NO180457B - Anordning for fjernmanövrering av utstyr - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en anordning for fjern-manøvrering av et utstyr ved å endre strømningsbetingelsene for et fluid i en rørledning som er forbundet med utstyret, omfattende en struperenhet i fluid-gjennomstrømningstverrsnit-tet innbefattende et element av måledyse-typen og et nålformet tappelement som samvirker for å skape et trykkfall oppstrøms når de forskyves i forhold til hverandre, et i rørledningens aksialretning bevegelig manøverstempel som på sin ene side utsettes for trykket oppstrøms for strupeenheten og på sin andre side for trykket nedstrøms for strupeenheten, idet ett av strupeenhetens elementer er montert på stempelet mens det andre er forbundet med rørledningen. Anordningen er særlig beregnet for bruk i forbindelse med oljeboring, hvor det ofte er nødvendig å kunne fjernmanøvrere eller -styre verktøy, f.eks. variable stabilisatorer, universalledd e.l., for utfø-relse av ulike brønn-operasjoner.

Det kreves stor kraft for å styre slike verktøy.

Den kjente teknikk omfatter bruk av et ringformet stempel med to stempelflater og med en innsnevrerinnretning i form av et strupernålsystem med variabelt gjennomstrømnings-tverrsnitt. Den ene av stempelflåtene påvirkes av de rådende trykkrefter på den ene side av innsnevrerdelen, mens den annen stempelflate påvirkes av de rådende trykkrefter på den annen side av innsnevrerinnretningen.

Struperen er vanligvis forbundet med stempelet, og nålen er fastgjort i forhold til et rør som opptar montasjen og hvori stempelet kan beveges for gjennomføring av den ønskede styringsprosess. En tilbakeføreranordning er forbundet med stempelet og holder dette i en passiv stilling motsvarende et relativt stort gjennomstrømnings-tverrsnitt hos innsnevrerinnretningen, hvilket forårsaker et mindre trykkfall i forsy-ningsstrømmer.

Når utstyret ønskes betjent, økes strømningshastigheten med derav følgende, større trykkfall på den ene side av inn-snevrerelementet, hvorved stempelet forskyves under motvirk-ning av tilbakeføreranordningen. Under denne bevegelse vil struperen trenge stadig lenger inn i nålen og derved redusere innsnevrerinnretningens gjennomstrømningstverrsnitt, idet en større økning av trykkfallet gir nødvendig kraft for betjening

av utstyret.

Den kjente teknikk er beskrevet i NO B 169 026.

En slik anordning er for unøyaktig hva angår terskelver-dien for strømningsmengden som bevirker igangsetting av sty-ringsprosessen. Enheten, bestående av stempelet og returfjæren, som må reagere på eller overføre store krefter, kan ikke reagere nøyaktig på en strømningsmengde av gitt terskelverdi, eksempelvis på grunn av friksjonskreftene.

Ifølge foreliggende oppfinnelse avhjelpes denne vanske-lighet ved en anordning av den innledningsvis angitte art, med de nye og særegne trekk som er angitt i den karakteriserende del av det etterfølgende krav 1. Fordelaktige utføringsformer av oppfinnelsen er angitt i de øvrige, etterfølgende krav.

Oppfinnelsen er nærmere beskrevet i det etterfølgende under henvisning til de medfølgende tegninger, hvori: Figur 1, IA og IB viser en utførelsesform av struper-nålsystemet ved anordningen ifølge oppfinnelsen. Figur 2 og 3 viser utstyr i form av et universalledd-element for variabel vinkelstilling, som kan fjernmanøvreres ved hjelp av anordningen ifølge oppfinnelsen. Figur 4 viser utstyr i form av en stabilisator med variabel geometri, som kan fjernmanøvreres ved hjelp av anordningen ifølge oppfinnelsen. Figur 5 viser en detalj ved anordningen ifølge oppfinnelsen. Figur 6, 6A og 6B viser en annen versjon av anordningen ifølge oppfinnelsen. Figur 7 og 8 viser åpninger av spesiell utførelsesform i struper-nålsystemet. Figur 1-5 viser utførelsesformer av anordninger ifølge oppfinnelsen for styring av en stabilisator med variabel geometri eller et universalledd med variabel vinkelinnstilling. Figur 1, 2 og 3 viser en særlig fordelaktig versjon av universalleddet med variabel vinkelinnstilling. Denne utfø-relsesform omfatter et rørelement som i sin øvre ende er forsynt med gjenger 1 for mekanisk sammenkopling med en bore-

