NO322916B1 - Flertrinns trykkvedlikeholdsanordning for underjordisk bronnverktoy, samt fremgangsmate ved bruk av samme - Google Patents

Abstract

Et termisk kompenseringsapparat (52) og fremgangsmåte for å opprettholde et i det vesentlige konstant fluidtrykk inne i et underjordisk brønnverktøy av den type som omfatter en blære som selektivt kan blåses opp ved innføring av trykksatt aktiveringsfluid for å aktivere nevnte verktøy på et sted i en brønn. Et flertrinnsstempel (80, 84, 86) kan beveges inne i et hus. Stemplet omfatter en første flate (80) i kontakt med aktiveringsfluidet og en flerhet av andre flater (80", 84", 86") i kontakt med brønnfluid som omgir apparatet. De kombinerte overflatearealer av de andre flater er større enn den første flates overflateareal, slik at endringer i aktiveringsfluidets volum gjennom utvidelse eller sammentrekking forårsaket av temperaturendringer i nærheten av verktøyet vil føre til bevegelse av stemplet for å holde aktiveringsfluidet på et relativt konstant trykk.

Description

Oppfinnelsen vedrører generelt underjordiske brønnverktøyer slik som oppblåsbare pakninger, broplugger eller lignede som settes ved innføring av et aktiveringsfluid i en ekspanderbar elastomerisk blære, og nærmere bestemt et apparat og en fremgangsmåte som gjør bruk av et flertrinns stempel med flere virksomme flater i kontakt med hydrostatisk brønntrykk for å opprettholde et relativt ensartet fluidtrykk i blæren når verktøyet utsettes for temperaturvariasjoner etter setting.

Det er kjent blant fagfolk på bruk av disse typer oppblåsbare innretninger at disse utsettes for endringer i oppblåsingstrykk når temperaturen i oppblåsingsfluidet varierer fra dets innledende oppblåsingstemperatur. En økning i fluidtemperatur resulterer typisk i økt oppblåsingstrykk, og en reduksjon resulterer i redusert oppblåsingstrykk. En økning i oppblås-ings trykk kan gjøre verktøyet utsatt for svikt ved at det sprenges. En reduksjon i oppblåsingstrykk kan minske forank-ringen mellom verktøyet og borehullet til et punkt hvor verk-tøyet ikke er i stand til å tilveiebringe den tiltenkte forankringsfunksjon. I begge tilfeller kan betydelige temperaturendringer i oppblåsingsfluidet føre til forringet verk-tøyfunksjon og mulig verktøysvikt. Disse svikter kan føre til betydelige pengemessige tap og mulig katastrofe.

Hvor stor temperaturendring som skal til for å påvirke et oppblåsbart verktøys funksjon negativt, avhenger av en rekke parametrer, slik som for eksempel (1) oppblåsingselementets ekspansjonsforhold, (2) den relative stivhet i oppblåsingselementets stålkonstruksjon sammenlignet med oppblåsingsfluidets komprimerbarhet og varmeutvidelseskoeffisient, (3) foringsrørets og/eller formasjonens relative stivhet sammenlignet med oppblåsingsfluidets komprimerbarhet og varmeutvi-delseskoef f isient og (4) de uelastiske egenskaper til de elastomeriske komponenter i oppblåsingselementet. Det finnes andre faktorer av mindre betydning som er kjent for fagfolk innenfor den aktuelle teknikk.

Uten hensyn til de spesifikke verdier for ovennevnte parametrer, kan tradisjonelle oppblåsbare verktøyer ikke tåle posi-tive eller negative temperaturendringer som er større enn omtrent 5,6-8,3 °C (10°-15 °F) fra den innledende temperatur på slutten av oppblåsningssyklusen. Dersom temperaturen i opp-blåsingsf luidet varierer med mer enn denne verdi, utsettes verktøyet for for høye oppblåsingstrykk eller utilstrekkelige oppblåsingstrykk, hvilket ville kunne føre til problemer med verktøyets funksjon av den natur som er beskrevet ovenfor.

I tillegg kan sykling av oppblåsingsfluidtemperaturen innenfor ±8,3 °C fra den innledningsvise temperatur ved ekspandering bevirke belastningssykling i oppblåsingselementets stålkonstruksjon og i blæren. Det er potensial for et alvorlig problem når oppblåsingselementet overlever rutinemessig termisk sykling over et begrenset tidsrom, i løpet av hvilket det bygger seg opp syklisk skade i verktøyet. I et slikt tilfelle kan det oppstå svikt på et eller annet tidspunkt etter at riggen har dratt fra brønnstedet. Et oppblåsbart verktøy kan således tilveiebringe kortvarig funksjonell ytelse ved lave verdier for termisk sykling. Fenomener med kumulativ skade kan imidlertid oppstå i stålkonstruksjoner og/eller elastomeriske komponenter og til slutt forårsake svikt i innretningen.

En tidsforsinket svikt kan være mer kostbar og muligens mer katastrofal enn én som oppstår innen kort tid etter den innledende setting av verktøyet. Utskifting av den innretning som har sviktet, ville medføre gjennomføring av et andre prosjekt omtrent likt i omfang og kostnader som den første ser-viceoperasjon, i stedet for tilfellet med et kortlivet verk-tøy som ville svikte før riggen er demontert og flyttet fra stedet. Operasjoner av denne type kan koste mer enn 100 000 dollar (ca. 900 000 NOK) og så mye som flere millioner dollar.

