NO20150570A1

NO20150570A1 - Fjernstyrt brønnkompletterings utstyr

Info

Publication number: NO20150570A1
Application number: NO20150570A
Authority: NO
Inventors: Tor-Øystein Carlsen; Trond Løkka
Original assignee: Fmc Kongsberg Subsea As
Priority date: 2015-05-08
Filing date: 2015-05-08
Publication date: 2016-11-09
Also published as: US20180156005A1; US10890043B2; WO2016182449A1; NO340742B1

Abstract

Et fjernoperert undervannsbrønnkompletterings system som omfatterlokal lagring av hydraulisk energi og gjennomføringer i BOP eller marint stigerør,har til hensikt å installere eller trekkeproduksjonsrør og dets oppheng (TubingHanger) uten bruk av navlestreng innenformarint stigerør. Systemet består av eninnvendig styringsmodul satt sammen av hydrauliske akkumulatorer, væskeskiller,kontrollventiler, elektrisk kontrollmodul, samten eller flere sender/mottaker for kommunikasjon til en ekstern kontroll enhet. Kommunikasjonen kan foregå med akustiske gjennomføring satt i eksisterende choke, kili eller booster porter.

Description

Oppfinnelsens anvendelsesområde

Oppfinnelsen omhandler et system for fjernstyring og operasjon av undervanns brønnkompletterings utstyr, for å sette eller trekke et produksjonsrør med tilhørende rør oppheng i brønnhodet eller brønnhodemodul. Mer spesifikt gir foreliggende oppfinnelse en løsning og metode for å komplettere undervanns brønner uten bruk av tilkoblet navlestreng mellom marint stigerør og innvendig arbeids-rør. Dette vil eliminere skadepotensialet for navlestrengen som skyldes ukontrollerte belastninger på innsiden av marint stigerør. Oppfinnelsen gir derfor mulighet til å redusere eller eliminere større navlestrengs-tromler og tilhørende styringskontainere som er plasskrevende på operasjonsfartøyet, spesielt på dypt vann.

Bakgrunn

Bakgrunnen for oppfinnelsen er petroleumsnæringens behov for kostnadsreduserende undervannsoperasjoner med lik eller høyere robusthet og sikkerhetsnivå, sammenlignet med dagens praksis. Det er allment kjent at utbygging, drift og nedstenging av undervannsbrønner medfører store investeringer og operasjonelle kostnader, spesielt for petroleumsfelt som er lokalisert i utfordrende farvann med stort vanndyp, høy sjøtilstand og større undervannstrømninger. Undervannsproduksjon systemer kontrolleres i dag av navlestrenger som normalt inneholder hydraulisk og elektrisk kraft forsyning, samt elektriske og/eller optiske linjer for kommunikasjon, typisk mellom plattform og undervannsutstyr. I sin enkleste variant så blir undervannsinstallasjoner kontrollert med direkte hydraulisk styring. Slike tradisjonelle løsninger for eksempelvis å operere brønnverktøy blir sett på som svært pålitelig, men har erfaringsvis også sine klare utfordringer.

Bruken av hydrauliske linjer fra overflaten til sjøbunnen krever utstrakt bruk av materialer som er tunge og kostbare. Større vanndyp krever store navlestrenger til å kontrollere undervannsutstyr som sitter i, på eller ved siden av brønnhodet. Den hydrauliske responstiden vil være langsom når navlestrengen blir lang. Bruken og håndteringen av slike navlestrenger er også utfordrende - det er ikke uvanlig at disse blir skadet under bruk. Dette gjelder særlig dersom disse benyttes i områder hvor de kan bli skvist mellom nærliggende og utenforliggende utstyr. Et eksempel på dette er navlestrenger som benyttes under ferdigstillelse av undervanns brønner - såkalt brønn kompletterings operasjon. Her blir det hydraulisk opererte brønnverktøyet styrt av direkte hydrauliske linjer fra borerigg til brønnhodet, og det er ikke unormalt at navlestrengen inneholder 15 - 20 separate hydrauliske linjer. Disse linjene er buntet sammen til navlestrenger (umbilicals), gjerne med noen elektriske ledere for å overføre elektrisk kraft til sensorer. Størrelsen på navlestrengen varierer typisk fra 70mm til lOOmm utvendig diameter. Navlestrengen installeres ved å feste den til arbeidsrøret (med klemmer), som igjen benyttes til å installere produksjonsrøret og dets undervanns oppheng (Tubing Hanger) i brønnhodet eller brønnhodemodulen. Arbeidsrøret kan være en borestreng eller et mindre stigerør - typisk fra 3" til 7" innvendig diameter. Denne sammenstillingen senkes gjennom riggens bore dekk, hvor også riggens marint stigerør er koblet opp. Det marine stigerøret (9) er et utvendig større rør (21" utvendig diameter) som også strekker seg fra boreriggen til brønnhodet - koblet til brønnhodet med selve hoved sikkerhetsfunksjonen (11) (Blow Out Preventer - BOP). Navlestrengen (7) som ligger i mellom marint stigerør og navlestreng blir i dette tilfellet utsatt for store mekaniske påkjenninger. Dette skyldes at riggen og marint stigerør beveger seg som en konsekvens av ytre miljølaster som bølgetilstand og havstrømninger.

