NO20140877L - Anordning og fremgangsmåte for ekspandering av rørdeler - Google Patents

Abstract

Det er beskrevet verktøy for ekspandering av nedihulls-rør inn i hverandre eller i et åpent hull. En utførelse bruker en bevegelig konus (50) som av Bellevilleskiver er forbelastet til å bevege seg i lengderetningen mot slik forspenning, og å tillate spennarmer (40) å bevege seg radialt inn eller ut til en forhåndsbestemt maksimum diameter. Et utløsningssystem tillater tilbaketrekking av spennarmer for å unngå fasthenging ved uttak. I en alternativ utførelse, som er mer egnet ved anvendelser i åpne hull, skyver trykksatt gass en bevegelig konus i lengderetningen mot spennarmene. En stasjonær konus er på den motsatte side av spennarmene i forhold til den bevegelige konus. Spennarmene rir ut eller inn mellom konusene og hever gasstrykket når de presses inn. En trykkaktuert utløsning gjør at den nedre konus kan forflyttes nedover for å gjøre det mulig for spennarmene å trekke seg tilbake for uttak.

Description

Feltet for denne oppfinnelsen vedrører ekspansjon av rør inn i andre rør nedihulls eller i åpne hull ved bruk av foringer, skjermer eller produksjonsrør, både som en fremgangsmåte og det spesifikke utstyr, som kan brukes til å utføre frem-gangs-

måten.

Tidligere har rør blitt ekspandert inn i foringsrør for det formål å utbedre øde-lagte foringsrør eller å henge opp en foringsstreng. Foringsrøret kan i forskjellige anvendelser ha forskjellig veggtykkelse for en bestemt størrelse av foringsrør, avhengig av kravene til den bestemte brønnen. På grunn av dette er det et problem ved bruk av en konus som drives inn i et rør for å ekspandere det til en gitt foringsrørstørrelse. Hvis kilen eller konusen har en fast dimensjon, kan den henge fast i et foringsrør med tykk vegg, hvor behovet for å ekspandere røret er mindre enn hvis foringsrøret hadde enn tynnere vegg.

I åpne hull kan det samme problemet oppstå, så vel som andre problemer. Mengden radial ekspansjon er større ved ekspandering av rør, foringer eller skjermer

i åpne hull. Den lineære lengde uttrykt i fot av ekspansjon er dramatisk lengre enn ved innfesting av en foing til foringsrør eller utbedring av foringsrør med et rør. Hov-edformålet med ekspandering av en forings/skjerm i et åpent hull er å komme så nær det åpne hullets borehulls om mulig, både for å maksimere den innvendige diameter (for etterfølgende operasjoner) og å minimalisere, eller eliminere, det ringformede område mellom foringen/skjermen for å begrense aksial ringformet strømning. Et borehull i form av et åpent hull har imidlertid vanligvis ikke en ensartet diameter og form, og kan består av utvaskede områder så vel som seksjoner som kan ha falt del-vis sammen innover. Dette gjør bruk av en stukekonus med fast diameter noe upraktisk ved åpenhulls-anvendelser, ettersom den ikke har evnen til å justeres med u-regelmessigheter i borehullet. En stupekonus med fast diameter kan ikke kompen-sere for forstørrede hull for å tilveiebringe kontakt mellom borehullets vegg og foringen, og kan hindre passasje gjennom foringen/skjermen når den treffer på et område i borehullet som har falt sammen.