Innenfor olje- og gassindustrien finnes det mange operasjoner som med hell gjør bruk av trykkisoleringsinnretninger som rutinemessig møter betydelige temperaturutslag og betydelig ut-strekning av kombinert positiv og negativ termisk sykling. Typisk blir oppblåsbare innretninger utelukket som kandidater for slike prosjekter. Typiske prosjekter er satt opp nedenfor :

• prosjekter med stimulering av store volumer, n

• prosjekter med selektiv sonebehandling, n

• prosjekter med pressing av store sementvolumer, n

• produksjonspakningsservice i olje- og/eller gass-brønner, hvilke utsettes for kjøling fra Joules-Thompson ekspansjon og kjøling av gasser, n,c • produksjonspakningsservice i olje- og/eller gass-brønner, hvilke utsettes for oppvarming fra fluider produsert dypere nede, p,c • omforming av en produserende brønn til en injek-sjonsbrønn og midlertidig isolering mellom perfore-rings intervaller , n,c • "huff/puff"-dampinjeksjonsmetoder for å produsere viskøse oljeformasjoner, p,c

[n = disse operasjoner resulterer typisk i et stort negativt termisk utslag (kjøling) i trykkisoleringsinnretningen.]

[p = disse operasjoner resulterer typisk i et stort positivt termisk utslag (oppvarming) i trykkisoleringsinnretningen.]

[c = disse prosjekter repeterte typisk flere termiske syklinger i trykkisoleringsinnretningen over lange tidsrom.]

De fem første prosjektkategorier er meget vanlige innen industrien. Det utføres tusenvis av dem hvert år. De to nederste kategorier er relativt sjeldne med hensyn til akti-viteter verden over.

Dersom tradisjonelle pakninger og broplugger ikke kan gjøre tjeneste for en gitt brønnutforming fordi de ikke er i stand til å passere gjennom innsnevringer og deretter bli satt i foringsrør, er det vanlig å bruke en rigg for å trekke opp produksjonsrør og utføre et kostbart overhalingsprosjekt. Bruken av oppblåsbare "gjennom-produksjonsrør"-innretninger gir velkjente fordeler og allsidighet til olje- og gassindustrien. Deres manglende evne til respektabel tjeneste i operasjoner som omfatter termisk sykling og termiske utslag, utelukker dem fra et vesentlig parti av støttetjenestesekto-ren. En oppfinnelse som ville eliminere skadevirkningene av rutinemessige termiske utslag og termisk sykling, ville eliminere forannevnte problemer, øke fordelene og allsidigheten til oppblåsbare innretninger og gi betydelige kostnadsbespa-relser for operatører innenfor industrien.

Underjordiske brønnverktøyer, slik som tradisjonelle pakninger, broplugger, produksjonsrørhengere og lignende, er velkjente for fagfolk på området og kan settes eller aktiveres på en rekke måter, slik som mekanisk, hydraulisk, pneumatisk eller lignende. Mange av slike innretninger inneholder tet-ningsmekanismer som ekspanderer radialt utover ved innføring av et i det vesentlige ukomprimerbart aktiveringsfluid for å sette innretningen i brønnen, for å tilveiebringe en tetning i det ringformede område av brønnen mellom utsiden av innretningen og den innvendige diameter i brønnforingsrør, hvis brønnen er foret med foringsrør, annen rørledning eller langs veggen i åpent borehull, alt etter som.

Tetningen blir ofte opprettet etter at slik innretning er satt i brønnen og vil bli påvirket negativt ved temperaturvariasjoner i innretningen eller i nærheten av innretningen. Slike temperaturvariasjoner kan bevirke ekspandering eller sammentrekking av tetningsmekanismen, hvorved det oppstår fare for tettingen og endog for innretningens fullstendige forankring over tid. For eksempel, slike innretninger benyttes typisk ved brønnstimuleringsarbeider hvor en sur sammen-setning injiseres i formasjonen eller sonen i tilstøting til en brønnpakning eller broplugg. Når stimuleringsfluidet injiseres i sonen, vil temperaturen i innretningen og borehullet i nærheten av formasjonen reduseres.

Hvis, for eksempel, brønnverktøyet benytter en tetningsmeka-nisme som innbefatter en oppblåsbar elastomerisk blære, blir temperaturen i det aktiveringsfluid som benyttes til oppblås-ing av blæren og til å holde samme i satt posisjon i brønnen, påvirket av temperaturreduksjonen under stimuleringsarbeidet, og forårsaker en trykkreduksjon i det indre av blæren, i fluidkamrene og forbindelsespassasjene inne i verktøyet. Denne trykkreduksjon påvirker i sin tur blæren til å trekke seg sammen fra den innledende setteposisjon. I mer dramatiske si-tuasjoner kan innretningens forankring i borehullet gå tapt, og differensialtrykkene over innretningen kan bevirke "korke-trekker snoing" i kveilrøret eller arbeidsstrengen, hvilket resulterer i mislykket prosjekt, dyr løsning på korketrekker-problemet og betydelig risiko ved driften.

På den annen side blir det samme oppblåsbare verktøy også påvirket negativt ved en økning i innretningstemperatur under visse typer sekundære og tertiære injeksjonsteknikker hvor det benyttes, for eksempel, dampinjeksjon. Når dampen blir injisert i sonen for brønnen nærmest den satte pakning eller brønnplugg, blir sonen og medfølgende innretninger, innbefat-tende produksjonsrør, raskt utsatt for den økte temperatur. Det har vært kjent at noen innretninger ifølge eldre teknikk som inneholder oppblåsbare pakningskomponenter, faktisk har fått sprengt det oppblåsbare blæreelement på grunn av at dette blir utsatt for økt trykk inne i blæren og tilknyttede kamre og passasjer når damp strømmer gjennom innretningen og blir injisert i brønnsonen.

I amerikansk patent 4,655,292 med tittelen "Steam Injection Packer Actuator and Méthod" (Dampinjeksjonspakningsaktivator og fremgangsmåte) er det vist og beskrevet en innretning som retter seg mot problemene knyttet til eldre teknikk ved å tilveiebringe en mekanisme som innbefatter et komprimerbart fluid, slik som nitrogengass. Fluidet brukes til å besørge en temperaturøkning under dampinjeksjon og andre operasjoner for å hindre pakningsmekanismen fra å briste som resultat av at den utsettes for økte trykk som oppstår av temperaturøkningen i oppblåsingsfluid og innretningskomponenter når damp strøm-mer gjennom innretningen.

