NO316191B1 - Trykkstyrt sirkulasjonsventil - Google Patents

Description

Denne oppfinnelsen vedrører trykkaktiverte sirkulasjonsventiler konfigurert for verktøystrenger som skal bit brukt i brønner for å utføre nedihullsfunksjoner

Ved komplettering av en produktutvinningsbrønn, eksempelvis som i olje- og gassindustrien, må generelt flere nedihullsoppgaver eller -funksjoner utføres med verktøy som blir senket gjennom brønnrørledningen eller fonngsrøret Disse verk-tøyene kan, avhengig av oppgavene som foreskrives utført omfatte perforenngs-apparater som ballistisk fremskaffer huil i brønnrørveggen for å komme til den formasjonen som er siktemålet, bropluggverktøy som innstallerer tetningsplugger ved en ønsket dybde inne i røret, pakningsetningsverktøy som danner en midlertidig tetning rundt verktøyet og ventiler som åpnes eller lukkes

Av og til er disse verktøyene elektrisk drevet og senkes på en vaierledning som er konfigurert som en streng med verktøy Alternativt kan verktøyene være rørført, dvs senket inn i brønnen på enden av flere lengder rørledning, et langt metallrør eller et kveil rør, og aktivert ved å trykksette rørets indre Av og til blir verktøyene senket ved hjelp av kabler og aktivert ved å trykksette fonngsrøret eller brønnrørets indre Det har også blitt brukt andre systemer

Rørførte systemer har omfattet sirkulenngsventiler i verktøystrengen for å gjøre det mulig å pumpe fluid fra rørledningen ut i brønnen Sirkulenng kan f eks være nyttig ved smønng og skylling av brønnen ettersom verktøyet kjøres inn i brønnen Slike sirkulenngsventiler må generelt sett være lukket for å tillate at rørledningtrykket blir økt for å aktivere andre verktøyer på strengen Enkelte sirkulasjonsventiler har f eks blitt konstruert for å lukkes i respons til et forhåndsbestemt hydrostatisk brønntrykk Enkelte andre blir lukket ved å slippe en ball ned i røret og som blokkerer en åpning i ventilen

US 4 657 082 viser en sirkulenngsventil samt en fremgangsmåte for dnft av denne Et sylindrisk hus har en gjennomgående åpen langsgående passasje og en sirkuleringsport plassert gjennom en vegg i dette En ventildor er sleidbart mottatt i huset og kan beveges mellom en stilling der fluid kan sirkulere mellom passasjen og det utvendige av huset, en stilling der fluidet kan sirkuleres kun mellom det utvendige av huset og passasjen, og en posisjon der fluid ikke kan sirkuleres i noen retning Et ringformet stempel er driftsmessig forbundet med ventildoren og har en første side utsatt for trykket utvendig i forhold til huset og en andre side utsatt for trykket innvendig i huset for å tillate bevegelse av ventildoren til sine forskjellige stillinger ved påføring av trykk til innvendige av utvendige av huset

US 4 324 293 viser en reversibel sirkulenngsventil omfattende et sylindrisk hus med en gjennomgående åpen langsgående passasje og en sirkulenngsport samt en dnftsport plassert gjennom dettes vegg En ventildor er sleidbart mottatt i huset og er bevegelig fra en lukket stilling som lukker sirkulenngsporten til en åpen stilling som åpner sirkulenngsporten Ventildoren omfatter et ringformet stempel mottatt i huset for bevegelse av ventildoren fra sin lukkede stilling til sin åpne stilling

GB 2 305 681 viser en trykkaktivert ventil samt en fremgangsmåte En nedihullsventil åpnes eller lukkes av en forbikopling som reaksjon på trykket i fluidet i ventilen Ventilhuslegemet er tilpasset for fluidkommunikasjon med en rørdel inne i en brønnboring Ventilforbikoplingen kan gjentatte ganger sykles fra åpen til lukket stilling ved selektivt å heve å senke fluidtrykket

Denne oppfinnelsen omfatter en sirkulenngsventil som angitt i det selvstendige krav 1 som reagerer på sirkulasjonsvolumstrømmen, og gjør det mulig for operatøren å aktivt styre timingen til ventillukmngen ifra brønnens overflate uten å øke borehulls-trykket Videre omfatter oppfinnelsen en fremgangsmåse som angitt i krav 9