Figur 1 viser denne tradisjonelle situasjonen, hvor den direkte hydrauliske navlestrengen (7) er plassert mellom marint stigerør (9) og arbeidsrøret (8). Det marine stigerøret er vist som det ytterste røret fullt eksponert for omgivelsene, mens arbeidsrøret er installert på innsiden. Det er også vist at navlestrengen er festet til arbeidsrøret med klemmer (18), samt at marint stigerør er vist noe skjevt for å illustrere ytre belastninger. Det marine stigerør har dessuten såkalte flexjoint/balljoint (10),(3) som er områder som marint stigerør kan rotere eller bøye for avlastning. Dette medfører i midlertidig en klar ulempe for navlestrengen - den kan lett bli skadet ved en slik rotasjon av marint stigerør. Andre utfordrende områder er marint stigerør's teleskop skjøt (4) og åpningen i boredekk (2), der navlestrengen vil få vesentlig slitasje som skyldes bevegelse. Et forsøk å beskytte navlestrengen kan være å sette inn sentraliseringsklemmer, som har til hensikt å unngå for mye skader på navlestreng ved å holde avstand til bevegelige deler. Konsekvensen er at klemmene får da den store klembelastningen og erfaringer viser at de kan falle av arbeidsrøret og ned mot havbunnsbrønnen (16), på innsiden av BOP (11). En slik hendelse kan være svært kostbar da slike løse objekter i brønnen må "fiskes opp" ved hjelp av tidkrevende metoder og bruk av spesialutstyr. Slik spesialutstyr kan være en såkalt wireline operasjon. Riggen må dermed bruke sine ressurser og tid på unødvendige operasjoner - noe som kan være svært kostbart dersom dette varer over lengere tid.

Det er derfor ønskelig å introdusere en ny metode som installerer eller trekker en undervanns komplettering uten bruk av navlestreng på innsiden av marint stigerør, eller minimaliserer størrelsen på denne. Navlestrengen har to primære funksjoner; (I) overføre energi i form av elektrisk eller hydraulisk kraft og (II) være et middel for kommunikasjon mellom sentral styrende enhet og endefunksjon. Eksempel på endefunksjon kan være trykk- og temperatur sensorer, pilot opererte styringsventiler eller direkte mot et hydraulisk stempel. En ny metode må derfor erstatte disse to hovedfunksjonene slik at den planlagte kompletteringen kan gjennomføres, selv uten en styrende hydraulisk navlestreng. Den foreliggende løsning presenterer en alternativ metode hvor brønnverktøyet opereres med lokalt lagret hydraulisk energi, men fjernstyres ved hjelp av gjennomføringer i nedre del av marint stigerør (9) eller BOP (11). Med svært få unntak, så har en BOP flere gjennomføringer nær sikkerhetsventilene. Disse brukes aktivt i brønnkontroll situasjoner hvor en del av disse gjennomføringene er koblet til ytre mindre rør - såkalt "choke og kill" rør. Produksjonsrøret må orienteres når det henges av i brønnhodet eller brønnhodemodulen for å tilrettelegge til påfølgende operasjon. Gjennomføringene i BOP benyttes i denne sammenheng ved å sette inn en aktiverbar rotasjonspinne som engasjeres i en heliks - når produksjonsrør henges av i brønnhodet. På samme måte så kan en slik gjennomføring benyttes til å sette inn en fjernstyrt kommunikasjonsenhet som styrer funksjonene på brønnkompletterings verktøyet Kommunikasjonsenheten kan være en akustisk sender, lys-, bølge transmitter eller annet egnet middel for å kommunisere i mediet som befinner seg i hovedløpet til BOP og/eller marint stigerør. Det vil være rom til å plassere beholdere med hydraulisk energi og tilhørende kontrollventiler på arbeidsrøret over brønnverktøyet, eller på selve brønnverktøyet som benyttes til å avhenge produksjonsrøret i brønnhodet eller brønnhodemodulen. Beholdere med hydraulisk energi er også kjent som akkumulatorer, hvor innvendig gass skaper et trykk på en hydraulisk væske.