streng og i sin nedre ende med gjenger 2 på en utgangsaksel 3, for fastskruing på boreverktøyet 4.

Hovedfunksjonene gjennomføres av:

A. En brønnmotor 5 som vist i figur 2, f.eks. av Moineau-type eller av annen type motor eller turbin som er vanlig benyttet for boring på land og som derfor ikke er nærmere beskrevet.

B. Av en fjernstyringsmekanisme 6 som er innrettet for å detektere posisjonsendringer og bevirke endring av en rørdels 7 rotasjonsbevegelse i forhold til rørdelen 8. C. Av en drivmekanisme 9 som opptar aksial- og sidekref-ter og som forbinder den nedre motor 5 med utgangsakselen 3 på kjent og ikke nærmere beskrevet måte, og D. av en mekanisme 10 for endring av vinkelinnstilling, basert på rørdelens 7 rotasjonsbevegelse. Et universalledd er betegnet med 11.

Fjernstyringsmekanismen 6 omfatter en aksel 12 som danner et stempel som er glidbart bevegelig med sin øvre del i kanalen 13 i rørdelen 8 og med sin nedre del i kanalen 14 i rørde-len 7. Akselen er forsynt med opphøyde rifler 15 som kan gripe inn i motsvarende riller på rørdelen 8, spor 16 som forløper vekselvis rettlinjet (parallelt med rørdelens akse) og skrått (med helling mot rørdelens 8 akse) som opptar tapper 17 som er glidbar langs en akse perpendikulært mot akselens 12 bevegelsesakse og som holdes i anlegg mot akselen ved hjelp av fjærer 18, samt opphøyde rifler 19 som bare bringes i inngrep med motsvarende riller på rørdelen 7, når akselen 12 befinner seg i sin øverste posisjon.

Akselen 12 er i sin nedre ende forbundet med en struper 20 som er vendt mot en nål 21 som er anordnet koaksialt med bevegelsesretningen for akselen 12. En returfjær 22 holder akselen i dens øvre posisjon med de opphøyde rifler 19 i inngrep med de motsvarende riller på rørdelen 7.

I overensstemmelse med oppfinnelsen er struperen 20 opplagret for glidebevegelse i en hylse 23 som utgjør en del av akselen 12.

Rørdelene 7 og 8 er fritt dreibare i nivå med en roterende lagerflate 30 som er koaksial med aksene for rørdelene 7 og 8 og som dannes av rekker av sylindriske ruller 31 som er innført i tilhørende føringsspor og som, ved å fjerne en luke 33, kan uttas gjennom åpninger 32.

Struperen 20 og nålen 21 er anordnet for detektering av informasjon, i dette tilfelle en strømningsterskelverdi. Akselen 12 overfører kraft for styring av leddelementet 9, gjennom rørdelen 7 som danner overføringselementet.

Gjennom et ringformet, frittbevegelig stempel 35 opprett-holdes samme trykk i et oljereservoar 34 som i borefluidet. Akselens 12 glideflater smøres av oljen gjennom en kanal 36.

Akselen 12 er slik utformet at borefluidet kan strømme i retning av pilen f gjennom en aksialkanal 79.

En fjær 24 fastholder struperen 20 i en posisjon motsvarende en passiv stilling. Denne posisjonen betraktes i forhold til akselen 12. Fjæren 24 ligger an mot en flens 25, utformet i ett med struperen 20, og mot en skulder 26 på akselen 12. Det fremgår av figur 1, at struperen styres i en kanal 27 hvori flensen 25 er glidbart bevegelig i likhet med struperens sirkulære hylse 28 som kan innskyves i en åpning 29.