I henhold til et aspekt av oppfinnelsen, er det fremskaffet en sirkulenngsventil for bruk i forbindelse med en verktøystreng som er tilpasset for å bli senket ned i en brønn på et rør Ventilen har et hus og et stempel Huset har øvre og nedre ender og en innvendig boring, og definerer en gjennomgående passasje for hydraulisk kommunikasjon mellom røret og strengens verktøy Huset definerer også en sideåpning for hydraulisk kommunikasjon mellom passasjen og brønnen Stempelet er plassert inne i husets innvendige boring, og er tilpasset for å bli beveget av forhøyet rørtrykk fra en utgangsposisjon til en åpmngsblokkerende posisjon for å hindre strømning gjennom husets sideåpninger, og for å forbli i sin åpmngsblokkerende stilling ved den etterfølgende reduksjonen av rørtrykk

I enkelte utførelsesformer har ventilen et skjørt element som er innrettet for å sikre stempelet i sin utgangsposisjon og for å bli brutt av det forhøyde rørtrykket for å tillate at stempelet blir beveget til sin åpmngsblokkerende stilting Det kan være an-bragt flere enn ett av disse skjøre elementene (f eks brytesplinter), der de skjøre elementene er innrettet for å bli skåret over eller brutt samtidig av det forhøyede rørtryk-ket

I enkelte utførelsesformer, definerer stempelet en munning for hydraulisk kommunikasjon mellom passasjen og husets sideåpning med stempelet i sin utgangsposisjon Størrelsen på stempelets munning bør velges slik at ventilen lukkes ved en forhåndsbestemt volumstrøm gjennom åpningen I enkelte konfigurasjoner har f eks åpningene en diameter på mindre enn omtrent 7,6 mm (0,3 tommer) (f eks omtrent 5,1 mm (0,2 tommer))

I enkelte versjoner, definerer stempelet og huset et luftkammer derimellom, slik at stempelet er innrettet for å redusere luftkammerets volum ettersom stempelet blir beveget til sin åpmngsblokkerende stilling

I enkelte utførelsesformer definerer stempelet og huset et kammer derimellom som er utsatt for brønntrykket, slik at ventilen reagerer på forskjellen mellom rørtrykket og brønntrykket

Ventilen kan ha en eller begge de følgende elementer en innretningssplint eller

-tapp fastgjort til huset og som strekker seg inn i husets boring og inn i en aksiell ut-spanng på stempelet for å opprettholde stempelets rotasjonsmessige stilling inne i husets bonng, et stoppeelement (av eksempelvis messing eller kopper) fastgjort inne i husets boring og innrettet for å begrense stempelets bevegelse

I henhold til et annet aspekt, er det fremskaffet en sirkulenngsventil for bruk i en verktøystreng som er tilpasset for å bli senket inn i en brønn på et rør Ventilen har et hus som beskrevet i det ovenfor beskrevne aspekt, et stempel og et skjørt element Stempelet er plassert inne i husets innvendige boring og er tilpasset for å bli beveget fra en utgangsstilhng til en åpmngsblokkerende stilling ved forhøyet rørtrykk Stempelet definerer en munning for hydraulisk kommunikasjon mellom passasjen og husets sideåpning med stempelet i sin utgangsposisjon, og er tilpasset for å hindre strømning gjennom husets sideåpning i sin åpmngsblokkerende stilling Det skjøre elementet er innrettet for å fastgjøre stempelet i sin utgangsposisjon, og for å bh brutt av det forhøy-ede rørtrykket for å tillate at stempelet blir beveget til sin åpmngsblokkerende stilling

I henhold til et annet aspekt av oppfinnelsen, er det fremskaffet en fremgangsmåte for å styre sirkulasjonen fra en rørbragt verktøystreng ned i en brønn Fremgangsmåten omfatter trinnene med å

(1) omfatte en sirkulasjonsventil inne i strengen som beskrevet over,

(2) senkning av verktøystrengen som inneholder ventilen langs veggen mens man pumper fluid ned frakterøret og inn i brønnen gjennom ventilhusets sideåpmnger, og (3) beveging av venttlstempelet for å lukke ventilen ved å øke strømningen av

fluid gjennom ventilens sideåpning

I enkelte utførelser definerer stempelet en sideåpning for hydraulisk kommunikasjon mellom passasjen og husets sideåpning med stempelet i sin utgangsposisjon

I enkelte tilfeller, omfatter fremgangsmåten også begynnelsestnnnet med å velge en størrelse på stempelets sideåpning slik at dette etterfølges av at ventilen pluk-kes ved en forhåndsbestemt rørvolumstrøm

Oppfinnelsen kan fremskaffe en svært pålitelig, enkelt drift sirkulasjonsventil som forbitr lukket idet den er aktivt utløst Etter at man har lukket ventilen, kan rør-strømnmgen og trykket reduseres uten at ventilen åpner seg på ny Dette kan være fordelaktig eksempelvis når det er ønskelig for styrbart å "sykle" rørtrykket for å sette t gang en nedihulls hendelse, eksempelvis utløsningen av et avfynngshode