Alternative metoder for å redusere eller fjerne navlestrengen på innsiden av marint stigerør er beskrevet i patentpublikasjonene N0334934, GB2448262B, US2005269096A1 og US2008202761A1. Ingen av disse viser en løsning hvor det benyttes lokalt lagret hydraulisk energi plassert på innsiden av BOP/marint stigerør, nært brønnverktøyet, hvor også kommunikasjon og styring skjer med gjennomføringer i BOP eller marint stigerør som resulterer i eliminering av navlestrengen.

Detaljert beskrivelse:

Figur 2 viser en prinsipiell skisse av oppfinnelsen satt i et større system, med rig (1), marint stigerør (9), BOP (11), brønnhodet (16), produksjonsrør (14), arbeidsrør (8), nedre landestreng (12) og brønnverktøy (13). En lokal styringsmodul (25) er plassert på arbeidsrøret (8) eller i øvre del av landestreng (12). Denne styringsmodulen vil kunne operere brønnverktøyet (13) som igjen har til hensikt å avhenge eller trekke et produksjonsrør, samt låse dette til brønnhodet (16) eller en brønnhodemodul. En slik brønnhodemodul kan være etventiltre (også kjent som juletre) som inneholder produksjonsventiler for å kontrollere produksjon av olje og gass. Brønnverktøyet (13) er også kjent i industrien som Tubing Hanger Running Tool (THRT) og kan være hydraulisk operert. Det vil også være mulig å kontrollere dypsatte funksjoner lengere ned i brønnen, ved hjelp av landestreng (12) og brønnverktøy (13), som eksempelvis Down Hole Safety Valve (DHSV), produksjonssone ventiler, formasjonsisolasjon ventiler, gassløftventiler eller andre sensorer. En landestreng kan i tillegg inneholde lokale sikkerhets ventiler og fra-kobling for nedstengning av brønnstrøm. Disse landestreng ventilene samt fra-koblingsmodulen er kjent i industrien som undervanns test tre ("subsea test tree"). Styringsmodulen vil i dette systemet frembringe den nødvendige hydrauliske energien til å operere de ønskede funksjoner, og dermed erstatte dagens tilførsel gjennom navlestrengen (7). Det er derfor essensielt med oppfinnelsen at styringsmodulen inneholder hydraulisk energi kilde og en metode for å kontrollere denne for utførelse av endefunksjoner.

En tradisjonell navlestreng (7) vil også kunne inneholde middel for kommunikasjon, slik at den foreliggende oppfinnelse må kunne erstatte dette. Figur 2 viser en gjennomføring i BOP med et kommunikasjonsmiddel satt inn (19). Dette middelet kan med fordel være en akustisk sender som overfører signaler til en innvendig mottaker (20) som er lokalisert på den innvendige landestrengen (12) eller arbeidsrøret (8), men kan også være andre metoder som utveksler kommunikasjon ved hjelp av genererte bølger som for eksempel lys, ultralyd eller radiobølger. Mottakeren vil kunne orienteres i forhold til senderen ved at landestreng og produksjonsrør med oppheng roteres når denne sammenstillingen lander ut i brønnhodet eller brønnhodemodul. Det blir gjerne benyttet utformede heliks på landestreng eller produksjonsrør oppheng for dette formål. Senderen (19) vil til dels være utsatt for brønntrykk på en side (innvendig BOP) og hydrostatisk vanntrykk på den andre siden (utvendig BOP). Senderen må i så måte kunne tåle et relativt høyt differensial tykk, noe som er kjent i industrien. Generelt så refereres en slik gjennomføring av kraft eller kommunikasjon som "penetratorer". Det vil ikke være hensiktsmessig å benytte penetratorer som skyves inn for aktivering, da dette vil kreve nøyaktige toleranser mellom sammenføyende mekaniske deler. Sender (19) og mottaker (20) bør derfor tåle en viss avstand og skjevhet etter at produksjonsrør er landet i brønnhodet eller brønnhodemodul. Det samme vil gjelder dersom den planlagte operasjon er å trekke et produksjonsrør for å skifte det ut eller plugge og stenge ned en undervanns brønn.