Vinkelreguleringsmekanismen som egentlig er den del som skal styres i dette eksempel, omfatter en rørdel 38 som, ved hjelp av en kopling 39, er låst mot dreiebevegelse sammen med rørdelen 7. Rørdelen 38 kan rotere i forhold til rørdelen 8 i nivå med den roterende bæreflate 10 bestående av ruller 39A og med en akse som forløper skrått i forhold til aksene for rørdelene 8 og 38.

En utførelsesform av koplingen 39 er vist i figur 5.

Fjernstyringsmekanismens virkemåte er beskrevet i det etterfølgende. Denne type av fjernstyring er basert på en terskelverdi for fluidstrømmen som ledes gjennom mekanismen i retning av pilen f.

Når en strømningsmengde Q passerer gjennom akselen 12, oppstår en trykkforskjell AP mellom den fremre del 40 og den bakre del 41 av struperen eller choken 20. Trykkforskjellen øker med økende strømningsmengde Q i overensstemmelse med en lov for endring, nemlig AP = kQ<n>, hvor k er en konstant og n ligger mellom 1,5 og 2, i avhengighet av borefluidets karakte-ristika. Differansetrykket AP virker mot en tverrflate på av struperen 20, og frembringer en kraft F som vil føre struperen 20 nedad ved en translasjonsbevegelse, og sammenpresser returfjæren 24. For en strømningsterskelverdi vil denne kraften F være tilstrekkelig stor til å overvinne kraften fra returfjæren, og fremkalle en translasjonsbevegelse av struperen 20. Kalibreringen av fjæren 24 justeres som en funksjon av den strømnings-terskelverdi som ønskes oppnådd.

Som følge av denne translasjonsbevegelse vil struperen 20 omslutte nålen 21, og dette vil i stor grad redusere gjennom-strømningstverrsnittet for borefluidet, med en derav følgende, stor økning av trykkdifferansen AP, hvilket resulterer i en stor økning av kraften F' som utøves mot akselen 12 og bevirker en nedadgående, fullstendig bevegelse av denne akselen 12, på tross av den økede kraften som utvikles av returfjæren 22 grunnet sammenpressingen av denne, samt friksjonskreftene som motvirker akselens bevegelse.

Det er således åpenbart, at det utelukkende er bevegelsen av den bevegelige struper 20, uten bevegelse av akselen 12, som vist i figur 3, som medfører nøyaktig detektering av strømnings-terskelverdien og et derav følgende, betydelig trykktap som resulterer i den nedadgående bevegelse av akselen 12, som vist i figur 4. Ved denne nedadgående bevegelse av akselen 12 aktiveres en konstruksjonsdel, f.eks. et ledd-element med variabel vinkelinnstilling. Den mobile struper fungerer følgelig på lignende måte som et elektrisk relé.

Grunnet formen av de utfreste spor 16, som beskrevet i fransk patentskrift 2 432 079, vil tappene 17 følge den skråttforløpende del av sporet 16 under akselens 12 nedadgående takt, og vil derfor tilstrebe dreiebevegelse av rør-delen 7 i forhold til rørdelen 8, hvilket umuliggjøres på grunn av at de opphøyde rifler 19 frigjøres fra de motsvarende riller på rørdelen 7 ved innledningen av akselens 12 nedadgående takt.

Med akselen i sin nedre anslagsstilling kan fluidstrømmen avstenges, og returfjæren 22 vil derved skyve akselen 12 oppad. Det samme gjelder struperen 20 som tilbakeføres oppad av returfjæren 24.

Under denne oppadgående bevegelse vil tappene 17 følge de rettlinjete deler av sporene 16. Ved enden av bevegelsen bringes de opphøyde rifler 19 atter i inngrep, hvorved rør-delene 7 og 8 sammenlåses for rotasjon.

