NO324900B1

NO324900B1 - Styring av aktivering av anordninger

Info

Publication number: NO324900B1
Application number: NO20023660A
Authority: NO
Inventors: Dwayne D Leismer; Thomas M Deaton; Dennis M Read
Original assignee: Schlumberger Technology Bv
Priority date: 2000-02-02
Filing date: 2002-08-01
Publication date: 2007-12-27
Also published as: WO2001057395A1; NO20023660D0; EP1252440B1; US6433991B1; EP1252440A4; GB2376049B; AU2001234591A1; NO20023660L; CA2399071C; GB2376049A; EP1252440A1; GB0215906D0; CA2399071A1; BR0107795B1; BR0107795A

Description

Oppfinnelsen omhandler styring av aktivering av anordninger slik som

nedihullsanordninger som finnes i brønnhull.

I en brønn kan mange anordninger bli aktivert for å utføre forskjellige opp-gaver. Nedihullsanordninger kan inkludere ventiler (dvs styringsventiler for strøm-ning eller sikkerhetsventiler), perforeringspistoler og andre kompletterings-komponenter. Forskjellige former for aktiveringsmekanismer, hydrauliske, mekaniske, eller elektriske komponenter inkludert kan benyttes. Mekanisk aktivering involverer typisk nedsenking av en eller annen type innstillingsverktøy eller bytte-verktøy til en ønsket dybde for å kople inn nedihullsverktøyet til å virke med en kraft for å bevege en aktuator som er operativt sammenkoplet til nedihullsanordningen. Hydraulisk aktivering involverer typisk anvendelse av et hydraulisk trykk enten gjennom et rør, et foret rørringrom eller en hydraulisk styringsline til en aktuator i et nedihullsverktøy. Elektrisk aktivering involverer typisk kommunikasjon av elektrisk energi og/eller signalering ned en elektrisk kabel, slik som en wireline, en elektrisk styringsline eller annen type av elektrisk line til en nedihulls aktuator, hvilken kan inkludere en elektronisk styring, en motor eller en solenoidaktuator.

En solenoidaktuator inkluderer en elektrisk solenoidcoil laget av et flertall av spiralaktigé spunnende vindinger av elektrisk kabel. En armatur som typisk er konstruert av en magnetisk svarfølsomt materiale blir posisjonert på innsiden av solenoiden. Når en elektrisk strøm blir kjørt gjennom solenoidcoilen blir et magnetisk felt generert for å flytte armaturen i en ønsket retning. Bevegelsen til armaturen kan benyttes til å aktivere nedihullsanordninger.

Konvensjonelle solenoidaktuatorer trenger relativt høye nivå av elektrisk energi for å utføre den ønskede aktueringen. Slike relative høye energibehov kommer delvis på grunn av den relative store fortregningen til aktuatorer for å dri-ve en nedihullsanordning. Elektriske kabler kan løpe tusenvis til titusenvis av fot tii

en anordning i brønnhullet. Slike lange lengder med elektrisk kabel er forbundet med store motstander i hvilke energitap kan være betydelige. Følgelig kommunikasjon av relativt høye elektriske strømmer kan kreve anvendelse av omfattende kabling så vel som energikilder med høy kapasitet ved brønnens overflate. Dette kan øke kostnadene i forbindelse med driften av en brønn.

Andre typer av aktuatormekanismer, slik som mekaniske eller hydrauliske mekanismer, kan også være forbundet med ulemper. Mekanisk aktivering kan be- høve inngripen eller fysisk manipulasjon av nedihullsutstyr, hvilket kan være tid-krevende og upraktisk (slik som i undervannsbrønner). Kommunikasjon av hydraulisk trykk til visse deler av brønnen kan være vanskelig og alle lekkasjer i en hydraulisk kommunikasjonspassasje kan sette en hydraulisk aktueringsmekanismé uvirksom.

Det finnes derfor et behov for aktuatorer som er mer effektive, pålitelige og

enklere å bruke.

Oppsummering

Generelt sett ifølge en utførelsesform, inkluderer en anordning for betjening av en anordning i det minste første og andre aktuatorer som kan aktiveres ved en inngående energi. En betjeningskomponent er tilpasset til å kunne beveges i inkrementene trinn av den første aktuatoren og låst i den aktuelle posisjon av den aktiverbare aktuatoren.