Kommunikasjon fra sender og mottaker satt i BOP til operasjonsfartøy (1) kan nå med enklere midler overføres med en egen elektrisk og/eller optisk navlestreng (24). Det kan med fordel benyttes en havbunnsplassert sentralmodul (26), som kan også kontrollerer en brønnhodemodul under kompletteringen, slik at navlestreng som står utenfor marint stigerør blir en felles kontroll kabel. Alternativt så kan kommunikasjonen til og fra senderen (19) overføres til operasjonsfartøyet (1) ved bruk av en ROV (21). De fleste ROVer har en eller flere hjelpeutgang for å kunne koble til midlertidig utstyr, slik som vist sender/mottaker (19).

Et mer detaljert funksjonsutlegg av styringsmodulen (25) er vist i figur 3, hvor også et forenklet hydraulisk brønnverktøy (13) er inkludert. Hydraulikk fluid fra brønnverktøyet og andre nedre brønn funksjoner kan være forurenset med små partikler fra brønnmiljøet som vil kunne påvirke påliteligheten til de styringsmodulens hydrauliske funksjoner. En eller flere væskeskiller (31) er derfor satt inn for beskyttelse av mer sensitivt utstyr som eksempelvis kontrollventiler (30) (34). En eller flere hydrauliske akkumulatorer (28) er vist som lokal lagring av energi for utførelse av funksjoner i brønnverktøy og tilhørende utstyr som beskrevet over. Kontrollventilene (30) og (34) er styrt av en kontrollmodul (27) som igjen forsynes ev elektrisk kraft fra en elektrisk energi kilde (36) som kan være et batteri, kondensator eller annet egnet elektrisk middel. En hydraulisk strømningsmåler (29) og sensorer for å måle trykk (32) (33) kan med fordel inkluderes som vist i figur 3, for å overvåke tilstand til systemet Figur 3 viser også atkommunikasjonsmottaker (20) er koblettil kontrollmodul (27) med en egnet leder (23). Det vil være nærliggende for operatøren å erstatte den lokale elektriske energi kilden (36) og kommunikasjonsmottaker (20) med en enklere elektrisk navlestreng som installeres på tradisjonell måte langs arbeidsrøret (8). Dette har sin klare ulempe ved at den elektriske navlestrengen kan bli skadet som beskrevet i bakgrunnen for oppfinnelsen. Fordelen vil være at en elektrisk navlestreng er signifikant mindre i diameter sammenlignet med en hydraulisk navlestreng, typisk halvparten i diameter.

Operasjonell fremgangsmåte:

Systemet opereres ved at brønnverktøy (13) løftes opp på boredekk (2) med landestrengen (12). Dette henges av i boredekk koblettil produksjonsrøret (14) som på dette tidspunktet er delvis kjørt ned i brønnen. Styringsmodulen (25) heises opp på boredekk og senkes ned på brønnverktøyet(13). Her koples nå opp en testenhetfor styring av styringsmodulen(25) for å kontrolleres enheten på boredekk. Modulen (25) kjører låsefunksjon til brønnverktøyet (13) slik at verktøyet låses til produksjonsrøret Øvrige funksjoner testes, slik som produksjonsrør oppheng (Tubing Hanger) funksjoner, dypsatte brønn funksjoner og eventuelle sensorer montert på produksjonsrør. Deretter løftes brønnverktøy (13) opp sammen produksjonsrør og oppheng(14). Under nedheising av produksjonsrør kjøres det hydraulisk trykk på brønnverktøyets (13) låsefunksjon. Dette for å hindre at produksjonsrøret mistes ned i brønn under kjøring.

Når produksjonsrør nærmer seg avhengningspunktet i brønnhodet (16), senkes det langsomt ned på en brønnhode skulder. Nå vil akustisk sender (19) og mottaker (20) være innen rekkevidde og kommunikasjon vil kunne oppnås via undervannsmodul (26) eller ROV (21).