I forbindelse med utbedring av foringsrør, viser en innretning som er vist i US patent 3.78.193 bruk av en spindel med spennarmer som holdes i en tilbaketrukket posisjon for innkjøring. Når en skjærpinne brytes over ved den ønskede lokalisering, skyver en fjær 49 opphulls på spennarmene. Spennarmene har radialt forløpende pinner 35, 36 og 37 med endekonuser som er i inngrep med en langsgående orien-tert drivpinne 40, som i sin tur forbelastes av en stabel av Bellville-skiver. På et trangt sted under ekspansjonen, skyves spennarmene 31 radialt innover, og det samme skjer med de radialt forløpende pinner. Denne radiale bevegelse omformes til langsgående bevegelse av pinnen 40 mot kraften fra Belleville-skivene 43. Denne designen har flere ulemper. Det er ingen måte for å trekke tilbake spennarmene etter at skjærpinnen 51 er brutt over. Dette kan danne potensielle fasthengingsproblemer ved uttaksoperasjonen etter ekspansjon. Denne designen gjør det vanskelig å justere forbelastningen på Belleville-skivene. Til slutt, den påførte kraften for å holde spennarmene ekspandert fra Belleville-skivene må overføres i en rett vinkel, mens relativ bevegelse forventes mellom pinnene, så som 35 og spennarmene 31. Denne relative bevegelse, sett i lys av delenes orienteringer, kan resultere i at laster påføres på spennarmene på et annet punkt enn direkte bak ribbene 31 h. Hvis dette skjer kan spennarmene deformeres.

Annen relevant teknikk innen feltet rørekspansjon omfatter US patenter: 3.358.760; 4.487.052; 4.602.495; 5.785.120; 6.012.523; 6.112.818.

Forskjellige utførelser av den foreliggende oppfinnelse har blitt utviklet for å råde bot på manglene ved kjente design. I tilfelle av hengende rør eller foringer i fo-ringsrør eller utbedring av foringsrør, har det blitt utviklet en fleksibel stukekonus som har en bevegelig konus som forbelastes av Belleville-skiver, hvor den bevegelige konus er i langsgående innretting med spennarmene, og med en skråflate skyver dem radialt når den føres frem i lengderetningen. Denne foretrukne utførelse inkorporerer en skjærutløsning for å lette tilbaketrekking av spennarmene for uttak.

For åpenhulls-anvendelser har det blitt utviklet en foretrukket utførelse for å råde bot på de unike krav til store radiale ekspansjoner, hvilke krever høye belast-ninger i avgrensede rom, og over store avstander. Den foretrukne design råder bot på mangler ved designen av stukekonusen med fast diameter. Den justerbare stukekonus tillater og kompenserer for uregelmessighetene i borehullet i form av et åpent hull. Dette utføres ved å bruke en stukekonus av spennarmtypen, hvilken tillater dia- metrisk varians i avhengighet av tilstanden til dobbeltkonus-sammenstillingen nedenfor (støttestruktur for spennarmen). Drivsystemet for konussammenstillingen er fortrinnsvis nitrogengass. En gassdriftdesign brukes på grunn av det store diametrale område som dekkes av spennarmdesignen. Mekaniske drivmekanismer, selv om de kanskje er enklere, er upraktiske på grunn av den relativt store aksiale forflytning av den øvre drivkonus under normale operasjoner av innretningen (d.v.s. at en stabel av Belleville-fjærer vil være upraktisk lang til å tillate slik høy aksial bevegelse ved den ønskede kraft for ekspansjon av foring/skjerm). En skruefjær ville simpelthen ha for stor diameter for den tilgjengelige plass og kravet til kraftlevering.

Før innkjøring i hullet, fylles gassdriftsammenstillingen med flere trinn (term-iske effekter når verktøyet kjøres inn i hullet tas med i beregningen) for å muliggjøre ca 889,64 kN drivkraft mot stukespennarmen. Basert på laboratorietesting er denne kraften tilstrekkelig til å stuke både utgangsrør med hel vegg og utgangsrør som er perforert (skjerm). I denne tilstand ekspanderes spennarmen til en designet diameter for å muliggjøre overensstemmelse med borehullet, selv i en noe forstørret tilstand. Når stukekonusen skyves inn i den uekspanderte foring/skjerm ekspanderer den røret utover til full diameter av spennarmen. Hvis hullet er underdimensjonert eller ved kaliberdiameter (boret diameter) vil foringen/skjermen møte motstand ved kontakt med brønnhullet. For å skyve stukekonusen gjennom, driver spennarmen den øvre konus oppover mot den nitrogen-fylte sylindersammenstilling. Når dette skjer tillater konusen som beveger seg oppover at stukespennarmen trekker seg sammen i diameter inntil den kan passere gjennom det ekspanderte rør. Høytrykkskammerne for gass-sammenstillingen er også komprimert, hvilket danner trykkøkningen, og føl-gelig lasten på stukespennarmen. Denne samme prosessen skjer også hvis en sammenfalt seksjon av borehullet påtreffes. Stukespennarmen trekker seg simpelthen tilbake innover når økt kraft påføres mot den gassfylte drivsammenstilling. Den gassfylte drivsammenstilling vil for eksempel begynne å bevege seg oppover når en last på ca 889,64 kN påføres på spennarm-sammenstillingen, og vil tillate full tilbaketrekking av spennarmen når det påføres en last på ca 1 334,47 kN.