Andre utførelsesformer og egenskaper vil bli fremtredende fra den følgende beskrivelsen, tegningene og kravene.

Kort beskrivelse av te<g>nin<g>ene

Figur 1 illustrerer en utførelsesform av en kompletteringsstreng som har en undergrunnssikkerhetsventil i et brønnhull. Figur 2 er et langsgående delsnitt av en undergrunnssikkerhetsventil-sammenstilling som inkluderer solenoidaktuatorer ifølge en utførelsesform. Figur 3 er et mer forstørret delsnitt av et parti til den undergrunnssikkerhets-ventilsammenstillingen i figur 2. Figur 4A-4D er tidsdiagrammer til et inngående signal og bølgeformer som viser aktivering av aktuatorene i figur 3. Figur 5 er et kretsdiagram som viser en av solenoidaktuatorene i figur 2 for bundet til en elektrisk kabel gjennom en Zenerdiode i ifølge en alternativ utførel-sesform. Figur 6 og 7 er langsgående delsnitt av et parti til en undergrunns-sikkerhetsventilsammenstilling ifølge en annen utførelsesform. Figur 8 illustrerer en aktuator som har piezoelektriske elementer som er utvidbare som en reaksjon på en anvendt inngående spenning ifølge en annen utfø-relsesform. Figur 9 illustrerer en aktuator som har magnetostriktive elementer som er utvidbare som en reaksjon på et anvendt magnetisk felt ifølge en annen ut-førelsesform. Figur 10 og 11 illustrerer en roterende motor som driver aktuatorene i figur 7.

Figur 12 illustrerer en aktuator som har et varmeekspanderende element

ifølge nok en annen utførelsesform.

Figur 13 er et tidsdiagram som inkluderer et inngående signal og bølge-former som representerer aktivering av hvilken som helst av aktuatorene i fig. 8, 9 og 12.

Detaljert beskrivelse

I den etterfølgende beskrivelsen er utallige detaljer fremførte for å tilrettelegge for en forståelse av foreliggende oppfinnelse. Likevel skal det forstås av de som behersker teknikken at det er mulig at foreliggende oppfinnelse kan utøves uten at disse detaljene og at de utallige variantene og modifikasjonene fra de beskrevne utførelsesformene.

Som benyttet her, indikerer uttrykkene "opp" og "ned"; "øvre" og "nedre"; "oppover" og "nedover"; og andre uttrykk relative posisjoner ovenfor eller nedenfor et gitt punkt eller element benyttet i denne beskrivelsen for på en mer presis måte beskrive noen utførelsesformer av oppfinnelsen. Likevel når benyttet i forbindelse med utstyr og fremgangsmåter for anvendelse i brønner som ér avvikende eller horisontale, kan slike uttrykk referere fra venstre til høyre, høyre til venstre, eller andre forhold etter som det er passende.

Ved å referere til figur 1, er en kompletteringsstreng ifølge et eksempel på en utførelsesform posisjonert i et brønnhull 10. Brønnhullet 10 kan utgjøre en del av en vertikal brønn, avvikende brønn, horisontal brønn eller en flérgrenet brønn. Brønnhullet 10 kan være belagt med en foring 14 (eller en annen passende be-legg) og kan inkludere et produksjonsrør 16 (eller en annen type av rør eller rørstrenger) som løper fra overflaten til en hydrokarbonbærende formasjon nedihulls. En produksjonspakker 18 kan bli anvendt til å isolere et ringromsområde 20 mellom produksjonsrøret 16 og foringen 14.

En undersjøisk sikkerhetsventilsammenstilling 22 kan bli festet til rørledning 20. Den undersjøiske sikkerhetsventilsammenstilling 22 inkludere en klappventil

24 eller en annen type ventil (f eks kuleventil, hylseventil, skiveventil og så videre). Klappventilen 24 blir aktivert til åpen eller stengt ved en aktuatorsammenstilling 26. Under normal drift er ventilen 24 aktivert til en åpen posisjon for å tillate fluid å strømme i boringen til produksjonsstrengen 16. Aktuatorsarrimenstillingen 26 i sik-kerhétsventilsammenstillingen 22 bli elektrisk aktivert av signaler i en elektrisk kabel 28 som løper oppover brønnhullet 10 til en kontrollerer 12 på overflaten. Andre mekanismer for fjernaktuering av aktuatorsarrimenstillingen 26 er også mulig. Sik-kerhetsventilen 24 er konstruert til å stenge skulle det oppstå en feilsituasjon i brønnhullet 10 for å forhindre ytterligere skader på brønnen.

