NO20092080L - Undersjoisk elektrisk aktuator med lineaer motor - Google Patents

Abstract

En aktuator for bruk med ventiler i en undersjøisk brønnhode-sammensetning. Aktuatoren inkluderer en aksel med en vekslende polaritet langs dens lengde og vindingene med avstand rundt akselen som skaper et magnetisk felt rundt akselen. Akselen kan forbindes til en ventilstamme slik at flyt av strøm igjennom vindingene skaper et magnetisk felt for lineært å bevege akselen og drive ventilen. En feilsikker mekanisme kan inkluderes som trykker akselen tilbake til sin originale posisjon og derved også beveger ventilen til sin originale, eller feilsikre, posisjon.

Description

Undersjøisk elektrisk aktuator med lineær motor

Kryssreferanse til relaterte søknader

Denne søknaden krever prioritet og fordel av den ikke avgjorte US foreløpige patentsøknaden med serienummer 61/056 680, sendt 28. Mai 2008, den fulle framleggelsen er herved inkludert ved referanse.

Oppfinnelsens område

Denen oppfinnelsen gjelder generelt produksjon av olje og gassbrønner, og spesielt en aktuator som omfatter en lineærmotor for bruk med et undershøisk brønnhode.

Beskrivelse av kjent teknikk

Systemer for å produsere olje og gass fra undersjøiske brønnhull inkluderer typisk en undersjøisk brønnhodesammensetning som inkluderer et brønnhodehus festet til en brønnhulls åpning, hvor brønnhullet strekker seg igjennom en eller flere hydrokarbonproduserende formasjoner. Foringsrør og rørlednings hengere er satt av innenfor huset for å støtte foringsrøret og produksjonsrørledningen som er satt inn i brønnhullet. Foringsrøret kler brønnhullet, og derved isolerer brønnhullet ra den omkringliggende formasjonen. Rørledningen ligger typisk konsentrisk innenfor innenfor foringsrøret og tilveiebringer en kanal for å produsere hydrokarboner som er innblandet i formasjonen.

Brønnhodesammensetninger inkluderer også typisk et produksjonstre som er forbundet med den øvre enden av brønnhode huset. Produksjonstreet styrer og distribuerer fluidene som produseres fra brønnhullet. Ventilsammensetningene er typisk tilveiebrakt innenfor brønnhode produksjonstrærne for å styre flyten av olje eller gass fra et brønnhode og/eller for å styre sirkulerende flyt av fluider inn og ut av et brønnhode. Portventiler og andre glidende stammetype ventiler har et ventilelement eller plate og virker ved selektivt å bevege stammen for å sette inn/fjerne ventilelementet til/fra flyten av fluid for å stoppe/tillate flyten etter ønske.

Oppsummering av oppfinnelsen

Framlagt heri er en ventil for en undersjøisk brønnhode sammensetning som inkluderer et ventillegeme som har en fluid flyt passasje, en port som selektivt kan beveges for å åpne og lukke fluid flyt passasjen, magnetiserte segmenter stablet isammen og koblet til porten for bevegelse dermed, og en rekke vindinger som er montert nær de magnetiserte segmentene, slik at flyt av elektrisk strøm gjennom rekken av vindinger tilfører et magnetisk felt for lineært å bevege de magnetiserte segmentene og forårsake at porten beveger seg relativt til rekken av vindinger. Rekken av vindinger kan inkludere stator stag som er anordnet rundt de magnetiserte segmentene, hvert statorstag har en vinding. En multifase elektrisk strømforsyning kan inkluderes som kummuniserer med vindingen til hvert stator stag, hvori tilstøtende vindinger på stator stagene mottar strøm ved en forskjellig fase for hverandre. Fasen til strømmen som leveres til tilstøtende vindinger på stator stagene kan variere med omtrent 120°. Et elastisk element, slik som ei fjær, kan settes i inngrep med de magnetiske segmentene, slik at bevegelse av de magnetiske segmentene fra en første posisjon presser sammen det elastiske elementet og når det magnetiske feltet fjernes, utvider det elastiske elementet seg og beveger de magnetiske segmentene og porten tilbake til den første posisjonen. Rekken av vindinger kan alternativt ha et flertall av stator stag, der hver har en separat vinding, statorstagene har mellomrom i en sirkulær rekke rundt og parallelt til segmentene. De magnetiserte segmentene kan være plateliknende elementer stablet isammen for å danne en aksel, og tilstøtende segmenter har motsatt polaritet.