Et annet trekk ved den foretrukne design er at den gassfylte sammenstilling er uavhengig, og ikke sensitiv overfor, bunnhullstrykket (hydrostatisk). Designen av stempel-sylindersammenstillingen muliggjør kraftbalanse med hensyn til hydrostatisk trykk. Kraften som frembringes av sammenstillingen dikteres kun av trykkdifferansen mellom lavtrykks («low pressure» LP) og høytrykks («high pressure» HP) gasskam-merne i sammenstillingen.

Videre har et de-aktiveringstrekk, eller utløsningstrekk, blitt designet inn i den foretrukne utførelse av verktøyet, for å muliggjøre full tilbaketrekking av stukekonusen i tilfelle sammenstillingen må trekkes fra brønnen i en nødsituasjon (så som at bunnhulls-sammenstillingen kjører seg fast), eller så snart den samlede foring/skjerm har blitt ekspandert og bunnhulls-sammenstillingen skal trekkes fra brønnen. Verkt-øyet vil i en utløst tilstand ikke trekke i foringen, og muligens kjøre seg fast, når det trekkes fra brønnen. Utløsningsmekanismen opereres fortrinnsvis ved å påføre innvendig trykk som er tilstrekkelig til å forflytte sylinderen som dekker låsehakene oppover, hvilket gjør at hakene ikke blir støttet, og at de er fri til å løsgjøres med spindelen. Dette gjør at den nedre stasjonære konus kan bevege seg nedover, bort fra stukespennarmen, hvilket deaktiverer spennarmen fra ytterligere ekspansjon. Så snart det er deaktivert, låses verktøyet i denne posisjon inntil det trekkes ut av hullet. Disse og andre trekk ved oppfinnelsen vil forstås av fagpersoner innen teknikken etter en gjennomgang av den detaljerte beskrivelse av de foretrukne utførelser, hvilken fremkommer nedenfor.

Verktøy for ekspandering av nedihullsrør inn i hverandre eller i et åpent hull er beskrevet. I en utførelse bruker en bevegelig konus som forbelastes av Belleville-skiver for å bevege seg i lengderetningen mot en slik forbelastning, og for å tillate spennarmer å bevege seg radialt inn eller ut til en forhåndsbestemt maksimums-diameter. Et utløsningssystem muliggjør tilbaketrekking av spennarmen for å unngå fasthenging ved uttak. I en alternativ utførelse, som er mer egnet for anvendelser i åpne hull, skyver trykksatt gass en bevegelig konus i lengderetningen mot spennarmene. En stasjonær konus er på den motsatte side av spennarmene i forhold til den bevegelige konus. Spennarmen rir ut eller inn mellom konusene og hever gasstrykket når den presses inn. En trykkaktuert utløsning gjør at den nedre konus kan forflytte seg nedover for å gjøre det mulig for spennarmene å trekke seg tilbake for uttak.

Kort beskrivelse av tegningene:

Fig. 1 er et sideriss i snitt av en en-tripp-sammenstilling hvor oppfinnelsen brukes til å ekspandere et rør nede i hullet; Fig. 2 er et lengdesnitt gjennom en utførelse som bruker Belleville-skiver; Fig. 3 er et snitt av utførelsen med gassfylling i den operasjonelle posisjon; Fig. 4 viser risset på fig. 3 ved begynnende utløsning;

Fig. 5 viser risset på fig. 4 i den fullt utløste posisjon.