Selv bm de beskrevne utførelsesformene inkluderer en aktuator benyttet med en undersjøisk sikkerhetsventil, er det tenkelig at ytterligere utførelsesfprmer kan inkludere aktuatorer benyttet med andre nedihullsanordninger. Slike andre typer nedihullsanordninger kan inkludere, f eks, kontrollventiler for strømning, pak-kere, sensorer, pumper og så videre. Andre utførelsesformer kan inkludere aktuatorer benyttet med anordninger på utvendig for brønnmiljøet.

Ifølge noen utførelsesformer inkluderer en aktuatorsammenstilling i det minste en første aktuator og en andre aktuator. Den første aktuatoren er tilpasset til å bevege en betjeningskomponent til en nedihullsanordning i inkrementene trinn, mens en andre aktuator er tilpasset til å låse eller opprettholde betjeningskomponenten i den aktuelle posisjonen etter hver bevegelse. Som benyttet her refererer uttrykket "betjeningskomponent" til en komponent som anvendes til å aktivere, direkte eller indirekte, en nedihulls anordning. Betjeningskomponenten kan utgjøre en del at aktuatorsammenstillingen, nedihullsanordningen, eller en annen komponent.

Den første aktuatoren er alternativt aktivert og deaktivert ved en forhåndsbestemt frekvens ved sykluser av en aktiveringsenergi mellom av og på stillinger ved den forhåndsbestemte frekvensen. Hver syklus av aktivering pg deaktivering til den første aktuatoren beveger betjeningskomponenten med en forhånds bestemt inkrementell fortregning. Den første og den andre aktuatoren kan for-bindes med forskjellige frekvensresponser slik at syklusen til aktiveringsenergien ved den forhåndsbestemte frekvensen forårsaker den første aktuatoren til å slå seg av og på, men tillatter at den andre aktuatoren opprettholdes i en strøm-førende tilstand. Hver av de første og de andre aktuatorene kan være forbundet med en tidskonstant, hvor tidskonstanten til den andre aktuatoren er større enn den til den første aktuatoren.

Aktiveringsenergien kan være i form av elektrisk energi, magnetisk energi, varmeenergi, infrarød energi, mikrobølgeenergi og andre former av energi. Hver av de førstebg de andre aktuatorene kan inkludere et av de følgende: en sole-nbid-aktuator; en aktuator inneholdende et element formet av et materiale som utvider seg som en respons til anvendt elektrisk, magnetisk, infrarød, mikrobølge eller annen energi; eller andre typer av aktuatorer. Figur 2, 3, 6 og 7 illustrerer so-lenoidsammenstillinger ifølge noen utførelsesformer. Figur 8-12 illustrerer aktuatorsammenstillinger som inkluderer ekspanderende elementer ifølge ytterligere utførelsesformer.

Med å referere til figur 2 er den undersjøiske sikkerhetsventilsammenstillingen 22 ifølge en utførelsesform illustrert i større detalj. Sikkerhetsventilsammenstillingen 22 inkluderer et hus 104 som har ved sin øvre pg nedre ende gjengede forbindelser for sammenkopling til annet nedihulls utstyr slik som produksjonsstrengen 16. Huset 104 definerer en innvendig boring 110 som er i kommunikasjon med boringen til produksjonsrøret 16 for å tilrettelegge for fluid å strømme når ventilen 24 er åpen. Huset 104 definerer også en sidepassasje 106 i hvjlken elektriske ledere kan løpe til en elektrisk aktivert aktuåtormekanisme 108 som utgjør en del av aktuatorsammenstillingen 26. Under normal drift av brønnen, opprettholder aktuatorsammenstillingen 26 ventilen 24 åpen for å tillatte pro-duksjonsfluider å strømme gjennom boringen 110 opp til produksjonsstrengen 16.

Ifølge en utførelsesform, inkluderer den elektrisk aktiverbare aktuator-mekanismen 108 i det minste to solenoidaktuatorer 112 og 114. En solenoidaktuator betjenes ved å generere et magnetisk felt som respons på anvendelse av elektrisk energi til å flytte en magnetisk komponent referert til som en armatur. I ytterligere utførelsesformer kan andre typer av elektrisk aktiverbare aktuatorer benyttes.

