonsfluider fra det isolerte parti. En annen testventilenhet 14 er innkoblet i verktøystrengen over den nedre enhet 13, og er fortrinns-vis av en type som kan åpnes og stenges som reaksjon på endringer i fluidumtrykket i ringrommet 15 mellom røret 11 og forings-røret 10. Ventilenhetene 13 og 14 er velkjente og er vist i henholdsvis US patent nr. 3.308.887 og US patent 3.824.850. Andre utstyrskomponenter så som et løsgjøringsverktøy og en sikkerhetskobling kan benyttes i strengen, men er ikke vist på tegningen. Et perforert enderør 16 kan være•forbundet med nedre ende av tappen på pakningen 12 slik at fluidum i brønnhul-let kan strømme inn i verktøyene, og vanlige måleapparater 17 er anordnet for registrering av trykkdata under en test.

En ventilanordning (reverseringsventil) 18 ifølge foreliggende oppfinnelse er innkoblet i rørstrengen 11. i passende avstand, f.eks. to eller tre rørlengder, over den øvre ventilenhet 14. Som vist i detalj i figur 2A-2D innbefatter ventilanordningen 18 en ventilseksjon 20, en ventil-drivseksjon. 21 og en hydrostatisk trykkreferanse-ventilseksjon 22. Ventilseksjo-nen.20 innbefatter et langstrakt, rørformet huselement 23 hvis øvre parti 24 ved hjelp av gjenger er forbundet med rørstrengen

- 11. Som en fagmann vil forstå kan huset 23 bestå av flere sammenskrudde seksjoner, og ha et antall omkretsmessig fordelte reverseringsåpninger 25 som strekker seg gjennom veggen. Disse åpninger 25 er normalt stengt ved hjelp av en ventilkonstruksjon som generelt er antydet ved 26, og omfatter en ventilsetehylse 27 med sideåpninger 28 som radielt er innrettet med åpningene 25 i huset 23, og et ringformet ventilelement 29 som strekker seg over åpningene 28 og 25 for blokkering av fluidstrøm.

Tetningsringer 30-33 er anordnet for å hindre fluidumlekkasje

i ventilelementets 29 stengte stilling. Ventilelementet 29 er montert på en langstrakt hylse 34 som er skyvbart anordnet i huset 23, og er festet mellom et nedadvendt anslag 35 på en øvre seksjon 36 til hylsen 34 og et oppadvendt anslag 37 på en nedre seksjon 38 av denne. Den nedre seksjon 38 har et antall strømningsåpninger 39 som kommuniserer med boringen 40 i hylsen 34. Den øvre seksjon 36 til hylsen 34 strekker seg gjennom en rørformet bøssing 41 som er innpasset i huset 23, og en utvendig ringformet utsparing 4 2 i øvre seksjon bærer en utvidbar låsering 43 som normalt holdes fullstendig inne i utsparingen ved hjelp av bøssingens 41 indre veggflate. Én eller flere utadragende kiler 4 4 er normalt ute av flukt med nedadrettede åpningsslisser 45 i bøssingen 41 for å hindre hylseseksjonen 36

i å beveges oppover.

En hul indekshylse 50 er montert i huset 23 under ventilhylsen 34 og er i sin øvre ende utstyrt med et antall bué-formede klokoplingstenner 46 som står i inngrep med tilsvarende tenner 47 på bunnen av hylseseksjonen 38 for å danne en roterende såvel som en oppaddrivende forbindelse. Nedre ende av overflaten til indekshylsen 50 hviler normalt på en stabel aksialtrykkopptagende lagerskiver 51 som er anordnet over en innad fortykket seksjon 52 i huset 23. Øvre endeparti av en drivstang 53 er skyvbart anordnet i indekshylsen 50 på hvis omkrets er utformet et spor 54 i hvilket en indekstapp 55 på hylsen 50 stikker inn. Som vist i det skjematiske planriss i figur 3, innbefatter sporsystemet 54 et langstrakt vertikalt spor 57 med en nedre lomme A med hvilken indekstappen 55 normalt danner inngrep, mellomliggende vertikale langstrakte spor 58 og 59 med øvre og nedre lommer henholdsvis B og C, og et forholdsvis kort, vertikalt spor 60 med øvre og nedre lommer D og E. De første to langstrakte spor 57 og 58 er forbundet

ved hjelp av et skråttliggende spor 61 som kan styre tappen 55 inn i lommen B, og de tilstøtende, mellomliggende spor 58 og 59 er forbundet ved hjelp av et skråttliggende spor 62 som kan styre tappen 55 fra sporet 58 inn i lommen C. Endelig er sporet 59 forbundet med det korte spor 6 0 ved hjelp av et skråttliggende spor 63 som kan styre tappen 55 inn i den høyre lomme D.