PCT-søknad, serienr. WO/98/36152, hvis beskrivelse og tegninger innbefattes i dette skrift som om de var fremsatt i sin helhet, beskriver et termisk kompenseringsapparat som benytter hydrostatisk brønntrykk for å opprettholde et relativt konstant trykk i blæren i det oppblåsbare verktøy. Apparatet har et stempel med et par motsatte flater som er i kontakt med henholdsvis det fluid som brukes til å aktivere verktøyet med, og det omliggende brønnfluid nedenfor verktøyet. Den flate som er i kontakt med borehullsfluidet, er proporsjonalt større i overflateareal enn den flate som er i kontakt med aktiveringsfluidet, i et forhold på omtrent 1,4:1 til 1,8:1. Det hviler et relativt konstant hydrostatisk brønntrykk på den største av flatene. Med det hydrostatiske brønntrykk som referanse beveger stemplet seg som svar på enhver forandring i volum og ledsagende trykk i aktiveringsfluidet som skyldes temperaturendringer i nærheten av verktøyet, for å opprettholde et i det vesentlige konstant trykk i aktiveringsfluidet .

Apparatet i PCT-publikasjonen er imidlertid ikke egnet for verktøyer av liten diameter som føres gjennom produksjonsrør, slik som f.eks. verktøyer med 5,4 cm (2 1/8") diameter som det er vanlig å kjøre gjennom 7,3 cm (2 7/8") produksjonsrør med innvendige diameterinnsnevringer på 5,9 cm (2 5/16") og sette i et 17,8 cm (7") foringsrør. Disse verktøyer for kjøring gjennom produksjonsrør blåses opp til høye ekspansjonsforhold og fylles derfor med et betydelig volum aktiveringsfluid. Aktiveringsfluidvolumet er usedvanlig høyt sammenlignet med det trykkopprettholdende stempels areal og slagvolumkapasitet i en ettrinnsinnretning som har et intensiveringsforhold på 1,4:1 til 1,8:1. Disse verktøytyper har ikke stor nok diameter til å tilveiebringe et differensial-overflateareal på de respektive fluidkontaktflater som er stort nok til å kompensere for temperaturvariasjoner som er større enn 5,6-8,3 °C (10-15 °F). Siden temperaturvariasjoner over 11,1 °C (20 °F) ikke er uvanlig, er det behov for et apparat som benytter hydrostatisk brønntrykk for å opprettholde et relativt konstant trykk i verktøyer med liten diameter som kjøres gjennom produksjonsrør under serviceoperasjoner hvor det under drift forekommer betydelige variasjoner i verktøy-temperatur.

Den herværende oppfinnelse retter seg, i det minste i de foretrukne utførelser, mot disse problemer som er knyttet til innretninger ifølge eldre teknikk, og opprettholder relativt konstant oppblåsingstrykk selv når innretningen utsettes for enkeltvise og/eller flere termiske utslag av betydelig stør-relse. Oppfinnelsen virker til å dempe de negative virkninger av hvilken som helst kombinasjon av oppvarming og avkjøling, både ved kvasistatisk og dynamisk sykling.

Ifølge et første aspekt tilveiebringer den herværende oppfinnelse et termisk kompenseringsapparat som skal opprettholde relativt konstant fluidtrykk inne i et fluidtrykkaktivert underjordisk brønnverktøy, hvilket apparat omfatter: (a) et stempelhus; (b) et flertrinns stempel som kan beveges i huset; hvor (c) nevnte stempel omfatter en første stempelflate som er i kontakt med nevnte brønnverktøyaktiverings-fluid;, idet nevnte stempel innbefatter en flerhet av andre flater som er i kontakt med brønnfluid som omgir nevnte apparat; og nevnte flerhet av andre flater som har et kombinert overflateareal som er større enn overflatearealet av den første stempelflate.

Ytterligere foretrukne trekk er fremsatt i patentkrav 2 til 6.

Ifølge et andre aspekt tilveiebringer den herværende oppfinnelse en fremgangsmåte for å opprettholde et i det vesentlige konstant fluidtrykk inne i et underjordisk brønnverktøy av den type som omfatter en blære som selektivt kan blåses opp ved innføring av et i det vesentlige ukomprimerbart aktiveringsfluid under trykk for å aktivere nevnte verktøy på et

sted i en brønn, hvilken fremgangsmåte omfatter trinnene:

(a) å tilveiebringe et flertrinns stempel som er bevegelig i et stempelhus, hvilket stempel omfatter en første stempelflate i kontakt med nevnte aktiveringsfluid; (b) å holde en flerhet av andre flater på nevnte flertrinns stempel i kontakt med brønnfluider som omgir nevnte apparat, hvor trykkforandringer i aktiveringsfluidet forårsaket av temperaturendringer i nærheten av verktøyet vil påvirke flertrinnsstemplet til å bevege seg for å opprettholde konstant trykk i aktiveringsfluidet.

Ytterligere foretrukne trekk er fremsatt i patentkrav 8 til 11.

Den herværende oppfinnelse tilveiebringer således, i det minste i foretrukne utførelser, et termisk kompenseringsapparat som er forbedret i forhold til det som er beskrevet i PCT-patentsøknad med serienr. WO 98/36152. Som ved apparatet i WO 98/36152 benyttes motsatte flater med et differensial-overflatearealforhold, også kalt intensiveringsforhold, som settes ved differensialet mellom trykket i det aktiveringsfluid som brukes for å sette verktøyet, og det relativt konstante hydrostatiske brønntrykk. Det brukes imidlertid et flertrinnsstempel, slik at det omliggende brønnfluid hviler på mer enn én stempelflate, slik at det kan opprettholdes et relativt konstant aktiveringstrykk i verktøyer som møter de mest ekstreme kombinasjoner av verktøydiameter, ekspansjonsforhold og betydelige temperaturvariasjoner, og til og med ved uvanlig høye intensiveringsforhold.