Både den første og den andre solenoidaktuatoren 112 og 114 er koplet til en sagtannformet hylse 116s. Den ytre omkretsen til den sagtannformede hylsen 116 har en tannprofil 117 som kan komme i inngrep med solen<p>idaktuatorene 112 og 114. Den nedre enden til den sagtannformede hylsen 116 er forbundet til et strømningsrør 118 som er tilpasset til å betjene klappventilen 24 mellom en åpen og en stengt posisjon. Strømningsrøret 118 har en indre boring (som er koaksial med boringen 110 og huset 104) i hvilket fluid kan strømme. En fjær 120 tilveiebringer en oppadvirkende kraft mot et flankeparti 122 forbundet til strømningsrøret 118. Fjæren 120 er konstruert til å bevege strømningsrøret 118 oppover for å stenge klappventilen 24 når aktiveringsenergi til solenoidaktuatorene 112 og 114 er fraværende. Klappventilen 24 roterer omkring et hengslet punkt 124. Som vist i figur 2 er klappventilen i sin åpne posisjon. Dersom strømningsrøret 118 tillattes å stige, roterer klappventilen 24 rundt dens hengslede punkt 124 til den stengte posisjonen.

For å åpne en klappventil 24 er elektrisk energi skaffet til veie og kommunisert ned gjennom kabelen 28 kommunisert til både den første og den andre solenoidaktuatoren 112 og 114. Den tilførte elektriske energien blir syklisk stengt og åpnet og kan være i form av firkantbølger eller sinusformede signaler. En annet type av tilførte signaler kan inkluderer en rekke av pulser. Andre typer av signaler kan også benyttes i ytterligere utførelsesformer. I følge en utførelsesform er solenoidaktuatoren 114 tilpasset til å bevege den sagtannformede hylsen 116 (og dermed strømningsrøret 118) nedover i inkrementelle trinn. Hver syklus av tilført elektrisk energi i kabelen 28 beveger den sagtannformede hylsen 116 nedover med en forhåndsbestemt inkrementell distanse. Fordi den sagtannformede hylsen 116 og strømningsrøret 118 blir beveget en relativ kort distanse kan det elektriske strømnivået som er nødvendig for å betjene solenoidaktuatoren 114 bli redusert for å tillatte lav energiaktuering av den undersjøiske sikkerhetsventilsammenstillingen 22.

Solenoidaktuatoren i 12 er tilpasset til å opprettholde posisjonen til den sagtannformede hylsen 116 så snart den har blitt beveget inkrementelt av solenoidaktuatoren 114. Følgelig aktiverer hver av syklusene av elektrisk energi solenoidaktuatoren 114 til å bevege den sagtannformede hylsen 116 nedover med en forhåndsbestemt inkrementell distanse, etterfulgt av deaktivering av solenoidaktuato ren 114. Karakteristikken til frekvensresponsen til solenoidaktuatorene 112 og 114 og frekvensen til det elektriske inngangssignalet er valgt slik at solenoidenak-tuatoren 114 slås av og på som en respons på inngangssignalet, men solenoidaktuatoren 112 forblir i det aktiverte tilstanden for å opprettholde posisjonen til den sagtannformede hylsen 116. Ved å la solenoidaktuatoren 112 forbli aktivert og i inngrep med den sagtannformede hylsen 116, kan energi bli fjernet fra solenoidaktuatoren 114 for å starte neste aktueringssyklus. Dette fortsetter inntil den sagtannformede hylsen 116 og strømningsrøret 118 har forflyttet seg nedover med en tilstrekkelig distanse til å åpne klappventilen 24 fullt. Aktuatoren 114 kan bli referert til som en "betjeningsaktuator" mens aktuatoren i12 kan bli referert til som en "holdeaktuator" eller som en "låseaktuator".

Ved videre å referere til figur 3, er solenoidaktuatorene 112 og 114 og den sagtannformede hylsen 116 illustrert i ytterligere detalj. Tannprofilen 117 formet på den ytre omkretsen til den sagtannformede hylsen 116 inkluderer et flertall av tenner 130. Hver tann 130 er generelt trekantet i utforming med en generelt vinkélrett (til aksen til den sagtannformede hylsen 116) kant 131 og en skråstilt kant 133 for å tilveiebringe en palmekanisme som ytterligere beskrevet nedenfor.

