NO20120544A1 - Trykkutjevning for en kuleventil ved hjelp av et øvre pakningsomløp - Google Patents

Description

TEKNISK OMRÅDE

Det tekniske området for foreliggende oppfinnelse er en trykkutjevnings-anordning for undergrunns- eller brønnhullsventiler, og mer spesielt en måte for å utligne et innfanget lavere trykk i en kule eller en plugg for en ventil uten å måtte kjøre inn et verktøy i ventilen.

TEKNISK BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN

Brønnhullsventiler blir brukt for å isolere deler av et brønnhull av en rekke grunner slik som for sikkerhetssystem eller for å tillate oppbygging av lang bunnhullsanordning i brønnhullet, for å nevne et par eksempler. Slike ventiler har omfattet en roterende kule med en gjennomgående boring som kan bli innrettet med eller feilinnrettet med banen gjennom rørstrengen der hvor ventilen er montert. Kulen er omgitt av et glidehus som blir drevet av et hydraulisk styresystem fra overflaten. En slik konstruksjon som omfatter motstående stempler drevet av diskrete styreledninger, er illustrert i US-publikasjon 2009/0184278. Denne utformingen dreier seg om en trykkubalanse på et drivstempel og tilveiebrakte en passasje gjennom stempelet med to tilbakeslagsventiler 64, 70 i serie for å muliggjøre trykkutjevning over drivstempelet med kulen i den lukkede stillingen.

Det som kan skje i en kuleventil av denne typen som har øvre og nedre seter mot kulen i den lukkede stillingen, er at trykket fra brønnhullet kan stige, noe som fører til en trykkdifferanse mellom passasjen inne i kulen og brønnhullstrykket. Denne trykkdifferansen kan deformere kulen og gjøre det vanskelig eller umulig for stempelaktiveringssystemet å bringe kulen tilbake til den åpne stillingen. En måte som dette er blitt løst på, er beskrevet i en US-patentsøknad nr. 12/366,752 inngitt 6. februar 2009 med tittelen «Pressure Equalization Device for Downhole Tools». Den løsningen som er beskrevet i denne søknaden, var å bruke et verktøy som går inn i den øvre hylsen som holder et sete mot kulen, og separere setet fra kulen mens det leveres trykk fra overflaten samtidig for å utjevne trykket på kulen før forsøk på å roere den til den åpne stillingen. Problemet med denne teknikken er at den krever en innkjøring i brønnen med oppkveilingsrør, låsing til og forskyvning av den øvre hylsen og det tilhørende setet nok til å gi tilgang inn i kulen for utjevning av trykk. Én av ulempene med denne teknikken er at det trykket som tilføres for å forsøke å utjevne trykket i kulen kan være høyt nok til å forskyve det nedre setet fra kulen slik at det høyere trykket under kulen kan komme til oversiden av kulen. Denne teknikken er også tidkrevende og koster operatøren penger og krever spesialutstyr på brønnstedet som kan være fjerntliggende eller til havs og medfører ytterligere kostnader med arbeidet for å betjene ventilen når den utsettes for høye differensialtrykk som øker betjeningsfriksjon eller deformerer kulen nok til å gjøre det vanskelig for det hydrauliske systemet å rotere den.

I sikringsventiler av klafftypen slik som USP 5,564,502, er den foretrukne fremgangsmåten for å tilveiebringe trykkutjevning på en lukket klaff, ganske enkelt å tilveiebringe rørledningstrykk på oversiden av klaffen for å redusere differensial-trykket før bruk av betjeningssystemet til å forsøke å dreie klaffen. Klaffen er selvsagt konstruert for å dreie seg til åpen stilling med trykk påført fra oversiden slik at denne teknikken ikke utligner trykket omkring klaffen når den er lukket, men ganske enkelt bygger opp trykk over den når den er lukket. Andre utjevningsventiler montert i klaffen blir aktivert av det hydrauliske systemet som beveger et strømningsrør nedover og støter mot utjevningsventilen før klaffen kommer i kontakt med strømningsrøret, som vist i USP 6,848,509 eller 4,478,286.

Relevant er også US-publikasjonene 2001/0045285; 2009/0184278 og USP 4,130,166; 4,197,879; 4,288,165; 4,446,922; 5,865,246; 6,223,824; 6,708.946; 6,695,286 og 4,368,871.