Heri er det også framlagt en aktuator for bruk med en undersjøisk ventil. I et eksempel inkluderer aktuatoren en ventil som har et legeme, en passasje i legemet, og en port som selektivt er arrangert inn i passasjen. Aktuatoren kan dannes av et hus, en forlenget aksel i huset med magnetiske segmenter lang dens lengde med vekslende polaritet, akselen kan ikke roteres relativt til huset og er aksialt bevegbar relativt til huset, en vindingsrekke anordnet rundt og med mellomrom radialt utover fra akselen, vindingsrekken er fast relativt til huset slik at tilførsel av vekselstrøm til vindingsrekken forårsaker at akselen beveger seg aksialt, og en kopling på akselen som kan festes på porten for å bevege porten sammen med akselen.

Kort beskrivelse avtegningene

Fig. 1 er et sidebilde av av et undersjøisk produksjonstre som har en ventil aktuator i samsvar med den forliggende framleggelsen. Fig. 2 er et perspektivbilde av et eksempel på en lineær motor for bruk med ventilutløseren i Fig. 1. Fig. 3 er et side snittbilde av et eksempel på de undersjøiske aktuatorne i Fig. 1 som har en lineær motor.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

Fig. 1 er et side skjematisk bilde av en brønnhodesammensetning 10 som inkluderer et brønnhode hus 12 anbrakt på havbunnen 8 og forbundet med et hydrokarbonproduserende brønnhull 5. Koblet til den øvre enden av brønnhodehuset 12 er et produksjonstre 14 som har et trehull 36 aksialt dannet gjennom treet 14. Brønnhodesammensetningen 10 og produksjonshullet 5 kan nås igjennom trehullet 36; slik som for produksjon, overhaling, fluidinnsprøytning, eller omløpsoperasjoner. En produksjonspassasje 18 er vist sidelengs som strekker seg fra trehullet 36 til på utsiden av produksjonstreet 14. En vingeventil 16 som er tilveiebrakt i produksjonspassasjen 18 kan bli brukt for selektivt å regulere produksjonsflyten av fluid gjennom produksjonspassasjen 18. En vingeventil-aktuator 20 er skjematisk illustrert og er koblet til vingventilen 16 for dens selektive drift.

Tilleggs fluidflytbaner er vist boret innenfor brønnhodesammensetningen 10 regulert med ventiler på linje; i et eksempel er en fluid flytbane en omløpspassasje 24 illustrert med strekede linjer i brønnhodesammensetningen 10. Omløpspassasjen 24 kan tilveiebringe fluid kommunikasjon fra utsiden av brønnhodesammensetningen 10 og inn i et rørlednings ringhull (ikke vist) dannet imellom produksjonsrørledningen og foringsrøret i borehullet 5. Flyt igjennom omløpspassasjen 24 kan reguleres med en in-line omløpsventil 22 som i sin tur kan styres med en omløps ventil aktuator 26 vist på produksjonstre 14 huset. Det er også vist i strekede linjer i brønnhodesammensetningen 10 en overhalingspassasje ("workover") 30 for transport av overhalingsfluider til en del av brønnhullet 5 hvor overhalings operasjoner gjøres. Fluid igjennom overhalingspassasjen 30 er styrt med en in-line overhalingsventil 28 vist med en tilhørende overhalings ventil aktuator 32 for å drive ventilen 28 åpen, lukket, eller med en styrt åpning. Følgelig kan overhalings og/eller omløpsoperasjoner gjennom brønnhodesammensetningen 10 utføres ved flytende fluid respektive gjennom omløpspassasjen 24 og/eller overhalingspassasjen 30. En kroneventil 34 er arrangert innenfor trehullet 36, en kroneventil en aktuator 38 som er festet til hushullet for å tilveiebringe åpne og lukkemidler for kroneventilen 34.