Den holdende solenoidaktuatoren 112 inkluderer en solenoidcoil 132 som har en elektrisk wire som er tvunnet et forhåndsbestemt antall ganger for å frem-bringe den ønskede magnetiske kraften til å bevege en armatur 134 plassert på innsiden til solenoidcoilen 132. Armaturen 134, laget av et magnetisk materiale, er langsgående bevegelig på innsiden av solenoidcoilen 132. Armaturen 134 er forbundet til en styrestang 136 som er i forbindelse med en krok 138 for å bevege en koplingskomponent 140 inn eller ut av inngrep med en tann 130 på den sagtannformede hylsen 116. Den nedre enden til koplingskbmponenten 140 er drei-bart forbundet via et hengslet punkt 139 til huset 104 til sikkerhetsventilsammenstillingen 22. Når styrestangen 136 beveges nedover blir koplingskomponenten 140 skjøvet (rotert) mot tannen 130 for å komme i inngrep med den sagtannformede hylsen 116.1 det komponenten 140 kommer i inngrep med en tann 130 til den sagtannformede hylsen 116, er koplingskomponenten 140 i stand til å opprettholde sin posisjon til den sagtannformede hylsen 116. Når energien stenges av fra solenoidcoilen 132, trykker en fjær 142 posisjonert i et ringrom omkring styrestangen 136 armaturen 134 oppover til dens initielle utgangsposisjon. En oppad virkende bevegelse til styrestangen 136 fører til at koplingskomponenten 140 fra-koples tannen 130 til den sagtannformede hylsen 116.

Betjeningssolenoidaktuatoren 114 inkluderer en solenoidcoil 150 som har en elektrisk wire tvunnet et forhåndsbestemt antall ganger. Én armatur 152 laget av et magnetisk materiale er posisjonert i en boring til solenoidcoilen 150. Den nedre enden til armaturen 152 er forbundet med en styrestang 154, som igjen i sin tur er forbundet med en palkomponent 156. En fjær 158 er skaffet til veie i et ringrom omkring styrestangen 154 for å trykke armaturen 152 oppover ved fravær av eh magnetisk kraft tilveiebrakt av solenoidcoilen 150.

Anvendelse av en elektrisk strøm til solenoidcoilen 150 fører til dannelsen av en magnetisk kraft som beveger armaturen 152 nedover. Den nedovervirkende bevegelsen til armaturen 152 fører til at en motsvarende nedovervirkende bevegelse til styrestangen 154 og palkomponenten 156. Armaturen 152, styrestangen 154 og palkomponenten 156 blir flyttet med en tilstrekkelig distanse for å komme i inngrep med en tann 130 til den sagtannformede hylsen 116. Betjeningssolenoidaktuatoren 114 er konstruert til å bevege den sagtannformede hylsen 116 med en forhåndsbestemt distanse for hver syklus. Energibehovet til holdeaktuatoren 112 kan være mindre énn energibehovet til betjeningssoleniod-aktuatoren 114 siden holdesolenoidaktuatoren 112 ikke trenger å bevege den sagtannformede hylsen 116. Dette resulterer i mindre energibehov til solenoid-aktueringsmekanismen 108.

Som vist i figur 3 er betjeningssolenoidaktuatoren 112 i sin innkoplede posisjon og holdesolenoidaktuatoren 114 i sin frakoplede posisjon. Dette tar nødven-digvis likevel ikke hensyn til den faktiske betjeningen av solenoidaktuatorene 112 og 114, siden tilstedeværelsen av inngangsaktiveringsenergi kan aktivere begge aktuatoren i en utførelsesform. Likevel, i en ytterligere utførelsesform, kan separa-te inngangssignal blir tilveiebrakt til aktuatorene 112 og 114 for uavhengig styring.

I en annen utførelsesform kan et par solenoidmekanismer anvendes til styring av kommunikasjonen av fluidtrykket til en betjeningskomponent som kan bli aktuert av fluidtrykket. Eksempelvis kan betjeningskomponenten være i fluid-kommunikasj<q>n med et fluidkammer, med en første solenoidmekanisme som pumper fluid inn i fluidkammeret og en andre solenoidmekanisme som opprettholder trykket i fluidkammeret (slik som ved avstenging av en avløser eller juftemunning). Fluidtrykket i fluidkammeret kan bli økt inkrementelt ved den første solenoidmeka-nismen gjennom en kontrollventil sem leder inn til fluidkammeret.