Når trykk i aktiveringsfluidet forandrer seg på grunn av temperaturvariasjoner i nærheten av verktøyet, er det hydrostatiske brønntrykk i kontakt med mer enn én flate på stemplet, slik at det samme differensialforhold kan benyttes som i apparatet i WO 98/36152, men i et verktøy som har en mye mindre diameter. I stedet for å benytte bare et par motsatte flater for å tilveiebringe differensialoverflatearealet, benytter det forbedrede apparat flere flater, anordnet etter hverandre, i kontakt med det hydrostatiske brønntrykk. På denne måte kan et verktøy som har en mindre diameter med kontakt-flater som har overflatearealer, benyttes for å etterkomme temperaturvariasjoner så store som 111 °C (200 °F), selv ved høye intensiveringsforhold.

Apparatet og fremgangsmåten ifølge foretrukne utførelser av oppfinnelsen tilveiebringer et flertrinns stempelarrangement med flere flater i kontakt med omliggende brønnfluid. Dette oppnås med et flertrinnsstempel med en første flate i kontakt med aktiveringsfluidet og et flertrinns andre stempel som har to eller flere flater som blir værende i kontakt med det omliggende brønnfluid. Dette arrangement tillater bruk av relativt stort overflateareal på det første stempel i kontakt med aktiveringsfluidet, sammenlignet med overflatearealet av samme stempelareal i apparatet beskrevet i WO 98/36152. Dette flertrinnsstempel har to eller flere flater som er utsatt for det omliggende brønntrykk, slik at intensiveringsforholdet, som er forholdet mellom overflatearealene utsatt for det omliggende brønnfluid og overflatearealet på det stempel som er utsatt for aktiveringsfluidet, kan være mye større selv når diameteren på oppfinnelsen er liten sammenlignet med det oppblåsbare verktøys satte diameter, og når oppfinnelsen må tilveiebringe et betydelig slagvolum for å opprettholde relativt konstant aktiveringstrykk når temperaturen i verktøyet varierer med så mye som ±111 °C (200 °F).

Det vil nå, bare som eksempel, bli beskrevet noen foretrukne utførelser av oppfinnelsen under henvisning til de med-følgende tegninger, hvor:

Fig. 1 er et planriss, delvis i snitt, av et ekspandert verk-tøy, slik som en oppblåsbar pakning, tilkoplet et termisk kompenseringsapparat ifølge eldre teknikk, slik som det på fig. 1 i PCT-søknad WO 98/36152; Fig. 2 er et snittriss av de innbyrdes posisjoner til komponentene i det termiske kompenseringsapparat ifølge eldre teknikk vist på fig. 2 i WO 98/36152, etter at aktiveringsfluid har ekspandert den oppblåsbare pakning til kontakt med brønn-foringsrøret; Fig. 3 er et snittriss av de innbyrdes posisjoner til komponentene i det termiske kompenseringsapparat ifølge eldre teknikk vist på fig. 3 i WO 98/36152, når aktiveringsfluidet utsettes for en temperaturnedgang; Fig. 4 er et snittriss av en andre utførelse av det ettrinns termiske kompenseringsapparat ifølge eldre teknikk vist på fig. 4 i WO 98/36152; Fig. 5 er et snittriss av den andre utførelse av det termiske kompenseringsapparat ifølge eldre teknikk vist på fig. 5 i WO 98/36152, etter at stemplet er beveget oppover når aktiveringsfluidet utsettes for en temperaturnedgang; Fig. 6 er et snittriss av det forbedrede flertrinns termiske kompenseringsapparat ifølge den herværende oppfinnelse; Fig..7 er et snittriss av det forbedrede termiske kompenseringsapparat vist på fig. 6, etter at aktiveringsfluidet i verktøyet er blitt utsatt for en temperaturnedgang; og Fig. 8 er et snittriss av apparatet på fig. 6 ved slutten av en settesyklus.

Det flertrinns termiske kompenseringsapparat ifølge den herværende oppfinnelse er en forbedring fremfor ettrinnsappara-tet beskrevet i PCT-søknad WO 98/36152 hvis tegninger og beskrivelse innbefattes i dette skrift gjennom henvisning som om de var fremsatt i sin helhet. Det forbedrede apparat kan særlig anvendes ved driftsforhold hvor det oppblåsbare verk-tøys diameter er mindre enn omtrent 50 % av det satte oppblåsbare verktøys diameter og intensiveringsforholdet er større enn 1,4:1 og temperaturen i det oppblåsbare verktøy ventes å sykle eller avvike vesentlig fra dets innledende temperatur på slutten av setteoperasjonen, for eksempel egner oppfinnelsen seg ideelt for et verktøy med en diameter på 4,3 cm som kjøres gjennom 3,5 cm produksjonsrør eller lignende og settes i foringsrør på 10,2 cm eller mer. Ettrinnsoppfinnel-sen ifølge eldre teknikk kan ikke opprettholde konstant akti-ver ings fluidtrykk når verktøytemperaturen varierer med en betydelig verdi. Den herværende oppfinnelse er imidlertid ikke begrenset til verktøyer av den størrelse og kan brukes i verktøyer av hvilken som helst størrelse hvor det kan brukes et flertrinns stempelarrangement for å oppnå et egnet inten-siveringsf orhold for arealene på de flater som er i kontakt med aktiveringsfluidet og det omliggende brønnfluid.

Før apparatet ifølge den herværende oppfinnelse beskrives, vil apparatet ifølge eldre teknikk beskrevet i PCT-søknaden bli beskrevet som bakgrunnsinformasjon. Det vises først til fig. 1-3, hvor det er vist én utførelse av det termiske kompenseringsapparat ifølge eldre teknikk koplet til et oppblåsbart brønnverktøy 10, slik som en pakning, broplugg eller lignende. Verktøyet 10 er blitt blåst opp på kjent måte med et egnet ukomprimerbart aktiveringsfluid for å sette verktøy-et 10 inne i et foringsrør 12. Når verktøyet 10 blåses opp som vist skjematisk på fig. 1, oppretter og opprettholder det en tetning over foringsrørets 12 innvendige tverrsnitt. Verk-tøyet 10 kan settes for eksempel ovenfor en formasjonssone som produserer vann eller annet uønsket fluid. Som vist på fig. 1, er verktøyet 10 i sin øverste ende koplet til en lengde av kveilrør 14 eller lignende, gjennom hvilken en vel-kjent type aktiveringsfluid overføres for å ekspandere verk-tøyet 10 som vist.