Et eksempel på en lineær motor 40 er vist i et mulig sideriss i Fig. 2. Den lineære motoren 40 omfatter en stator-rekke 42 som inkluderer en rekke av stator stag 44 arrangert parallelt til hverandre i et generelt sirkulært mønster. En aksel 48 er arrangert innenfor rekke 42 sirkelen og orientert vesentlig parallelt til de individuelle statorstagene 44. Stator stagene 44 inkluderer vindinger 46 arrangert på overflaten til stagene 44 vendt mot akselen 48. Som vist i Fig. 2, inkluderer vindingene 46 løkker 47 av elektrisk ledende materiale som ligger i et plan vesentlig vinkelrett på hvert stag 44. Hvert statorstag 44 kan inkludere multiple grupper av vindinger 47. Vindingene 46 kan hver bli forbundet til en trefase vekslestrøm kraftkilde (ikke vist) hvor de tre fasene er forskjellige med 120°. Tilsvarende kan kraften som forsynes til tilstøtende vindinger på stator stagene 44 være sekvensielt 120° fra hverandre. I en utførelse er antallet av stator stag 44 som omfatter rekken 42 et multippel av 3.

Akselen 48 er et sylindrisk element som omfatter magnetiserte segmenter 50 stablet langs en felles akse, som også er aksen til stator rekken 42. Segmentene 50 kan omfatte en permanentmagnet eller en elektromagnet, eller kan være midlertidig magnetisert. I den viste utførelsen har hvert segment 50 en forskjellig polaritet enn de tilstøtende segmentene 50. Tilførsel av magnetiske felter ved strategiske lokasjoner på akselen 48 utøver et magnetisk moment som kan bevege akselen 48 i en retning langs dens akse Ax. For eksempel kan flytende strøm igjennom spolene eller vindingene 46 til rekka 42 som beskrevet over danne magnetiske felter som virker på segmentene 50 for å bevege akselen 48. Retningen til aksel 48 bevegelsen avhenger av retningen til den elektriske strømflyten gjennom de individuelle spolene 46.

Et side snittbilde av en utførelse av en aktuator 52 som inkluderer en lineær motor 40 er vist i

Fig.3. Aktuatoren 52 omfatter en forlenget og vesentlig hult ytre hus 54. Et endedeksel 55 dekker en ende av huset 54 og en ventilkappe 64 er anbrakt i en ende av huset 54 motsatt for endedekselet 55. En ventilstamme 58 er vist satt inn gjennom et aksialt hull 65 i kappa 64 og stikker inn i huset 54, hvor en kobling 56 forbinder ventilstammen 58 til den lineære motorakselen 48. En ventilport 60, festet til den ledige enden av ventilstammen 58, en åpning 62 dannet gjennom porten 60. Vist i strekede linjer er et eksempel på en ventilkropp 63 som har en tilhørende fluidpassasje 67 igjennom legemet 63. Ventilaktuatoren 52 kan brukes med enhver av de ventilene som er nevnt i Fig 1 på brønnhodesammensetningen 10. Likevel, bruk av akuatoren 52 er ikke begrenset til ventilene i Fig. 1, men kan inkludere enhver ventil forbundet med undersjøisk produksjon eller enhver ventil lokalisert under sjøen.

Som beskrevet over, beveger aktivering av spolene 46 innenfor stator stengene 44 akselen 48 lineært. Når den lineære motoren 40 er koblet til en ventilstamme 65, beveges stammen 65 med akselen 48 for selektivt å åpne og/eller lukke den tilhørende ventil (ikke vist). I en utførelse for bruk, kan en selektiv passasje eller blokkering av flyten oppnås med ventilporten 60 ved aktivering av spolene 46 for å strekke ut akselen 48 fra den lineære motoren 40.1 utførelsen i Fig.3, vil bevegelse av akselen 48 utover i sin tur trykke ventilporten 60 fra sin kappe 64, slik at åpningen 62 kommer på linje med passasjen 67 for å åpne ventilen. Baklengs strømflyt igjennom spolene 46 drar akselen 48 og ventilstammen 58 i en retning mot endedekselet 55 for å posisjonere ventilporten 60 som vist i Fig. 3. Valgfritt kan åpningen 62 lokaliseres på enden lengst unna av porten 60 slik at ventilen er lukket ved trykking av ventilstammen 58 og åpnet ved å dra ventilstammen 58.