I utøvelse av utførelsesformene i figur 2 og 3, er det for å åpne klappventilen 24, benyttet et elektrisk inngangssignal ned i den elektriske kabelen 28 til solenoidaktuatorene 112 og 114 til å energisette begge solenoidcoilene 132 og 150. Som et resultat av dette beveges henholdsvis armaturene 134 og 152 og de respektive styrestengene 136 og 154 nedover for å komme i inngrep med pal-komponentene 140 og 156 til den neste tannen 130 til den sagtannformede hylsen 116. Fortsatt bruk av strøm ned i kabelen 28 fører til at armaturen 152 i betjeningssolenoidaktuatoren 114 til å bevege seg nedover for å bevege den sagtannformede 116 med en forhåndsbestemt inkrementell distanse. Energi kan deretter bli fjernet frå kabelen 28 etterfulgt av den neste aktivering/deaktiveringssyklusen en forhåndsbestemt tidsperiode senere.

Solenoidcoilene 112 og i 14 kan bli konstruert med forskjellige tidskon-stanter for å tilrettelegge for flere forkjellige frekvensresponser. Eksempelvis kan induktansen til solenoidcoilen 132 være forholdsvis stor for å oppnå en stor tidskonstant. På den andre siden kan induktansen til solenoidcoilen 150 være mindre enn induktansen til solenoidcoilen 132 for å oppnå en mindre tidskonstant. Tids-konstanter kan også varieres med å variere verdiene for motstand og kapasitans. De forskjellige tidskonstantene til solenoidcoilene 132 og 150 muliggjør forskjellige frekvensresponser til solenoidcoilene. Følgelig dersom et inngangssignal har en

syklus med en forhåndsbestemt hastighet som er hurtigere enn tidskonstanten til solenoidcoilen 150, men mindre enn tidskonstanten til solenoidcoilen 132, kan energi ha en syklus for å aktivere og deaktivere solenoidcoilen 150 (forbundet med betjeningsaktuatoren 114) mens solenoidcoilen 132 (forbundet med holdeaktuatoren 112) forblir strømførende.

Når holdeaktuatoren 112 er strømførende forhindrer den oppadvirkende bevegelse av den sagtannformede hylsen 116 for å hindre tilbakestilling av ventil-sammenstillingen 22 når energien fjernes for å deaktivere betjeningsaktuatoren 114 under den ikke aktive delen av et inngangssignal. På grunn av de skråstilte kantene 133 til tennene 130, kan betjeningsaktuatoren i 14 fortsette å bevege den

sagtannformede hylsen 116 nedovervirkende i inkrementelle trinn selv om holdeaktuatoren 112 er i inngrep med den sagtannformede hylsen 116. Nedovervir-

kende forflytning av den sagtannformede hylsen 116tillater holdeaktuat<o>ren 112 til å komme i inngrep suksessive tenner 130 i tannprofilen 117 inntil betjeningsaktuatoren 114 har beveget ventilen 24 til den åpne posisjonen.

Ved å referere til figur 4A-4B er det illustrert frekvensresponsen til solenoidaktuatorene 112 og 114. Figur 4A viser frekvensresponsen til solenoidcoilen 132 i holdesolenoidcoilen 112 som en respons på et inngangssignal 202 som har en pulsbredde T1 (dvs omkring et sekund), og figur 4B viser en frekvensrespons til solenoidcoilen 150 i betjeningssolenoidaktuatoren 114 som en respons til et inngangssignal 204 som har en pulsbredde T2 (omkring ca 0,3 sekunder). BøIgefor-mene 206 representerer den magnetiske kraften tilveiebrakt av solenoidcoilen 132, mens bølgeformen 208 representerer den magnetiske kraften skaffet til veie av solenoidcoilen 150. Ved videre å referere til figur 4C og 4D, dersom frekvensen til inngangssignalet 200 (figur 4C) er valgt riktig, så kan den magnetiske kraften

(214) fremskaffet av solenoidcoilen 150 bli aktivert og deaktivert med en syklus til inngangssignalet 200 mens den magnetiske kraften (216) til solenoidcoilen 132

forblir over en terskelverdi 210 for å opprettholde holdesolenoidaktuatoren 112 i sin strømførende tilstand.