De grunnleggende komponentene i ventilen på fig. 1 er vist mer detaljert i US-publikasjon 2008/0110632 hvis beskrivelse herved i sin helhet inkorporeres ved referanse som en fullstendig beskrivelse. De delene av ventilen som er relevante for forståelse av foreliggende oppfinnelse og for fullstendighetens skyld, vil bli gjengitt tilstrekkelig detaljert nedenfor slik at det kan gis en fullstendig forståelse av virkemåten til foreliggende oppfinnelse. Selv om aktiveringssystemet for ventilen på fig. 1 i det foreliggende tilfellet er noe forskjellig ved at det bruker mekanisk drevne stagstempler for å bevege kulehuset, er resten av konstruksjonen av kulen og den måten den tetter og dreies på, den samme bortsett fra at foreliggende oppfinnelse blir anvendt til å utjevne trykk mellom innsiden av den lukkede kulen og trykket under kulen ved anvendelse av trykk fra oversiden for å utføre et omløp for en opphullspakning for å oppnå trykkutjevning.

Fagkyndige på området vil bedre forstå hvordan trykkutjevning blir oppnådd før kulen blir dreiet, ut fra den detaljerte beskrivelsen av den foretrukne utførelses-formen og de vedføyde tegningene samtidig som man vil forstå at teknikken ikke på noen måte er begrenset til kuleventiler i brønner, men kan brukes i en lang rekke forskjellige verktøy hvor innfanget trykk resulterer i differensialtrykk som kan skade den komponenten som skal beveges eller betjeningssystemet for denne hvis slike differensialtrykk ikke blir opphevet før forsøk på å bevege komponenten. Fagkyndige på området vil videre forstå at det fullstendige omfanget av oppfinnelsen er å finne i de vedføyde patentkravene.

OPPSUMMERING AV OPPFINNELSEN

Et trykkutjevningssystem tillater strømning forbi en øvre pakning på et bevegelig organ i et brønnhull som igjen gjør det mulig for trykk å bli levert fra oversiden inn i det som tidligere hadde vært en isolert lavtrykksone. Trykkdifferansen over organet blir utlignet før forsøk på å bevege organet til en annen stilling. I den foretrukne utførelsesformen er organet en kule i en kuleventil for undergrunnsbruk.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

Fig. 1 er et snitt gjennom en kuleventil i lukket stilling og som innbefatter den

delen hvor trykkutjevningsanordningen er plassert;

Fig. 2 er en forstørret skisse av ventilen på fig. 1, som viser banen for

trykkutjevning med tilført trykk fra oversiden; og

Fig. 3 er en alternativ utførelsesform til den konstruksjonen som er vist på fig. 2.

DETALJERT BESKRIVELSE AV DEN FORETRUKNE UTFØRELSESFORMEN

Fig. 1 viser et flerkomponenthus 10 som inneholder en kule 12 festet med tapper 14 til en ramme 16. Et bur 18 strekker seg gjennom den åpne rammen 16 og er forbundet med kulen 12 i avstand fra de sentrale svingtappene 14 slik at buret 18 kan gli i motsatte retninger som resulterer i en 90 graders rotasjon av kulen 12 mellom en åpen stilling og den illustrerte lukkede stillingen. En koblingsstagenhet 20 er festet til buret 18 ved en koblingsposisjon 22. Et forskyvningsverktøy (ikke vist) kan bringes i inngrep med koblingsstagenheten 20 for selektivt å bevege det frem og tilbake for å åpne eller lukke kulen 12.

En nedre setehylse 24 har et sete 26 i hvilket en pakning 28 er plassert for kontakt med kulen 12. Hylsen 24 er forspent mot kulen 12 ved hjelp av en fjær som ikke er vist, som er plassert på huset 10, men lenger ned i hullet. En øvre setehylse 30 har et sete 32 i hvilket en pakning 34 er plassert for kontakt med kulen 12. Forspenningsfjæren som ikke er vist, skyver sammenstillingen av den nedre setehylsen 24, kulen 12 og dens ramme 16 og den øvre setehylsen 30 mot huskomponenten 36. Buret 18 beveges i forhold til rammen 16 og over rammen 16 for å betjene kulen 12. En pakning 38 tetter mellom den nedre setehylsen 24 og huset 10. Pakningene 38 og 28 holder sammen brønnhullstrykket i høytrykkssone 40 fra å nå lavtrykkssonen 42 som strekker seg fra undersiden til over buret 18 og videre omslutter passasjen 44 inne i kulen 12.1 den lukkede stillingen forflyttes trykk i sonen 42 inn i passasjen 44 omkring tappene 14. Over kulen 12 er sonen 42 videre avgrenset av en pakning 34 plassert i den øvre setehylsen 30, så vel som pakningen 46 som er vist på fig. 2, og pakningen 48 omkring den forskjøvne enheten 20. En øvre trykksone 50 blir følgelig definert av disse pakningene. Foreliggende oppfinnelse angår en trykkubalanse hvor trykk i sonen 40 går opp når kulen 12 er i den lukkede stillingen og et lavere trykk blir innfanget i sonen 42 som innbefatter passasjen 44 inne i kulen 12. Denne trykkforskjellen kan øke betjeningsfriksjonen eller deformere kulen 12, noe som kan gjøre det vanskelig å dreie denne slik at ethvert forsøk på å rotere kulen 12 mens den er utsatt for en slik trykkforskjell, kan påvirke skyvestagenheten 20 eller dens pakning 48 eller selve kulen 12 på en ugunstig måte. Foreliggende oppfinnelse tillater trykk tilført sonen 50 før rotasjon av kulen 12, å komme forbi pakningen 46 og inn i sonen 42 som også innbefatter passasjen 44 i kulen 12. Forskjellige utførelsesformer er presentert på fig. 2 og 3 som blir diskutert nedenfor.