Fig. 1 viser generelt komponentene i et en-tripp-system for ekspansjon av rør nedihulls. Et anker 10 er satt i foringsrør 12. Nedenfor ankeret 10 er det et verktøy 14 for kjøring av foring, hvilket i sin tur er forbundet til den hydrauliske drivsammenstilling 16. Drivsammenstillingen 16 fører stukekonusen 18 frem for å ekspandere det ubearbeidede rør 20, med ankeret 10 i selektivt inngrep med foringsrøret 12. Det kan ses skjermer 22 som er montert nedenfor det ubearbeidede rør 20 (vist før ekspansjon), eller en kombinasjon av skjermer med ytterligere ubearbeidet foringsrør mellom skjermseksjoner, i åpenhulls-seksjonen 24 i borehullet, «rør» («tubulars») brukes her generelt for å dekke rør (tubes), uansett om disse har hel vegg eller har åpninger, foringer og skjermer.

Med henvisning til fig. 2, er det vist en utførelse som mer bestemt er egnet til ekspansjon av ubearbeidet rør 20 i foringsrør 12. Et verktøy 19 har en toppforbind-else 26, som kan festes til den hydrauliske drivsammenstilling 16, som vist skjematisk på fig. 1. Toppforbindelsen 26 er forbundet til et legeme 28, som i sin tur er forbundet til en bunnforbindelse 30. Bunnforbindelsen 30 kan holde andre verktøy, så som ytterligere ekspansjonsverktøy eller rør. En justeringsring 32 ligger an på et aksialt lager 34, som i sin tur ligger an på et deksel 36 for å muliggjøre en enkel justering av forbelastning av Belleville-skiver 38, som omgir legemet 28.1 det delvise snittriss på fig. 2, er spennarmene 40 vist både utvendig og i snitt. Spennarmene 40 er initialt pinne-festet til legemet 28 ved en skjærpinne 42 ved en ring 44. Ringen 44 har enn nedovervendende skulder 46 som er i inngrep med en oppovervendende skulder 48 på spennarmene 40, slik at et nedoverrettet slag av verktøyet 19 resulterer i overfø-ring av denne kraften til spennarmene 40. Belleville-skivene 38 ligger an på en bevegelig konus 50, som har en fremre konisitet 52 for inngrep med en konisk flate 54 på en indre spennarm 56, som er montert inne i spennarmene 40 for å forbelaste dem radialt utover. Den indre spennarmen 56 er i hovedsak støttet av ringen 44, slik at nedoverrettet bevegelse av den bevegelige konus 50 gjør at den koniske flate 52 kan gli langs den koniske flate 54 på den indre spennarm 56, for å presse det tykke parti 58 på spennarmene 40 utover. Hvis et trangt sted påtreffes, snus bevegelsene, og resultatet er sammentrykking av stabelen av Belleville-skiver 38. Konisitets-vinkelen til flatene 52 og 54 kan varieres for å forandre størrelsen på radial bevegelse som er et resultat av en gitt langsgående forflytning av den bevegelige konus 50. Et bevegelsesstopp (ikke vist) kan være anordnet på legemet 28 for å begrense størrel-sen av full utoverrettet bevegelse av spennarmene 40. For en gitt foringsrørstørrelse kan verktøyet 19 følgelig tilpasses til forskjellige tykkelser av foringsrørets vegg, og få den ønskede tetningskontakt fra ekspansjon gjennom kompensasjons-systemet som er tilveiebrakt av Belleville-skivene 38. Når ekspansjonen er fullført og et oppoverrettet strekk påføres, brytes skjærpinnen 42 over for å tillate at det tykke parti 58 av spennarmene 40 beveger seg inn i utsparingen 60 som er avgrenset av de indre spennarmer 56. På denne måte vil det ikke være noen fasthenging når verktøyet 19 trekkes ut etter at det har blitt slått ned, som vist skjematisk på fig. 1.