I andre utførelsesformer kan mer enn en betjeningssolenojd og mer enn en holdesolen<p>id bli benyttet til å betjene en eller flere betjeningskomponenter. Det kan også i stedet for et alternerende inngangssignal, likestrøms (DC) aktiverings-signaler benyttes. Betjenings- og holdeaktuatorene kan bli aktivert ved forskjellige likestrøms spenningsnivåer for skaffe lignende styring. Videre i stedet for en holdesolenoid som beskrevet ovenfor, kan andre utførelsesformer inkludere mekaniske holdéelementer for til å opprettholde posisjonen til en betjeningskomponent.

Ved å referere til figur 5, kan det i en variasjon av en utførelsesform beskrevet i figur 2 og 3, benyttes en Zenerdiode 250 til å skaffe et utvalg av solenoider. I denne andre utførelsesformen kan en holdesolenoid 252 (forbundet med en holdeaktuator) generelt ha en relativ stor impedans for å redusere energibehovet og for å skaffe et utvalg av solenoider. Holdesolenoiden 252 er koplet direkte til en elektrisk leder forbundet med kabelen 28 fra overflaten. En betjeningssolenoid 254 (forbundet med en betjéningsaktuator) er forbundet til den samme kretsen gjennom Zenerdioden 250. Når energien påsettes høynes spenningen over systemet. Når et spesifikt nivå er oppnådd blir holdesolenoiden 252 strømførende først. På dette første energinivået forhindrer Zenerdioden 250 energi fra å bli avgitt til betjeningssolenoiden. Etter som spenningen økes ytterligere kan skredpunktet til Zenerdioden 250 bli passert og energien strømmer til begge solenoiden 252 og 254. Ved å variere den benyttede spenningen med tid fra ovenstående til en likestrøms forspenning under terskelverdien til Zenerdioden 250, har betjeningssolenoiden 254 en syklus mellom på og av tilstander mens holdesolenoiden 252 forblir strøm-førende.

Aktuatorsammenstillinger som har blitt beskrevet har relativt lave umiddel-bare elektriske energibehov. Den lave energien er oppnådd ved å bevege en betjeningskomponent i inkrementelle trinn, for på denne måten å redusere det umid-delbare strømnivået siden lengden av bevegelsen er redusert. Den inkrementelle trinnsettingen av betjeningskomponenten blir oppnådd ved å bruke en betjeningsaktuator til å bevege betjeningskomponenten med inkrementelle distanser og med å benytte en betjeningsaktuator til å opprettholde en gjeldende posisjon tilbetje-ningskomponenten når betjeningsaktuatoren blir deaktivert til å starte en etterføl-gende aktiveringssyklus.

Ved å referere til figur 6 og 7 er det illustrert en del av en undersjøisk sikkerhetsventilsammenstilling 350 ifølge en annen utførelsesform. Et hus 354 til den undersjøiske sikkerhetsventilsammenstillingen 350 inkluderer en åpning (ikke vist) tilpasset til å motta en elektrisk kabel 356 (som kan løpe fra overflaten). Den elektriske kabelen 356 løper til en elektrisk solenoidcoil 360. En armatur 362, laget av

et magnetisk materiale, er posisjonert tilstøtende solenoidcoilen 360. Når den elektriske strømmen påsettes ned den elektriske kabelen 356 til solenoidcoilen 360, blir det generert en magnatisk kraft for å bevege armaturen 362. Solenoidcoilen 360 og armaturen 362 er en del av en betjen ingssolenoidaktuator 361 .Armaturen 362 er bygd inn i veggen til et f 6 rings rø r 372 bevegelig i den aksielle retningen. Følgelig, bevegelsen til armaturen 362 fører til en tilsvarende bevegelse til foringsrøret 372. Som vist i ytterligere detalj i figur 7 er den nedre enden til forings-røret 372 festet til en aktuatorkomponent 374. Aktuatorkomponenten 374 har en vinklet spiss 376 tilpasset til å komme i inngrep med en tannprofil 380 dannet på den utvendige omkretsen til et strømningsrør 382.1 figur 6 og 7 er aktuatorkomponenten 374 vist i sin frakoplede posisjon. Strømningrøret 382 er aksialt bevegelig for å åpne og stenge klappventilen (ikke vist) eller en annen type ventil. For å åpne

klappventilen blir strømningsrøret 382 beveget i nedovervirkende retning mot en oppadvirkende kraft tilveiebrakt av en fjær 383.