Som vist på fig. 2, har den øvre setehylsen 30 en ytre skulder 52 som er forspent ved hjelp av den fjæren som tidligere er beskrevet og ikke vist, mot skulderen 54 på huskomponenten 36. Selv om den er vist atskilt på fig. 2 for å tydeliggjøre illustrasjonen av strømningsbanen inn i sonen 42 representert ved piler merket 56, vil overflatene 52 og 54 normalt være i berøring med hverandre, men det er ingen pakning mellom dem. For å utligne trykket i sonen 42 og innbefatte strømningspassasjen 44 i kulen 12, blir trykk bygget opp i sonen 40, hovedsakelig fra overflaten med tilgjengelig utstyr eller trykk-kilder. Trykket i sonen 42 virker på den fortrinnsvis metalliske pakningen 46 mellom fremspring 58 og 60 for å holde dem fra hverandre for å beholde trykket i sonen 42 for derved å hindre trykk-kommunikasjon fra sonen 42 inn i den øvre sonen 50. Når man husker at formålet er å utjevne trykkforskjellen mellom sonene 42 og 40 ved å heve trykket i sonen 50 til et omløpspunkt for pakningen 46, vil fagkyndige på området forstå at den c-formede ringpakningen 46 er utformet for å motstå strømning eller trykktap fra sonen 42 inn i sonen 50, men også er i stand til å tillate strømning og trykkmigrasjon når trykket i sonen 50 blir hevet betydelig over trykket i sonen 42. Under normale operasjoner kan en viss lekkasje fra sonen 50 inn i sonen 42 aksepteres, fordi volumet vil være ubetydelig når det gjelder å påvirke betjeningen av ventilenheten. Pakningen 46 har et u-formet tverrsnitt og er en kommersielt tilgjengelig pakning.

Fig. 3 er en alternativ utførelsesform som viser deler 30 og 36 med en liten klaring 62 som er avstengt ved hjelp av en pakning 64 i et omgivende spor 66. Utjevningskonseptet på fig. 3 er det samme som på fig. 2. Trykk blir innført fra sonen 50 som typisk vil komme fra overflaten. Ved en forutbestemt differanse mellom sonene 50 og 42, vil pakningen 64 bli skjøvet ytterligere tilbake i sporet 66, og strømning vil oppstå forbi pakningen 64 for å øke trykket i sonen 42 for å få det nærmere trykket i sonen 40 slik at koblingsstagenheten 20 sikkert kan opereres med liten eller ingen risiko for skade på enheten 20 eller dens pakning 48, eller selve kulen 12.

Fagkyndige på området vil forstå at de beskrevne fremgangsmåtene for trykkutjevning er billigere og raskere enn innkjøring av et verktøy i ventilenheten for å skaffe tilgang til sonen 42 ved fysisk å forskyve en del slik som setehylsen 30 for å få pakningen 34 bort fra kulen 12 slik at trykk fra brønnhodet så kan tilføres for å utjevne trykket mellom sonen 42 og sonen 40. Ifølge foreliggende oppfinnelse behøver huset ikke å være kostbart maskineri for indre omløpspassasjer som behøver én eller flere tilbakeslagsventiler med små bevegelige deler som også må beskyttes fra smuss som kan være i brønnfluidet. Bare frembringelsen av nok differensialtrykk over en pakning slik at strømning og trykk kan migrere fra sonen 50 inn i sonen 42, får i stedet jobben gjort, og kulen 12 kan så betjenes på vanlig måte.