Et feilsikkert stempel 68 er vist koaksialt arrangert innenfor huset 54 og avgrenser en ende av motoren 40.1 eksemplet i Fig. 3 inkluderer stempelet 68 et hult sylindrisk hus 71 med en flens 70 rundt dens ytre flate. Huset 71 er vist videre og har en lukket ende 69 og en åpen ende 73. Stempelet 68 er orientert slik at den lukkede enden 69 er nær ventilkappen 64 og den åpne enden 73 er nær endedekselet 55. Et hull 72 er tilveiebrakt i den lukkede enden 69 for å tilpasse passasje av ventilstammen 58. Ei fjær 66 er vist koaksialt innenfor huset 54 og henger ned fra en ende tilstøtende ventilkappa 64 inn i det ringformede rommet mellom stempelhuset 71. Koblingen 56 inkluderer en krysspinne 57 vist i inngrep med den lukkede enden 69 slik at stempelet 68 beveger seg når koplingen 56 beveges mot ventilkappa 64.

Den radiale flensen 70 er dimensjonert for å kontakte og trykke sammen fjæra 66 når den beveges mot ventilkappa 64. Hvis kraften tapes til spolene 46, beveger potensiell energi som er lagret i de sammenpressede fjærene ventilstammen 58, og retter inn ventilporten 60 til en feilsikker posisjon. Likevel bør det pekes på at aktuatoren 52 kan konfigureres slik at aktivering av motoren 40 og utstrekking av ventilstammen 58 produserer selektiv blokkering av en korresponderende ventil og hvori tilbaketrekkingen av akselen 48 og ventilstammen tillater flyt igjennom den tilhørende ventil.

Valgfritt kan aktuatoren konfigureres til feil åpen. Dette kan oppnås med den foreliggende fjær 66 og flens 70 arrangementet ved å reversere åpning 62 lokasjonen på ventilporten 60 til dens lavere ende. Alternativt er også aktuatoren konfigurerbar til å forbli "som den er" ved en feil. Aktuatoren 52 kan brukes med en undersjøisk manifold, et vertikalt brønnhode, et horisontalt brønnhode, og enhver annen type av undersjøisk anvendelse.

Det foreliggende systemet og framgangsmåten beskrevet heri er derfor vel tilpasset for å utføre og oppnå de allmenne interesser og fordeler som nevnt, så vel som de som er innebygd deri. Mens en for tiden foretrukket utførelse er gitt med hensikten å legge fram, finnes det tallrike endringer av detaljene til prosedyrene for å oppnå deønskede resultater. Disse og andre tilsvarende modifikasjoner vil klart foreslå seg selv for de som er faglært på området, og er ment å være omsluttet innenfor ånden av den forliggende oppfinnelsen som er framlagt heri og omfanget av de vedlagte kravene.

Claims (17)

1. Ventil for en undersjøisk brø nnhodesammensetning, karakterisert ved at den omfatter: - et ventillegeme som har en fluid flyt passasje; - en port selektivt bevegelig for å åpne og lukke fluid flytpassasjen; - magnetiserte segmenter stablet sammen og koblet til porten for bevegelse dermed; og - en vindingsrekke montert nær de magnetiserte segmentene, slik at flyt av elektrisk strøm igjennom vindingsrekken tilfø rer et magnetisk felt for lineært å bevege de magnetiserte segmentene og forårsake bevegelse av porten relativt til vindingsrekken.

2. Ventil i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at vindingsrekken omfatter statorstag arrangert rundt de magnetiserte segmentene, hvert stator stag har en vinding.

3. Ventil i samsvar med patentkrav 2, karakterisert ved at den videre omfatter en multifase elektrisk strømforsyning som kommuniserer med vindingen til hvert stator stag, hvori tilstø tende vindinger på stator stagene mottar strøm med forskjellig fase fra hverandre.