Fig. 2 viser de innvendige komponenter i et termisk kompenseringsapparat 16. Et øvre husavsnitt 20 er på kjent måte forbundet med den nederste ende av verktøyet 10. Et første øvre stempel 22 er plassert for å bevege seg opp og ned i et parti 20' av det øvre husavsnitt 20. Et par kanaler 24, 24' strekker seg i det øvre husavsnitt 20 mellom et hulrom 10' utformet i verktøyet 10 og et kammer 26 som har en innvendig flate 20'" og er avgrenset i den ene ende av en nedadvendt endeflate 20" inne i huset 20, og i motsatt ende av en opp-overvendt endeflate 22' på det første stempel 22. Som beskrevet nedenfor, påvirkes stempelendeflaten 22' av fluidtrykket inne i verktøyet 10 og kammeret 26.

Huset 20 er i sin nedre ende gjengekoplet til den øvre ende av et nedre husavsnitt 27. Som vist, har det nedre husavsnitt 27 et større innvendig areal enn det øvre husavsnitts innvendige flate 20'". Et andre nedre stempel 30 er plassert for å bevege seg opp og ned i det nedre husavsnitt 27.

Det nedre husavsnitt 27 har en avsmalnet ende 27' som er utformet med en sentral åpning 32, slik at den nederste endeflate 30' av det andre stempel 30 kontinuerlig påvirkes av det hydrostatiske trykk inne i brønnen. Det nedre stempel 30 isolerer brønnfluidene fra aktiveringsfluidet som befinner seg i sylinderen 26.

Stemplene 22, 30 er forbundet med hverandre ved hjelp av en sentral stempelstang 34, slik at stemplene 22, 30 beveger seg samlet opp og ned etter hverandre. Det dannes et rom 31 mellom stemplene 22, 30 som inneholder luft ved atmosfærisk trykk.

Endeflaten 30' på det nedre stempel 30 har et betydelig stør-re overflateareal enn det øvre stempels 22 endeflate 22<1>. Stempelflaten 30' kan for eksempel ha et overflateareal 1,1 til 2,0 ganger større enn stempelflaten 22'. Dette differen-sial holder stemplene 22, 30 i likevekt i posisjonen vist på fig. 2, inne i brønnen ved det forhåndsbestemte hydrostatiske brønntrykk og aktiveringsfluidtrykk.

Når det skjer en temperaturendring i nærheten av verktøyet 10 som får trykket i aktiveringsfluidet til å forandre seg, beveger stemplene 22, 30 seg automatisk og opprettholder et i det vesentlige konstant trykk i aktiveringsfluidet. Denne trykkompensering tilveiebringes gjennom stemplene 22, 30 og den rørformede stempelstang 34. Denne stempelbaserte trykkom-pensator som arbeider med det hydrostatiske brønntrykk som referansetrykk, absorberer eller reduserer den effektive kjø-ling eller oppvarming av det aktiveringsfluid som benyttes for å sette verktøyet 10. På denne måte opprettholdes et relativt konstant trykk i verktøyet, slik at dettes funksjoner ikke påvirkes negativt.

En anvendelse som er funnet for denne innretning, er når for eksempel vann blir injisert i formasjonen på et punkt som er plugget med verktøyet 10, for derved å fortrenge olje eller gass i et sekundært utvinningsprosjekt. I et slikt tilfelle kjøler injeksjonsvannet aktiveringsfluidet inne i brønnverk-tøyet 10. Dette får i sin tur aktiveringsfluidet til å trekke seg sammen. I et tradisjonelt verktøy som ikke har trykkom-penseringsinnretning, vil denne sammentrekking forårsake nedgang i aktiveringstrykket. Når det skjer en slik trykkreduksjon, er det fare for at den tetning som tilveiebringes av verktøyet 10, kan gå tapt. Dersom temperaturnedgangen er på 8,3 °C eller mer, vil tetnings- og forankringsfunksjonen helt sikkert gå tapt. På den annen side forekommer det tilstander når temperaturen i nærheten av verktøyet 10 er økt i forhold til omgivelsestemperaturen i brønnen, hvor dette ville føre til en overtrykkssituasjon inne i verktøyet 10. Hvis temperaturøkningen er 5,6 °C eller større, vil verktøyet helt sikkert svikte ved at det sprenges.

Fig. 3 viser som eksempel posisjonene til komponentene i det termiske kompenseringsapparat 16 når det skjer en nedgang i temperaturen i aktiveringsfluidet i verktøyet 10. Som vist, er verktøyet 10 blitt satt ved innføring av trykksatt aktiveringsfluid, slik at fluidet også strømmer gjennom kanalene 24, 24' og inn i kammeret 26. Det hydrostatiske brønntrykk nedenfor det satte verktøy 10 holder seg relativt konstant. Når aktiveringsfluidets volum reduseres på grunn av en temperaturnedgang i nærheten av verktøyet 10, får trykket fra det hydrostatiske brønntrykksfluid som hviler på undersiden 30' av stemplet 30, stemplet 22 til å bevege seg oppover, som vist på fig. 3, og tvinge aktiveringsfluid fra kammeret 26 inn i det innvendige hulrom 10' for å opprettholde et i det vesentlige konstant trykk inne i verktøyet 10. På denne måte holdes trykket i aktiveringsfluidet automatisk på et i det vesentlige konstant nivå gjennom virkningen fra det hydrostatiske brønntrykk.

Det motsatte skjer når det forekommer en økning i temperaturen i nærheten av verktøyet 10. Aktiveringsfluidets volum øker, hvorved det påvirker fluidet til å ekspandere inn i kammeret 26 og bevege stemplene 22, 30 nedover. Ved å bruke det hydrostatiske brønntrykk som referansefluid, kan det således opprettholdes et i det vesentlige konstant trykk inne i verktøyet 10 ved bruk av de bevegelige stempler 22, 30 som beskrevet.