For at informasjon som angir at akselen 12 har nådd sin nedre posisjon, skal kunne overføres til overflaten, kan nålen 21 innbefatte en seksjon av annen diameter. I figur 1 er det vist en seksjon 44 av øket diameter. Når struperen er bragt i nivå med dette fremspring 44, vil følgelig gjennomstrømnings-tverrsnittet for fluidet reduseres, hvilket resulterer i et overtrykk i borefluidet for en konstant strømningshastighet.

Dette overtrykket kan detekteres ved overflaten. Fremspringet 44 er slik plassert at det bare oppstår overtrykk når akselen 12 befinner seg i den nedre ende av sin bevegelsesstrekning.

Delene 42 og 43 som overfører dreiebevegelsen av rørdelen 7 til rørdelen 38 og samtidig tillater en innbyrdes vinkel-bevegelse av disse to rørdeler, er vist utbrettet i figur 5. Delen 42 omfatter forsenkninger 45 som opptar tapper 4 6 med kulehoder 47. Selv om rørdelen som er fast forbundet med delen 42, bøyes i forhold til rørdelen som er fast forbundet med delen 43, vil likevel den ene rørdel holde den annen i rotasjon. Disse to deler har således samme funksjon som en hul universalkopling.

Vinkelen endres ved at rørdelen 7 dreies i forhold til rørdelen 8, hvilket bevirker at drivmekanismen 39 dreier rørdelen 38 i forhold til nevnte rørdel 8. Da denne rotasjo-nen foregår om en akse som heller i forhold til de to akser for rørdelene 8 og 38, vil dette medføre en endring av vinkelen mellom aksene for rørdelene 8 og 38. Denne vinkelvaria-sjon er detaljert beskrevet i fransk patentskrift 2 432 079. Figur 3 viser samme del av anordningen som vist i figur 2, men i en geometrisk forskjellig stilling.

Den etterfølgende beskrivelse omhandler en utførelsesform hvor delen som skal manøvreres, er en stabilisator av variabel geometri. Fjernstyringsmekanismen for denne stabilisator er den samme som tidligere beskrevet.

Figur 4 viser mekanismen for endring av stillingen av ett eller flere blader på en integrert stabilisator. Figur 4 kan betraktes som den nederste del av figur 1. Ved underenden av rørdelen 7 er det anordnet spor 48 hvis dybde varierer i avhengighet av den angjeldende vinkelsektor. I bunnen av disse spor er det innmontert skyvere 49 hvorimot rette eller skrue-formede blader 50 holdes i anlegg under påvirkning av blad-returfjærer 51 som er plassert under beskyttelsesdeksler 52. Virkemåten av mekanismen som endrer stillingen av ett eller flere blader, er beskrevet i det etterfølgende.

Når rørdelen 7 roterer i forhold til rørdelen 8 grunnet bevegelsen av akselen 12, vil skyverne 49 plasseres på hver sin sektor, av forskjellig dybde, av sporet 48. Bladene påføres derved en translasjonsbevegelse fra eller mot rør-delens akse.

Figur 4 viser til høyre et blad i "inntrukket" stilling og til venstre et blad i "utstrukket" stilling. Mange mellom-stillinger kan opprettes i avhengighet av rotasjonsstigningen hos den fjernstyrte rotasjonsmekanisme.

Bladenes stigning styres av bunnprofilen i sporet 48. Hvis tre blader styres fra samme spor gjennom en hel omdrei-ning, må profilen reproduseres identisk for hver 120°, dersom bevegelsen av de tre blader skal være identisk.

Figurene 6, 6A og 6B motsvarer figurene henholdsvis 1, IA og IB når det gjelder posisjonen av akselen 12 og stillingen av struper-nålsystemet.

Nålen 53 som er vist i de førstnevnte figurer, er imid-lertid fast forbundet med akselen 12 og utstyrt med en kanal 54. Nålen som følgelig er hul, er' forsynt med åpninger 55 som samvirker med åpninger 56 som er anordnet i struperen 57 som er fast forbundet med rørdelen 7.