Fagpersoner innen området vil forstå at aksiallageret 34 gjør justering av forbelastningen enkel. Den glidende relative bevegelse mellom flatene 52 og 54 som er forårsaket av langsgående bevegelse av konusen 50 i forhold til den stasjonære indre spennarmen 56 er en mer pålitelig måte til å overføre nødvendig kraft med mini-mal slitasje på de viktigste bevegelige deler. Konstruksjonen er langt mer holdbar under en lengere levetid enn den design som er vist i US patent 3.785.193 med sine radialt forløpende pinner, som kan bryte eller presse på tynne partier av spennarmen. Belleville-skivene 38 kan erstattes med andre forbelastnings-teknikker, så som kompressibelt fluid eller en kombinasjon av væske og gass i et kammer eller lokalt fremkalt hydraulisk trykk eller hydraulisk trykk som leveres fra overflaten eller ring-romstrykk som virker mot et atmosfærisk kammer, for kun å nevne noen få variasjo-ner. Den indre spennarmen kan valgfritt elimineres, slik at konusen 50 ligger direkte an mot en konisk flate på det tykke parti 58 av spennarmene 40.

Det skal nå vises til fig. 3, hvor et noe forskjellig verktøy 62 er vist i den operasjonelle posisjon. Igjen viser fig. 1 skjematisk oppkoplingen av verktøyet 62 for ekspansjon av rør, skjermer eller lignende nede i hullet. En spindel 64 har en sentral passasje 66 med en kule-tilbakeslagsventil 68 ved den ende 70. En stasjonær konus 72 holdes av en hake 74 til spindelen 64. Haken 74 holdes av hylsen 76, som holdes av pinnen 77 til spindelen 64. Påført trykk i passasjen 80, som forbinder den sentrale passasje 66 med det ringformede rom 78, resulterer i brudd av skjærpinnen 77 for å løse ut hakene 74, slik at den stasjonære konus kan bevege seg nedover, når ekspansjonen er utført, for å tillate enkelt uttak av verktøyet 62. En serie av spennarmer 82 strekker seg over den bevegelige konus 84 og den stasjonære konus 72. Spennarmene 82 har et tykt parti 85, som et karakteristisk trekk har en skråstilt flate 86 som har kontakt med en skråstilt flate 88 på den bevegelige konus 84. I tillegg har de tykke partier 85 også en skråstilt flate 90, som er i inngrep med en skråstilt flate 92 på den stasjonære konus 72. Når den bevegelige konus beveges ned, beveger de tykke partier 85 seg utover ettersom den koniske flate 88 skyver de tykke partier 85 mot den skråstilte flate 92 på den stasjonære konus 72. De tykke partier 85 ligger lagvis, og beveger seg radialt som respons på langsgående bevegelse av den bevegelige konus 84. Stempler 94, 96 og 98 er sammenbundet for kraftforsterkning for å levere den ønskede normale kraft på ca 889,64 kN på den bevegelige konus 84. Disse stemplene er trykkbalansert i forhold til hydrostatisk brønntrykk, slik at verktøyet 62 er ufølsomt overfor dybde. Hvert av disse stemplene har en høytrykksfylling i en sone, så som 100, på en side, og en lavtrykkssone eller atmosfærisk sone 102 på den motsatte side, slik at en forhåndsbestemt nettokraft overføres fra den ytre drivsylinder 104 til den bevegelige konus 84. Når et trangt sted nås i et åpent hull, responderer den bevegelige konus på innoverrettet radial bevegelse av de tykke partier 85 ved oppoverrettet bevegelse, hvilket hever trykket i sonen 100 til å frembringe så mye som ca 1 334,47 kN eller mer. Den øvre ende 106 av den ytre drivsylinder 104 har et stopp for bevegelse oppover. Etter at det trange stedet er passert, forårsaker den påførte kraft fra den bevegelige konus 84 at spennarmene 82 ekspanderes mer full-stendig, som før det trange stedet ble nådd.