Det vil forståes at med det illustrerte spor- og indekstapp-system, kan drivstangen 53 beveges nedover en avstand lik den vertikale avstand mellom lommene A og B, og deretter oppover en avstand lik den vertikale avstand mellom lommene B og C

uten at der foreligger noen tilsvarende vertikal bevegelse av indekshylsen 50. Imidlertid vil hylsen 50 dreies i forhold til stangen 53 og huset 23 over en totale vinkel lik omkrets-dimensjonene mellom lommene A og B. Den påfølgende' nedadbevegelse til stangen 53 vil heller ikke bevirke noen tilsvarende vertikalbevegelse av hylsen 50, men bare en vinkeldreining av denne. Da imidlertid stangen nå beveges oppover vil indekstappen 5 5 danne inngrep med bunnen av lommen E og bevirke at hylsen løftes oppover sammen med stangen. De forskjellige deler er videre slik anordnet at kilen 44 på ventilhylsen 34 vertikalt er innrettet med lommen A på stangen 53, mens den nedadvendte slisse 45 på bøssingen 41 vertikalt er innrettet på linje med lommene D og E. Ventilhylsen 34 kan således ikke beveges oppover i forhold til huset 23 før der har funnet sted en rekke funksjonstrinn som bevirker at tappen 55 bringes i stilling i det korte spor 60 i sporsystemet 54.

En mellomseksjon 65 i drivstangen 53 er forseglet i forhold til hus-seksjonen 52 og bærer en slisset sperrekrage 66 med et innadvendt anslag 67 innesluttet i en utvendig ringformet utsparing 68 på stangen slik at den kan beveges oppover og nedover med stangen. En avbrytbar plugg 69 som er innskrudd i husets vegg er anordnet

for inngrep med nedre endeflate 70 på sperrekragen 66 når stangen har beveget seg en forutbestemt avstand nedover. Pluggpartiet 71

som strekker seg inn i boringen i huset har et svekket område som utgjøres av et ringformet spor 72, og er innrettet til å briste når drivstangen 53 har beveget seg nedover som reaksjon på en kraft av forutbestemt størrelse. Når pluggpartiet 71 brytes av, kan stangen 53 beveges en ytterligere avstand nedover til et punkt hvor den nedre flate 70 ligger an mot et innadvendt anslag 73 på huset 23

og begrenser ytterligere nedad bevegelse.

Stangenheten 53 har en stempelseksjon 75 med avtrappet diameter, hvor den minste ytterdiameter er avtettet mot husanslaget 73 ved hjelp av en 0-ring 76, og den største ytterdiameter er avtettet hos huset 2 3 ved hjelp av en 0-ring 77. Forskjellen i tverr-snittsareal som avgrenses av tetningsringene 76 og 77 danner en oppadvendt tverrflate som utsettes for fluidumtrykket i brønn-ringrommet via én eller flere sideåpninger 79. Den nedre seksjon 80 på drivstangen strekker seg gjennom et innad fortykket parti 82 på huset 23 og er avtettet mot dette ved hjelp av en 0-ring 83. En langstrakt skruefjær 84 virker mellom øvre overflate 85 på partiet 82 og et utadvendt anslag 86 på stangen 53. En føringstapp 87 som er festet på huset 23, strekker seg inn i et langstrakt spor 88 på stangen 53 for å hindre relativ omdreining mellom stangen og huset.