Styringsmodul (25) kommuniserer nå via undervannsmodul (26) og kabel (24) opp til rig eller operasjonsfartøy. Her vil det opereres fra en teststasjon med de nødvendige styringsprogrammer.

Når produksjonsrør oppheng (14) er landet, trykksettes en låsefunksjon i slik at produksjonsrøret blir låst i brønnen på skulderen som produksjonsrøret er hengt av. Deretter testes relevante tetninger ved hjelp av trykk-tester, samt eventuelle nedihulls hydrauliske og elektriske funksjoner testes og opereres etter behov. Alt dette styres og forsynes fra styringsmodulen(25) via dens hydrauliske og elektriske funksjoner. Brønnverktøyet (13) koples nå fra produksjonsrøret (14) - dette skjer ved å trykksette funksjon for fråkopling fra styringsmodulen (25). Arbeidsrør (8) med styringsmodulen (25), landestreng (12) og brønnverktøy (13) trekkes nå tilbake til boredekk.

Claims

1. Et system for fjernstyrt komplettering, intervensjon, nedstenging av undervanns brønner og operasjon av nedhulls brønnutstyr gjennom marint stigerør, uten bruk av navlestreng innenfor stigerøret, erkarakterisert vedat systemet omfatter: - en lokal styrings modul plassert på innsiden av marint stigerør eller BOP som inneholder lokal lagring av energi for operasjon av nedhulls brønnutstyr - en eller flere gjennomføringer gjennom marint stigerør eller BOP for plassering av kommunikasjonsenhet for fjernstyring av lokal kontroll modul - en kommunikasjonsenhet for overføring av kontrollsignaler fra ekstern kontroll enhet til lokal kontroll modul satt i gjennomføringen eller gjennomføringene gjennom marint stigerør eller BOP et middel for overføring av kommunikasjon fra ekstern kontroll enhet til operasjonsfartøy på utsiden av marint stigerør.

2. Systemet i følge krav 1, erkarakterisert vedat den lokale styrings modulen plassert på innsiden av marint stigerør eller BOP videre omfatter: - en eller flere lokal hydraulisk energi kilde som kan være akkumulatorer - en eller flere lokal væskeskiller for segregering av forurenset væske fra brønnutstyr og ren væske fra hydraulisk energikilde som kan være et flytestempel, membran eller annet egnet middel en eller flere lokale kontrollventiler plassert mellom lokal væskeskiller og akkumulator en eller flere lokal elektrisk kontrollmodul for operasjon av kontrollventiler som kan inneholde en akustisk sender og/eller mottaker elektrisk energi kilde som forsyner styremodul som kan være et lokalt batteri, kondensator eller annet egnet elektrisk middel

3. Systemet i følge krav 1, erkarakterisert vedat gjennomføringene gjennom marint stigerør eller BOP kan være bruk av eksisterende choke, kill eller booster porter.

4. Systemet i følge krav 1 og 3, erkarakterisert vedat en eller flere kommunikasjonsenheter satt i gjennomføringene gjennom marint stigerør eller BOP kan være trådløs sender og/eller mottaker.

5. Systemet i følge krav 1, erkarakterisert vedat middelet for å overføre kommunikasjon fra ekstern kontroll enhet til operasjonsfartøy kan gjøres ved bruk av ROV eller egen elektrisk og/eller optisk navlestreng.

6. Systemet i følge krav 1-5, erkarakterisert vedat installasjon eller trekking av undervanns produksjonsrør gjennomføres uten bruk av navlestreng på innsiden av marint stigerør, men styres med kommunikasjon ved hjelp av gjennomføringer i marint stigerør eller BOP, samt lokalt lagret hydraulisk energi på styringsmodulen.

7. Fremgangsmåte for bruk av overnevnte system i følge hvilket som helst av de forutgående krav, erkarakterisert vedat den lokale styrings modulen plasseres som en del av kompletterings verktøyet, produksjonsrøret installeres ved hjelp av lokal lagring av energi i den lokale styrings modulen uten bruk av navlestreng, hvorav styring av kompletterings verktøy utføres med kommunikasjon ved gjennomføring i BOP eller marint stigerør når øvre del av produksjonsrør orienteres og henges av i brønnhodet eller brønnhodemodul.