Andre utførelsesformer og fordeler vil fremgå fra den følgende beskrivelsen og krav

Kort beskrivelse av tegningene

Fig 1 viser en rørfraktet streng med verktøy som er senket ned i en brønn

Fig 2 og 3 er tverrsnitt av en førstegangs ømfiendtlig strkulasjonsventilutfør-elsesform, i henholdsvis åpen og lukket stilling Fig 4 og 5 er tverrsnitt av en andre ratesensitiv sirkulasjonsventilutførelsesform i henholdsvis åpen og lukket stilling

Beskrivelse av utførelsesformer

Med henvisning til fig 1, tas en komplettenngsverktøystreng 10 i et oljebrønn-fonngsrør 12 på enden av røret 14 Strengen omfatter et apparat 16 for å perforere brønnfonngsrøret og omliggende geologi, innrettet underet hydraulisk aktivert avfynngshode 18 Et eksempel på et hydraulisk aktivert avfynngshode for bruk i forbindelse med en verktøystreng fremgår fra kopending US patent 08/752 810 av Edwards et al, hvis innhold herved er innarbeidet som referanse En tilbakestrøms-indrende klaffventil 20 og en svivel 22 er satt på verktøystrengens toppende som det er kjent i henhold til teknikken t forbindelse med rørført brønnkomplettenng Ved bunnen av strengen er det en eksentrisk masse 24 for å innrette apparatet i avledede eller honsontale brønner

Avfynngshode (finng head) 18 er konstruert for å bh aktivert av rørtrykk, styrt fra overflaten av brønnen og overført via røret 14 Flere hydraulisk aktiverte verktøy kan være kombinert i en enkel streng ettersom hva som er nødvendig Når en for-åndsbestemt rekkefølge med rørtrykkforhold har blitt mottatt ved avfynngshode 18, slik at avfynngshode 18 detonerer en lunte som strekker seg inn i apparatet 16, og derved detonere utformede rettede ladninger i apparatet for å perforere brønnfonngs-røret og den omgivende formasjon

En sirkulenngsventil 26 er omfattet i strengen mellom svivelen 22 og avfynngshodet 18 Ventil 26 gjør det mulig for fluidkommunikasjon mellom rørets 14 bonng og brønnen 28 inntil den er helt lukket for å gjøre det mulig for rørtrykket å bh økt for å aktivere avfynngshode 18

Nå med henvisning til fig 2, er en første utførelsesform av ventil 26 konfigurert for å bli lukket som reaksjon på en kombinasjon av hydrostatiske brønntrykk og sirkulasjonvolumstrøm I den viste åpne stillingen, fremskaffes sirkulasjon fra den innvendige boringen 28 til brønnen gjennom en åpning 30 gjennom ventilhuset 32 Ventilen omfatter et stempel 34 i form av en hylse sleivbart plassert inne i en innvendig boring 36 på huset 32 og som holdes på plass i den viste posisjonen ved hjelp av et sett med brytesplinter 38 som strekker seg mellom stempelet 34 og hylsen 40 som holdes aksielt sett på plass inne i huset ved hjelp av et stoppelement 58 som begren-ses av en gjenget forbindelse i huset Selv om det kun er vist to splinter 38 for å illu-strere dette tverrsnittet, blir det vanligvis brukt et stort antall for å redusere oppsam-lingseffekten av enkeltsplinters styrkes variasjon En typisk ventil kan omfatte 40 splinter, eksempelvis med en diameter på 0,23 mm (0,09 tommer) En skrue 42 i huset 32 strekker seg mn i en aksiell utsparing 44 i stempelet 34 for å hindre at stempelet roterer inne i huset Følgelig holdes stempelet på plass for å innrette en munning 46 gjennom stempelets vegg sammen med husets bonng 30 Stempelet 34 bærer også fire bonngstetninger 48, 50, 52 og 54 i en avstand fra hverandre langs sin lengde, fra toppen til bunnen Tetningene 52 og 54 isolerer et luftkammer 56 mellom stempelet og huset

Ved ingen eller svært lave sirkulasjonshastigheter, er trykket inne i ventilbor-ingen 28 (rørtrykket) hovedsakelig det samme som trykket rett utenfor ventilen (dvs brønnboringstrykket) Med andre ord er det svært lite trykkfall over åpningene 46 Ettersom sirkulasjonshastigheten øker, resulterer begrensningen til åpningen 46 i en økning i trykkforskjellen mellom røret og brønnen Denne trykkforskjellen kan styres fra brønnens topp ved å styre sirkulasjonshastigheten