Den ovenfor gitte beskrivelsen er illustrerende for den foreliggende

utførelsesformen og forskjellige alternativer, og er ikke ment å omfatte det bredeste omfanget av oppfinnelsen som blir bestemt av de vedføyde patentkravene og deres fullstendige omfang, bokstavelig og ekvivalent.

Claims (18)

1. Utjevningssystem for et undergrunnsverktøy som kan betjenes fra overflaten gjennom en rørstreng, omfattende: et hus med en gjennomgående passasje og et bevegelig organ som kan opereres i passasjen for selektivt å lukke passasjen mens det defineres en nedre trykksone og en øvre trykksone, idet sonene er atskilt ved hjelp av en mellomliggende trykksone slik at det bevegelige organet blir utsatt for en positiv trykkdifferanse fra den nedre sonen i forhold til den mellomliggende sonen; de øvre og mellomliggende sonene er atskilt ved hjelp av minst én pakning hvoretter pakningen ved trykkoppbygging i den øvre sonen, blir ført forbi etter hvert som trykket blir endret i den mellomliggende sonen ettersom strømning fra den øvre sonen inn i den mellomliggende sonen bringer den mellomliggende sonen nærmere trykket i den nedre sonen for å lette bevegelse av det bevegelige organet for å åpne passasjen.

2. System ifølge krav 1, hvor: pakningen er en ettergivende ringpakning.

3. System ifølge krav 2, hvor: pakningen har et sirkulært tverrsnitt.

4. System ifølge krav 2, hvor: pakningen er anordnet i et spor og strekker seg mot en motstående tetningsflate inntil trykkoppbyggingen i den øvre sonen beveger pakningen fra den motstående tetningsflaten for å tillate trykk å bygge seg opp i den mellomliggende sonen.

5. System ifølge krav 4, hvor: det bevegelige organet omfatter en kule med en gjennomgående strømningsbane og en øvre setehylse og en nedre setehylse i tettende kontakt med kulen i passasjen på motsatte sider av kulen; idet pakningen er anordnet på en ytre overflate av den øvre setehylsen for selektivt å tette mot den motstående tetningsflaten som befinner seg på huset.

6. System ifølge krav 5, hvor: den øvre setehylsen definerer en klaring i forhold til huset i en bane som fører fra den øvre trykksonen til pakningen med den mellomliggende trykksonen tilgjengelig på den motsatte side av pakningen fra klaringen.

7. System ifølge krav 1, hvor: pakningen omfatter et tverrsnitt med et gap definert av atskilte ben.

8. System ifølge krav 7, hvor: gapet er orientert mot den mellomliggende trykksonen.

9. System ifølge krav 8, hvor: det bevegelige organet omfatter en kule med en gjennomgående strømningsbane og en øvre setehylse og en nedre setehylse i tettende kontakt med kulen i passasjen på motsatte sider av kulen; idet pakningen er anordnet på en ytre overflate av den øvre setehylsen for selektivt å tette mot den motstående tetningsflaten som befinner seg på huset.

10. System ifølge krav 9, hvor: kulen blir betjent av et stag som har en stagpakning omkring seg for å tette mot huset for å separere høytrykks- og lavtrykkssonene.

11. System ifølge krav 10, hvor: kulen blir operert for å rotere i motsatte retninger for å åpne og lukke passasjen ved hjelp av en kraft påført staget.

12. System ifølge krav 9, hvor: den nedre setehylsen videre omfatter en nedre hylsepakning mot huset for å isolere lavtrykkssonen fra den mellomliggende trykksonen.

13. System ifølge krav 9, hvor: den nedre setehylsen omfatter et nedre sete med en elastisk pakning i det nedre setet i kontakt med kulen; idet den øvre setehylsen omfatter et øvre sete med en elastisk pakning i det øvre setet i kontakt med kulen.

14. System ifølge krav 13, hvor: en ramme svingbart understøtter kulen på en akse gjennom dens sentrum, hvor rammen holder pakningene på de øvre og nedre setene mot kulen.

15. System ifølge krav 14, hvor: et bur er montert gjennom rammen og er forbundet med kulen utenfor dens sentrum, hvor kulen er svingbart understøttet av rammen slik at aksial bevegelse av buret roterer kulen.

16. System ifølge krav 15, hvor: kulen blir betjent ved hjelp av et stag forbundet med buret; idet staget har en stagpakning omkring seg for å tette mot huset for å atskille høytrykks- og mellomtrykkssonene.

17. System ifølge krav 16, hvor: kulen blir betjent for å rotere i motsatte retninger for å åpne og lukke passasjen med en kraft påført staget og overført til buret.

18. System ifølge krav 7, hvor: pakningen er av metall.