En andre utførelse av innretningen ifølge eldre teknikk beskrevet i PCT-søknaden er vist på fig. 4 og 5 som er repro-duksjoner av fig. 4 og 5 i PCT-søknaden. Kort sagt avviker denne utførelse fra den som er beskrevet ovenfor i forbindel-se med fig. 1-3, i utformingen av stemplene, tilveiebringel-sen av en sentral gjennomgående passasje for overføring av omliggende brønnfluider samt bruken av to tetninger plassert med innbyrdes aksial avstand.

Som vist på fig. 4, er en sentral, rørformet stempelstang 34a utformet med et stempel 36 som omfatter en første stempelflate 36' som er i kontakt med aktiveringsfluidet for verk-tøyet 10. Stempelflaten 36' har et betydelig mindre overflateareal enn en andre stempelflate 36" som er i kontakt med det omliggende brønnfluid. Som i utførelsen vist på fig. 1-3, er overflatearealforholdet fortrinnsvis 1:6.

Den øvre ende av stempelstangen 34a er bevegelig inne i et nedre avsnitt 38' av et konsentrisk indre rør 38 plassert i det øvre husavsnitt 20. Det indre rør 38 er koplet ende mot ende til et koaksialt rør 40 som har en boring 40' som strekker seg gjennom det oppblåste verktøy 10. Røravsnittet 38' har en relativt stor diameter, slik at stempelstangen 34a kan bevege seg opp og ned inne i røravsnittet 38'. Røravsnittet 38' er også omgitt av langsgående kanaler 24, 24' (eller al-ternativt av et konsentrisk ringrom, ikke vist) som er forbundet, som vist på fig. 4, gjennom en sylinderboring 42 til kontakt med stempelflaten 36'.

På fig. 5 er stempelstangen 34a og stemplet 36 vist i sin øverste stilling i det øvre husavsnitt 20. Denne utførelse er særlig egnet når to verktøyer 10 som befinner seg i avstand fra hverandre, er forbundet med hverandre. Fig. 5 viser det øvre verktøy idet det nedre (ikke vist) er tettsluttende tilkoplet via et nedre, nedover konisk avsmalnende endeparti 27 1 , slik at åpningen 32 ikke er utsatt for det omliggende brønnfluid. I stedet er det omliggende brønnfluid i kontakt med en sylinderboring 44 via radialtforløpende porter 46, 46'. En tetning 48 er plassert mellom stemplet 36 og den indre flate av det nedre stempelhusavsnitt 27 for å hindre det omliggende brønnfluid fra å strømme nedover og inn i det nedre stempelhusavsnitt 27. Aktiveringsfluid er således i stand til å strømme nedover gjennom boringen 40' og boringen 32 for å sette det nederste verktøy 10 (ikke vist) uten å lekke inn i et rom dannet mellom verktøyene.

Denne utførelse virker i det vesentlige på samme måte som dem vist på fig. 1-3. Når temperaturen i nærheten av verktøyet 10 avtar, avtar trykket i det aktiveringsfluid som hviler på stempelflaten 36'. Det relativt konstante omliggende hydrostatiske brønntrykk tvinger stemplet 36 til å bevege seg oppover ved å øve kraft på den nedre stempelflate 36" for å bevege stemplet oppover til posisjonen vist på fig. 5. Det motsatte skjer når det forekommer en temperaturøkning i nærheten av verktøyet 10, hvilken tvinger stemplet 36 til å bevege seg nedover inne i sylinderboringen 42.

På grunn av de typiske differensialtrykk mellom aktiveringsfluidet som brukes for å sette verktøyet 10, og det hydrostatiske brønntrykk, må differensialoverflatearealene på de motsatte flater av de beskrevne stempler være relativt store (for eksempel med et forhold på omtrent 1,4 til 2,0) for å tilveiebringe et relativt konstant trykk inne i verktøyet 10 gjennom temperatursvingninger på opp til ±111 °C (200 °F). Disse utførelsesbegrensninger krever at diameteren på verk-tøyet og på de stempler som beveger seg opp og ned inne i verktøyet, er relativt store, hvilket hindrer dem fra å bli brukt i verktøyer som kjøres gjennom produksjonsrør. Ettrinn-sapparater som dem vist på fig. 1-5 har begrenset anvendelig-het. De er ikke i stand til å sørge for opprettholdelse av trykk ved de fleste anvendelser med oppblåsbare innretninger som kjøres gjennom produksjonsrør, slik som dem beskrevet tidligere i denne tekst, av grunner som også er beskrevet tidligere i denne tekst.

I overensstemmelse med foretrukne utførelser av oppfinnelsen er det tilveiebrakt en flertrinns trykkopprettholdelsesinn-retning som har et vidt anvendelighetsområde innbefattet, men ikke begrenset til, anvendelser med kjøring gjennom produk-sjonsrør hvor verktøyets relative størrelse er liten, inten-siveringsf orholdet kan være så høyt som og overskride 2:1, det første stempels slagvolum kan være betydelig, og aktiver-ingsfluidtrykket kan holdes konstant selv når temperaturen varierer med så mye som +111 °C (200 °F).

Som vist på fig. 6-8, er det tilveiebrakt et slikt apparat som benytter et flertrinnsstempel som kan utformes med en mindre utvendig diameter enn det som hittil har vært mulig.

På fig. 6 er det vist et termisk kompenseringsapparat 52 som er tilpasset for i sin øvre ende 54 å koples til et verktøy (ikke vist) av den ovenfor beskrevne type. Apparatet 52 innbefatter et øvre stempelhus 56 som er gjengekoplet til den øvre ende 54, et midtre stempelhus 58 som er forbundet med det øvre stempelhus 56 via en føring 60, og et nedre stempelhus 62 som er forbundet med det midtre stempelhus 58 gjennom en føring 64. Disse avsnitt er alle koplet til hverandre via gjenger på kjent måte. Apparatet 52 omfatter også en bunn-plugg 66 som er koplet til det nedre stempelhus 62, og som omfatter en stang 68 som holdes på plass i pluggen 66 av en pinne 70.