Nettoeffekten av overtrykket (trykket utover det atmosfæriske trykket) inne i brønnen 28 er at stempelet 34 presses nedover pga forskjellene i det effektive tetningsarealet mellom tetningene 48 og 54 i kombinasjon med det atmosfænske luft-kammeret 56 Brytepinnene 38 og åpningene 46 er dimensjonert for å hindre forventet hydrostatisk brønntrykk (f eks 290 bar (4200 psi)) av at stempelet beveger seg ved fraværet av en høy sirkulasjonshastighet (på f eks 151,4 til 189,3 liter pr min (40 til 50 gallon liter pr min )) For å lukke ventilen, blir det påført en høy sirkulasjonsstrømning for å øke trykket i boringen 28 til et forhåndsbestemt nivå for å danne en nedoverrettet kraft som er tilstrekkelig til at brytepinnene 38 brytes og at stempelet beveger seg nedover mot stoppelement 58

Ettersom verktøystrengen føres ned i hullet, blir hydraulisk fluid pumpet ned t røret og ut i brønnen gjennom åpninger med en diameter på 5,207 mm (0,205 tommer) munning 46 ved omtrent 37,9 til 75,7 liter pr mm (10 til 20 gallons pr min )

(omtrent en halv tønne pr mm ), da dette fremskaffer en ønsket sirkulasjon For å lukke ventil 26, økes sirkulasjonshastigheten til 151,4 til 189,3 liter pr min (40 til 50 gallons pr mm ) for å danne et trykkfall over åpningen på omtrent 34,5 bar (500 psi) som i kombinasjon med det hydrostatiske brønntrykket er tilstrekkelig til å bryte splintene 38 Idet splintene 38 er brutt, presses stempelet 34 nedover av brønntrykket til posisjonen vist på fig 3 Sirkulasjonsstrømningen hindres ettersom tetningen 52 går forbi og blokkerer port 30

Idet ventil 26 er lukket (fig 3) vil det superatmosfænske brønntrykket holde stempelet 34 i sin strømmngshindrende stilling og for å muliggjøre at de hydraulisk aktiverte verktøyene på strengen kan sjaltes En etterfølgende reduksjon av rørtrykket vil ikke forårsake at ventilen åpner seg på ny

Med henvisning til fig 4 og 5, er det fremskaffet en andre utførelsesform av sir-kulasjonsventilen, anført som 26' for å skille dem, er identisk i oppbygning i forhold til ventil 26 på fig 2 med unntak av at det i tillegg er en åpning 60 gjennom huset 32' for fluidkommunikasjon mellom kammeret 56' og brønnen Følgelig er kammeret 56' i stedet for å være et luftkammer ved atmosfæretrykk, oppretthold ved brønntrykket I en slik konfigurasjon, reagerer ventilen 26' ikke på det absolutte brønntrykket men reagerer på forskjellen mellom rørtrykket og brønntrykket (dvs trykkfallet over munning 46) I dette tilfellet er åpningens 46 diameter og størrelsen, styrken og antall splinter 38 konfigurert for å gjøre at ventilen lukkes ved en forhåndsbestemt sirkulasjonsvolumstrømmen, uavhengig av verktøystrengens dybde og tilknyttet hydrostatisk brønntrykk Den totale nedoverrettede kraften som virker på stempelet 34 i det øyeblikket splintene 38 brytes, er tilstrekkelig for å akselerere stempelet 34 nedover mot stoppelementet 58 og fortrinnsvis er laget av messing eller kopper for å dempe støtet Idet strømning hindres av tetning 50 tvers over åpning 30, holder det rørtrykket som er over det hydrostatiske brønntrykkstempelet nede og ventilen lukket som vist på fig 5 Denne konfigurasjonen er særlig nyttig for underbalansene brønnkomplettennger Utførelsesformen vist på fig 2 og 3 kan generelt være mer enn nyttig for overbalanserte perforeringer, der brønnbonngstrykket må økes over geologisk hydrostatiske nivåer og opprettholdes ved høyt trykk før man sjalter avfynngshodet For å bruke ventilen på fig 4 og 5 i en overbalansert brønn-komplettenng, bør avfynngshodet være konfigurert for å utløses ved et rørtrykk som er høyere enn det forventede overbalanserte brønntrykk, slik at ventilene ikke åpner seg på ny før apparatene avfyres