Struperen 57 ifølge figur 6 er sylindrisk med en lukket bunn 58. Nålen 53 som likeledes er sylindrisk, kan beveges

glidende i struperen 57.

I utgangsstillingen er åpningene 55 i nålen 53 og åpningene 56 i struperen 57 vendt mot hverandre, og fluidet strøm-mer i retning av pilene f (figur 6).

Idet en forutbestemt strømningsterskel oppnås, øker trykkforskjellen mellom en oppstrømssone 40 og en nedstrøms-sone 41 på hver sin side av struper-nålsystemet, med inn-befatning av nålen 53 og fjæren 24 (figur 6) uten at stempelet 12 derved beveges.

Gjennomstrømningstverrsnittet som de samvirkende åpninger 55 og 56 danner for fluidet, minsker og begrenses til klarin-gen mellom nålen og struperen, slik det fremgår av figur 6A. Forskjellen i trykket på de to sider 40 og 41 av stempelet 12 øker derved tilstrekkelig til å tvinge stempelet 12 nedad til den posisjon som er vist i figur 6B. Under sin nedadgående bevegelse vil stempelet påvirke utstyret som skal styres.

Figur 7 og 8 viser begge en utbrettet struper 57 med åpninger 59 av forskjellig utforming. Disse utforminger gir en gradvis endring av gjennomstrømningstverrsnittet for fluidet, når nålen 53 beveges i struperen 57.

Disse åpninger kan selvsagt ha en spesiell form for indikering av at akselen 12 har nådd enden av sin slaglengde.

Dette oppnås ved åpningen som er vist i figur 7, ved at den antatt rektangulære åpning 55 føres ut over den nedre del 60 av åpningen 59 i struperen 57. Dette medfører en brå trykk-forandring som kan spores ved overflaten.

Claims (7)

1. Anordning for fjernmanøvrering av et utstyr ved å endre strømningsbetingelsene for et fluid i en rørledning som er forbundet med utstyret, omfattende en struperenhet (20, 21; 53, 57) i fluid-gjennomstrømningstverrsnittet innbefattende et element av måledyse-typen (20; 57) og et nålformet tappelement (21; 53) som samvirker for å skape et trykkfall oppstrøms når de forskyves i forhold til hverandre, et i rørledningens

aksialretning bevegelig manøverstempel (12) som på sin ene side utsettes for trykket oppstrøms for strupeenheten og på sin andre side for trykket nedstrøms for strupeenheten, idet ett av strupeenhetens elementer er montert på stempelet mens det andre er forbundet med rørledningen,karakterisert ved at det på stempelet (12) monterte element (20) er forskyvbart ved at det omfatter midler (24) for tilbakeføring av det forskyvbare element (20) til en i forhold til stempelet forutbestemt stilling, og at det forskyvbare element (20) for en gitt strømning skaper et første trykkfall som kan bevirke forskyvning av det forskyvbare element (20) i forhold til det andre element (21), slik at det skapes et andre trykkfall som kan forskyve stempelet (12) aksielt.

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at stempelet (12) omfatter midler (22) for tilbakefø-ring til en forutbestemt stilling i forhold til rørledningen.

3. Anordning ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at det på stempelet forskyvbart monterte element er elementet (20) av måledyse-typen.

4. Anordning ifølge krav 1 eller 2,karakterisert ved at det på stempelet forskyvbart monterte element er det nålformete tappelement (53).

5. Anordning ifølge krav 4, karakterisert ved at det nålformete tappelement er hult og omfatter åpninger (55) som samvirker med andre åpninger (56) i det andre element (57) av måledyse-typen.

6. Anordning ifølge krav 4 eller 5,karakterisert ved at åpningene (55, 56 og 59) har en form innrettet til gradvis å minske fluid-gjennom-strømningstverrsnittet over et parti av det nålformete elemen-tets (53) bevegelsesbane.

7. Anordning ifølge krav 4 til 6,karakterisert ved at åpningene er slik utformet at de skaper en tverrsnitt-endring når stempelet når en bunnstilling.