Den øvre ende 54 av apparatet 52 innbefatter en albuformet boring 72 som står i fluidforbindelse med aktiveringsfluidet som brukes for å sette verktøyet. En sprengskive 74 er plassert inne i boringen 72 på kjent måte og brister når aktiveringsfluid med et forhåndsbestemt trykk overføres til verktøyet. En tilbakeslagsventilmekanisme og kontrollhode-undersammenstilling (ikke vist, men med artsmessig konstruk-sjon som er kjent for fagfolk på området) vil lette oppblås-ing av verktøyet med aktiveringsfluid som befinner seg i ledningsboringen umiddelbart ovenfor boringen 72. Når sprengskiven 74 brister, vil tilbakeslagsventilmekanismen automatisk og samtidig lukkes og stenge inne et begrenset akti-veringsfluidvolum i verktøyet og et hulrom 78.

En andre boring 76 strekker seg gjennom det øvre parti 54 for å tilveiebringe fluidforbindelse for aktiveringsfluidet mellom verktøyet og et kammer 78 utformet i det øvre stempelhus 56. Aktiveringsfluid i kammeret 78 hviler på en øvre flate 80' av det øvre stempel 80. En stang 82 forbinder det øvre stempel 80 stivt med et midtre stempel 84 plassert i det midtre stempelhus 58 samt et nedre stempel 86 plassert i det nedre stempelhus 62.

Alle tre stempler 80, 84 og 86 beveger seg samlet etter hverandre gjennom deres forbindelser med den stive stang 82. Stangen 82 strekker seg gjennom føringene 60, 64 for å be-holde innrettingen, idet stemplene 80, 84 og 86 beveger seg opp og ned inne i sine respektive stempelhus.

Stemplet 84 beveger seg inne i et kammer 88 utformet i det midtre stempelhus 58, og stemplet 86 beveger seg inne i et kammer 90 utformet i det nedre stempelhus 62. Undersiden av hvert av stemplene 80, 84 og 86 forblir i kontakt med det omliggende brønnfluid gjennom passasjen 92 i det øvre stempelhus 56, passasjen 94 i det midtre stempelhus 58 og passasjen 96 i det nedre stempelhus 62. På denne måte er undersiden 80" av stemplet 80, undersiden 84" av stemplet 84 og undersiden 86" av stemplet 86 utsatt for hydrostatisk brønntrykk. Rommet ovenfor stemplene 84, 86 inne i deres respektive kamre er tomt, dvs. det er vakuum i rommet ovenfor stemplene 84 og 86. Hvert av stemplene og føringene omfatter egnede O-ringtetnin-ger for å isolere hvert av kamrene og partiene på motsatte sider av stemplene fra hverandre.

Apparatet 52, som vist på fig. 6, er i "innkj"ørt" posisjon før aktiveringsfluid brukes for å sette verktøyet, og før verktøyet utsettes for hydrostatisk brønntrykk.

Apparatet 52, som vist på fig. 7, er vist i en mellomposi-sjon. Det oppblåsbare verktøy er ekspandert. Innretningen 52 er i det vesentlige kraftbalansert ved det ønskede oppblåsingstrykk etter at stempelflaten 80' er blitt skilt fra bun-nen av overgangselementet 54, og før stempelflaten 86" berø-rer elementet 68. Flertrinnsstempel-stang-sammenstillingen er kraftbalansert når den befinner seg mellom disse to beskrevne endepunkter. Kraftbalansen beskrives gjennom følgende lig-ning.

hvor: AP = trykket i aktiveringsfluidet

BHP = (bunnhullstemperatur) = borehullstrykk utenfor

verktøyet 52

Ai = projisert areal bestemt av husets 56 boringsdiameter

A2 = det projisert areal bestemt av husets 58

boringsdiameter minus det projiserte areal av stempelforbindelsesstangen 82

A3 = det projiserte areal bestemt av husets 62

boringsdiameter

Intensiveringsforholdet bestemmes gjennom:

hvor: IR = intensiveringsforholdet som er forholdet mellom aktiveringsfluidet delt på bunnhulls-trykket umiddelbart nedenfor verktøyet.

Det er alltid kraftbalanse i innretningen 52. Det er på grunn av kraftbalansen at det alltid øves konstant kraft, dvs. trykk, på fluidet i kammeret 78 og i verktøyet ovenfor. Når aktiveringsfluidets volum utvides eller trekker seg sammen, beveger stemplet 80 seg for å foreta et slag gjennom et volum som er likt størrelsen på volumekspansjonen eller volumsam-mentrekkingen mens det opprettholder en konstant kraft på fluidet i kammeret 78 og derved opprettholder konstant trykk i aktiveringsfluidet.

På slutten av settesyklusen presser stempelflaten 86" mot toppen av stangen 68 som er festet på plass med skjærepinnen 70. Aktiveringstrykket vil påvirkes til å øke ved fortsatt pumping inn i verktøyet. Sprengskiven brister så snart akti-veringsf luidtrykket når sprengskivens bristetrykk. Som tidligere beskrevet stenges tilbakeslagsventilen i kontrollhodet samtidig med bruddet i sprengskiven, og aktiveringsfluidet blir værende i verktøyet og boringen 76 og hulrommet 97. Med det i tankene at stempelflaten 86" befinner seg på toppen av stangen 68, er det innlysende at sammentrekking av volumet av aktiveringsfluid vil påvirke stempel-stang-sammenstillingen (sammensatt av 80, 82, 84 og 86) til å slå oppover og bort fra stangen 68 mens innretningen 52 holder konstant trykk i aktiveringsfluidet, mens ekspansjon i aktiveringsfluidvolumet vil påvirke stempel-stang-sammenstillingen til å presse nedover på stangen 68 og skjære pinnen 70. Så snart pinnen 70 er skåret, er stangen 68 løs og byr ikke på noen motstand mot nedadrettet bevegelse av stempel-stang-sammenstillingen. Dette er vist på fig. 8.