Ventilene 26 og 26' kan være gjort opp på rørstrenger av forskjellige konfigurasjoner for å utføre andre nedihullsfunksjoner i tillegg til brønnperforenng De som kjenner det faglige området vil nå forstå at brytesplintene og åpningene kan være konfigurert slik at ventilene forårsakes å lukke ved forskjellige forhåndsbestemte volum-strømmer Av hensiktsmessighetshensyn kan flere stempler med forskjellige åpnmgs-størrelser være frembragt for å konfigurere ventilen på stedet til å lukke ved en ønsket strømnigshastighet Andre utførelsesformer er også innenfor området av de følgende krav

Claims (11)

1 Sirkulasjonsventil (26, 26') for bruk i en verktøystreng (10) tilpasset for å bli senket ned i en brønn på et rør (14), karakterisert ved at ventilen (26, 26') omfatter et hus (32) med øvre og nedre ender og en innvendig boring (28) og som definerer en passasje derigjennom for hydraulisk kommunikasjon mellom røret (14) og strengens verktøy, der huset videre definerer en sideåpning (30) for hydraulisk kommunikasjon mellom passasjen og brønnen, et stempel (34) plassert inne i husets (32) innvendige bonng, der stempelet (34) er tilpasset for å bli beveget av forhøyet rørtrykk fra en utgangsposisjon til en åpmngsblokkerende posisjon for å hindre strømning gjennom husets sideåpning (30), og å forbli i sin portblokkerende stilling når rørtrykket i det etterfølgende reduseres, og et skjørt element (38) som er innrettet for å sikre at stempelet er i sin utgangsposisjon, og for å bli brutt av det forhøyede rørtrykket for å tillate at stempelet (34) beveges til sin åpmngsblokkerende stilling

2 Sirkulasjonsventil i henhold til krav 1, karakterisert ved at stempelet definerer en munning for hydraulisk kommunikasjon mellom passasjen og husets sideåpning med stempelet i sin utgangsposisjon, der munningens størrelse velges for å gjøre slik at ventilen lukker ved en forhåndsbestemt volumstrøm gjennom munningen

3 Sirkulasjonsventil i henhold til krav 1, karakterisert ved at det omfatter mer enn ett skjørt element, der de skjøre elementene omfatter brytesplinter innrettet for å bli avskåret samtidig av det forhøyede rørtrykket

4 Sirkulasjonsventil i henhold til krav 1, karakterisert ved at stempelet og huset denmellom definerer et forseglet luftkammer, der stempelet er innrettet for å redusere luftkammerets volum ettersom stempelet beveges til sin åpmngsblokkerende stilling

5 Sirkulasjonsventil i henhold til krav 1, karakterisert ved at stempelet og huset derimellom definerer et kammer som er eksponert for brønntrykk, slik at ventilen reagerer på forskjellene mellom rørtrykket og brønntrykket

6 Sirkulasjonsventil i henhold til krav 2, karakterisert ved at den videre omfatter en innretmngstapp fastgjort til huset og som strekker seg inn i husets bonng og inn i en aksiell utsparing på stempelet for å opprettholde stempelets rotasjonsmessige stilling inne i husets boring

7 Sirkulasjonsventil i henhold til krav 1, karakterisert ved at den ytterligere omfatter et stoppelement fastgjort inne i husets bonng og som er innrettet for å begrense stempelets bevegelse

8 Sirkulasjonsventil i henhold til krav 7, karakterisert ved at stoppelementet omfatter et matenale som er valgt fra en gruppe bestående av messing og kopper

9 Fremgangsmåte for bruk med en undergrunnsbrønn, karakterisert ved at den omfatter kommunisering av fluid mellom en brønn og en passasje i et ventilhus (32) gjennom en sideåpning (30) i ventilhuset, heving av trykket innvendig i passasjen for å bevege et stempel (34) for å blokkere kommunikasjonen av fluid gjennom sideåpningen (30) ettersom rørtrykk i det etterfølgende reduseres, senkning av en verktøystreng (11) som inneholder ventilhuset (30) langs brønnen mens fluid pumpes gjennom sideåpningen (30), og beveging av ventilstempelet (34) for å lukke ventilen, ved å heve rørtrykket

10 Fremgangsmåte i henhold til krav 9, karakterisert ved at stempelet definerer en munning for hydraulisk kommunikasjon mellom passasjen og husets sideåpning med stempelet i sin utgangsposisjon, der fremgangsmåten omfatter å heve rørtrykket ved å øke volumstrømmen gjennom munningen

11 Fremgangsmåte i henhold til krav 10, karakterisert ved at den videre omfatter det første tnnn med å velge en munningsstørrelse på stempelet (34) slik at sideåpningen (30) i det etterfølgende er lukket ved en forhåndsbestemt rørvolumstrøm