Hensikten med kule-tilbakeslagsventilen 68 er å tillate utligning av brønnhulls-trykket i passasjen 66 når verktøyet 62 føres frem av en hydraulisk drivsammenstilling, så som 16 vist på fig. 1. Ved gjentagende løsning av ankeret 10 og nedsetting av vekt og deretter ny forankring, kan tusener av fot av rør eller skjermer ekspanderes i en enkelt tripp, eller om ønskelig i flere tripper. Den hydrauliske drivsammensti-ling kan valgfritt ha en selektivt åpen gjennomgående passasje (ikke vist), slik at fluid-forbindelse inn i passasjen 66 kun skjer når ankeret 10 har blitt løsnet og kjøre-strengen (ikke vist) er plukket opp inntil den hydrauliske ventilsammenstilling er full-stendig ført frem. På dette tidspunkt kan trykk bygges opp i passasjen 66, fordi den er avstengt av tilbakeslagsventilen 68. Utløsningen av hakene 74 gjør at den stasjonære konus 72 kan komme ned for å la de tykke partier av spennarmene 82 trekke seg radialt tilbake innover. Trykkutløsning er foretrukket, særlig i avviks-brønnhull, hvor det kan være at langsgående bevegelse eller rotasjonsbevegelse av strengen ikke overfører den ønskede kraft for å effektuere utløsningen. I enkelte anvendelser kan utløsningsmekanismen av skjærtypen virke godt, og betraktes som en alternativ utfø-relse av oppfinnelsen.

Selv om de foretrukne utførelser har blitt beskrevet ovenfor, vil fagpersoner innen området forstå at andre mekanismer vurderes for å utføre oppgaven ved denne oppfinnelsen, hvis omfang kun er avgrenset av de nedenfor vedføyde krav, korrekt forstått med hensyn til deres bokstavelige og ekvivalente omfang.

Claims (10)

1. Anordning for ekspandering av rør, omfattende: et legeme som har en langsgående akse; minst én spennarm (40) som er montert på legemet, hvilken har et tykkeste parti som er designet til kontakt med røret, karakterisert ved at det tykkeste parti er utformet med en første konisk flate (52); en første konus (50) som har en annen konisk flate (58) og som er forbelastet i lengderetningen (38) for å bevege den annen koniske flate (58) mot den første koniske flate (52); en annen konus som er montert på legemet (44, 56) motsatt det tykkeste parti i forhold til den første konus, og som har kontakt med det tykkeste parti i en konisk vinkel for å fremme forbelastningen som driver det tykkeste parti utover, bort fra lengdeaksen.

2. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at den annen konus er utløsbart låst til legemet ved hjelp av en lås.

3. Anordning som angitt i krav 2, karakterisert ved at låsen utløses hydraulisk.

4. Anordning som angitt i krav 3, karakterisert ved at låsen omfatter en hake som holdes av en hylse; legemet omfatter en innvendig passasje med strømningsforbindelse til hylsen for selektivt å forflytte hylsen bort fra haken.

5. Anordning som angitt i krav 4, karakterisert ved at passasjen omfatter en tilbakeslagsventil for å tillate trykk å bygges opp i passasjen for selektiv forflytning av hylsen, samtidig som den også tillater fluidtrykk i brønnen å komme inn i passasjen for trykkutligning nede i hullet.

6. Anordning som angitt i krav 2, karakterisert ved at når låsen låses opp, den annen konus forflyttes tilstrekkelig til at den første konus ikke er i stand til å bevege det tykkeste parti av spennarmen utover i en retning bort fra lengdeaksen.

7. Anordning som angitt i krav 6, karakterisert ved at forbelastningen på den første konus videre omfatter en flerhet av stablede stempler som virker i tandem for en trykkforøkelseseffekt, hvor hvert av stemplene på en side utsettes for et høyt trykk, og på den andre siden for et lavere trykk.

8. Anordning som angitt i krav 7, karakterisert ved at stemplene er trykkbalansert med hensyn til hydrostatisk brønnhullstrykk.

9. Anordning som angitt i krav 6, karakterisert ved at forbelastningen på den første konus videre omfatter en flerhet av stablede stempler som virker i tandem for en trykkforøkelses-effekt, hvor hvert stempel på en side utsettes for et høyt trykk, og på den andre siden for et lavere trykk.

10. Anordning som angitt i krav 9, karakterisert ved at stemplene er trykkbalansert med hensyn til hydrostatisk brønnhullstrykk.