Et langstrakt, ringformet referanse-trykkammer 90 er anordnet

i huset 23 mellom dettes innervegg 91 og ytterveggflaten 92 til et rør 93 hvis øvre ende er festet til partiet 82. Kammeret 90 kommuniserer med hulrommet 94 i hvilket fjæren 84 er beliggende, gjennom en åpning 95 som strekker seg vertikalt gjennom anslaget 82. Kammeret 90 og hulrommet 94 er fylt med et komprimerbart fluid-medium så som nitrogengass, og et flytende ringstempel 96 med indre "og ytre tetningsringer 97 og 98 danner nedre ende av kammeret 90. Det ringformede rom 99 i huset 23 under det flytende ringstempel 96 kommuniserer med

brønn-ringrommet 15 utvendig via én eller flere sideåpninger 100 (figur 2D) som er forbundet med hulrommet 99 ved hjelp av vertikale kanaler 101. Åpningene 100 åpner mot utsiden av et ventilhode 102 med redusert diameter, som bærer øvre og nedre tetningsringer 103

og 104. Når ventilhodet 102 er over et tilhørende ringformet ventil-sete 105 overføres ringrom-fluidumtrykket til gassen i kammeret 90 via det flytende ringstempel 96, og når åpningene 100 er stengt ved nedadbevegelse av ventilhodet 102 inn i setet 105, blir en trykk-referanseverdi lik det hydrauliske fluidumtrykk i ringrommet innesluttet eller "husket" i kammeret 90.

Som det videre fremgår av figur 2D er en rørformet forlengelse 108 som henger ned fra ventilhodet 102 skyvbart anordnet i et nedre huselement 109 hvis nedre ende er forbundet med røret 11 ved hjelp av gjenger 110. Midtseksjonen 111 på forlengelsen 108 bærer et måle-forsinkelsesstempel 112.som arbeider i et ringformet kammer 113 som er avtettet ved hver ende ved hjelp av ringer 114 og 115 og fylt med en passende olje. Målestempelet 112 kan beveges i begrenset grad _ relativt langs seksjonen 111 og tvinges oppover av en skruefjær 116.

I øvre stilling som vist, står stempelets øvre ende i inngrep med et ventilseteanslag 117 på seksjonen for å hindre lekkasje eller gjennom-trengning av hydraulikk-fluidum på dette sted. Stempelets 112 ytterdiameter er imidlertid slik dimensjonert i forhold til kammerveggens 118 diameter, at hydraulikk-fluidum, på kontrollert måte kan lekke fra undersiden til oversiden av stempelet som reaksjon på nedadrettet kraft mot forlengelsen, hvorved bevirkes en forholdsvis sakte nedadbevegelse. Stempelet 112 hindrer ikke forlengelsen 111 i å beveges oppover i forhold til huset 109, fordi.stempelet kan beveges bort fra seteanslaget 119 mot trykket fra fjæren 116 til en stilling hvor de innvendige spor 120 tillater hydraulikk-fluidum å føres fritt fra stempelets overside til dets underside.

Et utligningsstempel 123 er beliggende på forlengelsen 108

nær dennes nedre ende og er tettende og bevegelig anordnet i en sylinder 124 som er utformet ved nedre ende av huset 109. En tetningsring 125 hindrer fluidumlekkasje. Stempelets 123 nedre flate 126 påvirkes av fluidumtrykket utenfor huset 109 gjennom åpninger 127, og stempelets øvre flate 128 påvirkes av fluidumtrykket i boringen 129 i forlengelsen 108 gjennom åpninger 130. Stempelets 123 tverrsnitts-areal har tilnærmet samme størrelse som det.areal som omskrives av hver av tetningsringehe 114, 115, 131, slik at forlengelsen 108 hydraulisk balanseres i forhold til trykket i huset 109, slik det vil

forstås av en fagmann.

Ved bruk sammensettes strengen av testverktøy ved overflaten som vist i figur 1, og kammeret 90 lades med nitrogengass til et trykk som er omtrent 3 5 kg/cm 2 mindre enn den hydrostatiske trykk-høyde som erfares ved testdybden. Når verktøyene senkes ned i brønn-foringen 10 er ventilenhetene 13 og 14 opprinnelig stengt i likhet med reverserings-ventilåpningene 25, slik at borerørets 11 innside danner et lav-trykksområde i forhold til fluidumtrykket i brønnhullet. Når verktøyene nærmer seg det nivå som skal testes, bevirker de åpne åpninger 100 ved nedre ende av huset 2 3 at referanse-kammeret 90 settes under trykk til en verdi lik det hydrostatiske trykk slik at de trykk som virker på motsatte sider av stempelseksjonen 75 er de samme eller er utbalansert. Videre virker det hydrostatiske fluidumtrykk via åpningene 127 i det nedre hus 109 på nedre flate på utligningsstempelet 12 3 for å sikre at forlengelsen forblir i øvre stilling i huset hvor referanse-kammeråpningen 100 i ventilhodet 102 er åpen. Hydraulikk-forsinkelsesstempelet 112 virker til å hindre en plutselig stengning av forlengelsen 108 i huset 109 i tilfelle pakningen 12 skulle møte en hindring i brønnen når verktøystrengen senkes.