Kombinasjonen av sprengskive 74, stang 68 og skjærepinne 70 gjør det mulig å anbringe stempel-stang-sammenstillingen slik at det ønskede innledende aktiveringstrykk (det innledende settetrykk) kan oppnås mens stempel-stang-sammenstillingen plasseres slik at sammentrekking og utvidelse av aktiveringsfluidet kan etterkommes etter at verktøyet er satt.

Hvis det skjer en temperaturnedgang i nærheten av verktøyet, hvilken forårsaker en sammentrekning av aktiveringsfluidet, beveger omliggende brønnfluider seg i pilenes F (Fig. 7) ret-ning og til anlegg mot undersiden 80", 84" og 86" av henholdsvis stempel 80, 84 og 86 og får stemplet 80 til å bevege seg oppover for å opprettholde et i det vesentlige konstant trykk i aktiveringsfluidet. Det omvendte skjer hvis det forekommer en temperaturøkning i nærheten av verktøyet, hvilken forårsaker ekspansjon i aktiveringsfluidet, hvilken i sin tur påvirker stemplene 80, 84 og 86 til å bevege seg nedover for å opprettholde et i det vesentlige konstant trykk i aktiveringsfluidet .

På denne måte kan det ved bruk av et flertrinns stempelarrangement brukes et termisk kompenseringsapparat med mye mindre diameter sammen med verktøy som kjøres gjennom pro-duksjonsrør, noe som hittil ikke har vært mulig. På denne måte opprettholdes brønnverktøyets fullstendige tetning uten fare for sprengning på grunn av temperaturvariasjon i nærheten av verktøyet.

Claims (11)

1. Termisk kompenseringsapparat (52) for opprettholdelse av et i det vesentlige konstant fluidtrykk inne i et fluidtrykkaktivert underjordisk brønnverktøy (10), hvor nevnte apparat (52) omfatter: (a) et stempelhus (56, 58, 62); (b) et flertrinnsstempel (80, 84, 86) som kan beveges i huset; idet (c) nevnte stempel (80, 84, 86) omfatter en første stempelflate (80') som er i kontakt med nevnte brønnverktøyaktiveringsfluid, karakterisert ved at nevnte stempel (80, 84, 86) omfatter en flerhet av andre flater (80", 84", 86'') som er i kontakt med brønnfluid som omgir nevnte apparat (52), idet nevnte flerhet av andre flater (80", 84", 86") har et kombinert flateareal som er større enn den første stempelflates (80') overflateareal.

2. Termisk kompenseringsapparat som angitt i krav 1, karakterisert ved at brønnverktøyet (10) omfatter en blære som selektivt kan ekspanderes ved inn-føring av trykksatt aktiveringsfluid, og hvor endringer i aktiveringsfluidets trykk forårsaket av temperaturvariasjoner i nærheten av brønnverktøyet vil føre til at nevnte stempel (80, 84, 86) beveger seg for å holde aktiveringsfluidet på et i det vesentlige konstant trykk.

3. Apparat som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at flertrinnsstemplet (80, 84, 86) omfatter tre stempelavsnitt som er forbundet med hverandre gjennom en stang (82), slik at stempelavsnit-tene (80, 84, 86) kan bevege seg samlet etter hverandre.

4. Apparat som angitt i krav 3, karakterisert ved at nevnte tre stempler (80, 84, 86) omfatter et øvre stempel (80), hvis øvre flate danner nevnte første flate (80') .

5. Apparat som angitt i krav 3 eller 4, karakterisert ved at nevnte tre stempler (80, 84, 86) omfatter nedre flater som danner en flerhet av andre flater (80", 84", 86") som er i kontakt med brønnfluider som omgir nevnte apparat (52).

6. Apparat som angitt i hvilket som helst foregående krav, karakterisert ved at forholdet mellom overflatearealet av den første stempelflate (80') og overflatearealet av hver av flerheten av andre flater (80", 84", 86") er omtrent 1:1,5-1,6.

7. Fremgangsmåte for å opprettholde i det vesentlige konstant fluidtrykk inne i et underjordisk brønnverktøy (10) av den type som omfatter en blære som selektivt kan blåses opp ved innføring av et i det vesentlige ukomprimerbart aktiveringsfluid under trykk, for å aktivere nevnte verktøy på et sted i en brønn, hvor fremgangsmåten omfatter det å tilveiebringe et flertrinnsstempel (80, 84, 86) som kan bevege seg i et stempelhus (56, 58, 62), hvilket stempel (80, 84, 86) innbefatter en første stempelflate (80') i kontakt med nevnte aktiveringsfluid, karakterisert ved å holde en flerhet av andre flater (80", 84", 86") på nevnte flertrinnsstempel (80, 84, 86) i kontakt med brønnfluider som omgir nevnte apparat (52), hvorved trykkforandringer i aktiveringsfluidet forårsaket av temperaturendringer i nærheten av verktøyet (10) vil påvirke flertrinnsstemplet (80, 84, 86) til å bevege seg for å opprettholde konstant trykk i aktiveringsfluidet.

8. Fremgangsmåte som angitt i krav 7, karakterisert ved at flertrinnsstemplet (80, 84, 86) omfatter tre stempler (80, 84, 86) som er forbundet med hverandre via en stang (82), slik at stemplene (80, 84, 86) beveger seg samlet etter hverandre.

9. Fremgangsmåte som angitt krav 8, karakterisert ved at den videre omfatter trinnet aktiver-ing av fluid som er i kontakt med den øverste flate (80') av det øverste stempel (80).

10. Fremgangsmåte som angitt i krav 8 eller 9, karakterisert ved at den omfatter trinnet å holde brønnfluid i kontakt med den nederste flate (80", 84", 86") av hvert stempel (80, 84, 86).

11. Fremgangsmåte som angitt i krav 7, 8, 9 eller 10, karakterisert ved at den omfatter trinnet å opprette et forhold mellom overflatearealet av den første stempelflate (80') og overflatearealet av hver av flerheten av andre flater (80", 84", 86") på omtrent 1:1,5-1,6.