4. Ventilen i samsvar med patentkrav 3, karakterisert ved at fasen på strømmen som leveres til tilstø tende vindinger på stator stagene varierer med omtrent 120°.

5. Ventilen i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at den videre omfatter et elastisk element i inngrep med de magnetiserte segmentene, slik at bevegelse av de magnetiserte segmentene fra en første posisjon trykker sammen det elastiske elementet og når det magnetiske feltet fjernes, strekker det elastiske elementet seg ut og beveger de magnetiserte segmentene og porten tilbake til den første posisjonen.

6. Ventil i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at vindingsrekken omfatter et flertall av stator stag, der hvert har en separat vinding, stator stagene har mellomrom i en sirkulær rekke rundt og parallelt til segmentene.

7. Ventil i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at de magnetiserte elementene er plate lignende elementer stablet i sammen for å danne en aksel, og tilstø tende segmenter har motsatt polaritet.

8. Aktuator for bruk med en undersjøisk som har et legeme, en passasje i legemet, og en port som valgfritt er oppstilt inn i passasjen, karakterisert ved at aktuatoren omfatter: - et hus; - en forlenget aksel i huset med magnetiske segmenter langs dens lengde med vekslende polaritet, akselen er ikke roterbar relativt til huset og er aksialt bevegelig relativt til huset; - en vindingsrekke arrangert rundt og med mellomrom radialt utover fra akselen, vindingsrekken er fast relativt til huset slik at tilførsel av vekselstrø m til vindingsrekken forårsaker at akselen beveger seg aksialt; og - en kobling på akselen som kan festes til porten for å bevege porten sammen med akselen.

9. Aktuator i samsvar med patentkrav 8, karakterisert ved at vindingsrekken omfatter forlengede stator stag som begrenser akselen, og har minst en vinding.

10. Aktuator i samsvar med patentkrav 8, karakterisert ved at statorstagene er parallelle til akselen og med mellomrom mellom hverandre.

11. Aktuator i samsvar med patentkrav 10, karakterisert ved at de tilstø tende vindingene på stator stagene har en flyt av elektrisk strøm som varierer med omtrent 120°.

12. Aktuator i samsvar med patentkrav 8, karakterisert ved at akselen omfatter en stabel med magnetiske segmenter med vekslende polaritet.

13. Aktuator i samsvar med patentkrav 8, karakterisert ved at den videre omfatter et elastisk element i inngrep med de magnetiserte segmentene, slik at bevegelse av de magnetiserte segmentene fra en første posisjon trykker sammen det elastiske elementet, og når det magnetiske feltet er fjernet, strekker det elastiske elementet seg ut og beveger de magnetiske segmentene og porten tilbake til den første posisjonen.

14. Framgangsmåte for å styre flyten igjennom en brø nnhodesammensetning karakterisert ved at den omfatter: - å koble en port til en ikke-roterbar aksel som har vekslende polaritet langs sin lengde; og - generere et magnetisk felt rundt akselen slik at slik at feltet samvirker med akselen for å danne et magnetisk moment på akselen for å bevege akselen og porten lineært fra en første posisjon til en andre posisjon.

15. Framgangsmåte i samsvar med patentkrav 14, karakterisert ved at den videre omfatter reversering av polariteten til det magnetiske feltet for å bevege akselen og porten fra den andre posisjonen til den første posisjonen.

16. Framgangsmåte i samsvar med patentkrav 14, karakterisert ved at den videre omfatter en sammenpressing av et elastisk element ved kontakt med de magnetiske segmenter, slik at bevegelse av de magnetiske segmentene fra en første posisjon til en andre posisjon trykker sammen det elastiske elementet og når det magnetiske feltet er fjernet, utvider det elastiske elementet seg og beveger de magnetiske segmentene og porten tilbake til den første posisjonen fra den andre posisjonen.

17. Framgangsmåt i samsvar med patentkrav 14, karakterisert ved at det videre omfatter flyt av elektrisk strøm igjennom vindingene arrangert rundt akselen og forsyning av elektrisk strøm som varierer med 120° til lineært tilstø tende vindinger.