For utførelse av en formasjonstest plasseres pakningen 12

med passende manipulasjon av rørstrengen 11 slik at det underliggende brønnparti isoleres, og den nedre ventilenhet 13 åpnes som reaksjon på rørets 11 nedad bevegelse. Vekten av røret 11 tvinger også stangforlengelsen 108 nedover i det nedre hus 109 med forholdsvis lav hastighet som styres av hydraulikk-fluidumstrømmen forbi målestempelet 112 inntil ventilhodet 102 kommer helt inn i det ringformede sete 105 og stenger og avtetter åpningene 100. På dette punkt vil et referansetrykk lik fluidenes hydrostatiske trykkhøyde ved en spesiell dybde i brønnen være overført til nitrogengassen i kammeret 90 og innesperret i dette.

For åpning av øvre ventilenhet 14, tilsettes et trykk av forutbestemt verdi i brønnringrommet som beskrevet i førnevnte US patent nr. 3.824.850, hvilket bevirker at et trykkpåvirkelig ventilelement i enheten åpner og gjør det mulig for fluider i brønn-hullet under pakningen 12 å strømme inn i det perforerte rør 16 og oppover gjennom verktøyet inn i rørstrengen 11. Ventilen 14' holdes åpen ved å opprettholde'økingen i ringromtrykket i en strømnings-tidsperiode som er tilstrekkelig til å sette ned trykket f det isolerte parti, hvoretter det tilsatte ringromtrykk avlastes ved overflaten slik at ventilen kan stenge. Når testventilen arbeider, registreres trykkdata ved hjelp av måleapparater 17 på vanlig måte. Testventilen 14 kan gjentatte ganger åpnes og lukkes for innhenting av ytterligere data etter ønske ved gjentatt øking og avlasting av \ trykket i ringrommet.

Hver gang trykk tilsettes i brønnringrommet 15 for åpning

av testventilenheten 14 forskyves drivstangen 53 til reversérings-ventilen 18 nedover mot kraften fra skruefjæren 84 på grunn av slik øking i trykket som virker på øvre flate 78 til stempelseksjonen 75. Hver gang trykket avlastes forskyver fjæren 84 stangen 53 til-bake til den opprinnelige stilling. Lengden av det vertikale spor

57 i sporsystemet 54 (figur 3) er større enn den avstand stangen 53

beveges nedover før sperrekragen 66 slår an mot den avbrytbare plugg 69, slik at indekstappen 55 forblir i sporet 57. Pluggen 69

er dimensjonert og innrettet til å forbli intakt når den utsettes for nedadrettet kraft som følge av tilsatt ringromtrykk som virker på stempelseksjonen 75 på drivstangen 53 i et normalt område tilstrekkelig til å drive den øvre testventil 14.

Når det er ønskelig å åpne reverseringsåpningene 25 for å muliggjøre sirkulasjon av utvunnet formasjonsfluidum til overflaten, tilsettes en trykkverdi i brønnringrommet 15 som overstiger det som normalt anvendes for å påvirke testventilen 14. Den resulterende kraft med hvilken sperrekragen 66 påvirker pluggen 69 er tilstrekkelig til å avbrekke eller avskjære pluggpartiet 71 i dets svekkede område som vist i figur 5, hvilket muliggjør ytterligere nedadbevegelse for drivstangen 53. Slik ytterligere bevegelse fører indekstappen 55 i den venstre øvre lomme B i sporsystemet 54, slik at når det tilsatte ringromtrykk avlastes og drivstangen beveges oppover av fjæren 84, beveges tappen 55 langs sporene '58 og 62 og føres inn i nedre høyre rommet C. Denne bevegelse følges av en vinkelmessig omdreining av indekshylsen 50 og drivhylsen 34, men disse elementer gjennomgår ingen nedadrettet bevegelse som følge av inngrepet mellom indekshylsen og trykklagerskivene 51. Deretter settes ringrommet igjen under trykk fra overflaten, hvorved drivstangen 53 beveges nedover for å plassere tappen 55 i høyre øvre. lomme D i det korte spor 60, og deretter vil en avlasting av det tilsatte trykk føre til åpning av reverseringsåpningene 2 5 som beskrevet i det følgende. Idet fjæren 84 forskyver stangen 53 oppover, kommer tappen 55 i inngrep med bunnlommen E i det korte spor 60 og danner derved en drivforbindelse som bevirker at drivhylsen 34 forskyves oppover med stangen 53. En slik oppad bevegelse kan nå finne sted: fordi kilen 44 på øvre seksjon 36 er vertikalt innrettet på linje med slissen 45 i føringsbøssingen 41 som følge av vinkelmessig omdreining av hylsen 34 idet tappen 55 føres gjennom kanalsystemet 54. Oppadbevegelse av hylsen 34 bevirker tilsvarende oppadbevegelse av ventilelementet 29, hvilket åpner åpningene 25 og 28 slik at det dannes kommunikasjon mellom brønn-ringrommet 15 og rørstrengens 11 innside. Når låseringen 43 går klar av øvre ende av føringsbøssingen 41 fjærer den utover til en stilling delvis utstikkende fra utsparingen 42 og hindrer derved nedadbevegelse av ventilhylsen 34 og låser således reverseringsventilen i åpen stilling. Trykk som deretter tilsettes brønn-ringrommet 15 vil bevirke at fluider som er samlet i borerøret 11 i motsatt retning sirkuleres ut av røret og til overflaten.

Det er således klart at der er tilveiebragt en ny trykkstyrt reverseringsventil som åpnes bare som reaksjon på et spesielt trykksignal fra overflaten, og som deretter er fullt brukbar i forbindelse med testventilenheter som også er ringromtrykkdrevet.

Claims (3)

1. Ventilanbrdning for omvendt sirkulasjon av brønnfluider under brønntesting, omfattende et rørformet hus (23) med sideåpninger (25) gjennom veggen og innrettet til å innkoples i en i borehullet plassert rørstreng (11), en i huset anordnet ven-tilkonstruks jon (26) som kan beveges fra en lukket stilling til en åpen stilling i forhold til åpningene (25) , en ventilaktua-tor (53) som er anordnet for frem- og tilbakebevegelse i huset og omfatter et stempel (75) hvis ene side (78) utsettes for fluidtrykket i borehullet utenfor huset og hvis andre side utsettes for trykket fra et sammentrykkbart medium (84) i huset, en omstillingsanordning innkoplet mellom ventilaktuatoren og ventilen for styring av den relative bevegelse mellom disse, karakterisert ved at omstillingsanordningen omfatter en dødgangsmekanisme (50, 54, 55) som tillater en begrenset frem- og tilbakebevegelse av aktuatoren (53) uten bevegelse av ventilkonstruksjonen (26) når trykket som stemplets (75) ene side utsettes for er mindre enn en forutbestemt verdi, idet ventilkonstruksjonen (26) er innrettet til å føres fra en lukket til en åpen stilling når, og bare når, stemplet (75) utsettes for et trykk som overskrider den forutbestemte verdi og ventil-aktuatorens (53) frem- og tilbakebevegelse overskrider dødgangs-bevegelsen.

2. Anordning ifølge krav 1,karakterisert ved en sperreanordning (69, 70) for å hindre påvirkning av ventilaktuatoren (53) sålenge trykket som stemplets (75) ene side utsettes for er mindre enn den forutbestemte verdi.

3. Anordning ifølge krav 2, karakterisert ved at sperreanordningen omfatter en på aktuatoren utformet an-leggsflate (70) som støter an mot et bruddelement (69) på huset for å begrense aktuatorens frem- og tilbakebevegelse, idet bruddelementet gir etter for anleggsflaten når stemplets ene side utsettes for et trykk som overskrider den forutbestemte verdi.