I den illustrerte utførelsesformen har den nedre enden til aktuatorkomponenten 374 en vinklet overflate 386 tilpasset til å ligge an mot en vinklet overflate 388 til et element 387. Når armaturen 362 beveges nedover kommer de vinklede overflatene 388 og 386 i kontakt, hvilket trykker den vinklede spissen 376 radielt innover for å komme i inngrep med tannprofilen 380. Nedovervirkende bevegelse av foringsrøret 372 presser også fjæren 368 sammen. Når den er sammenpresset virker fjæren 368 med en oppovervirkende kraft mot den nedre enden til foringsrø-ret 372. Følgelig, dersom energien blir fjernet fra solenoidcoilen 360, kan fjæren 368 tilbakestille armaturen 326, foringsrøret 372 og aktuatprkomponenten 374 tilbake til deres utgangsposisjoner (for å tillate en etterfølgende syklus av aktiveringsenergi for å aktivere armaturen 362, foringsrøret 372 og aktuatorkomponén-ten 374.)

Den elektriske kabelen 356 er også forbundet til en solenoidcoil 370 som er en del av en holdeaktuator 365. En armatur 366 er plassert på innsiden til solenoidcoilen 370. Når den er aktivert virker solenoidcoilen 370 med en magnetisk kraft for å trykke armaturen 366 radielt innover mot tannprofilen 380 på den ytre overflaten til strømningsrøret 382. En fjær 371 virker med en kraft for å trykke armaturen 366 tilbake til dens opprinnelige utgangsposisjon dersom energien blir fjernet fra solenoidcoilen 370. En ende til armaturen 366 har en profil 367 som er tilpasset til å komme i inngrep med tannprofilen 380 til strømningsrøret 382.

På samme måte som for solenoidaktuatorene i figur 2 og 3, kan betjeningssolenoidaktuatoren 361 være konstruert til å ha en mindre tidskonstant en den til holdesolenoidaktuatoren 365. Dette tillater betjeningssolenoidaktuatoren 361 å ha en syklus med av og på mens holdeaktuatoren 365 holder strømningsrøret 382 i dens aktuelle posisjon. I konstruksjonen av anvendelse av likestrøms aktiverings-signaler, kan betjenings- og holdesolenoidene bli valgte til å ha forskjellige likest-rømspenninger, hvilket kan føre til en lignende virkning.

Under drift, er det fremskaffet et inngangssignal som kan være et firkant-signal eller et sinusformet signal ned i kabelen 356. Den første pulsen til inngangssignalet er langt nok til å aktivere både betjenings- og holdesolenoidaktuatoren 361<p>g 365. Deretter har inngangssignalet ehsyklus mellom på og av med en for håndsbestemt frekvens slik at betjeningssolenoidaktuatoren 361 kan ha en syklus med på og av méns holdeaktuatoren 365 forblir på. Når betjeningssolenoiden 360 blir aktivert beveges armaturen 362 og foringsrøret 372 nedover. Dette fører til at aktuatorkomponenten 374 og den vinklede spissen 376 kommer i inngrep med tannprofilen 380 til strømningsrøret 382 og til å bevege strømningsrøret 382 nedover. Under avperioden til hver syklus til inngangssignalet blir solenoidcoilen 360 deaktivert for å tillatte fjæren 368 til å trykke armaturen 362, foringsrøret 372, aktuatorkomponenten 374 oppover. En neste aktiveringssyklus kan blir fremskaffet for igjen bevege strømningsrøret 382 ned med en annen forhåndsbestemt inkrementell distanse. Aktiveringssyklusene blir gjentatt inntil klappventilen er åpnet.

I alternative utførelsesformer kan det i stedet for solenoidaktuatorer anvendes utvidbare elementer som brukes til å bevege en betjeningskomponent i en nedihulls anordning. Når det utvidbare elementet ekspanderer kan dette føre til at

betjeningskomponenten beveger seg i en ønsket retning. Ved å referere til figur 8

inkluderer en aktuator 300 et piezoelektrisk element som hvert er utvidbart ved anvendelse av en elektrisk spenning over elementet. Aktuatoren 300 kan omtales som en piezoelektrisk lineær motor. En type av piezoelektriske materiale er blyzir-konattitanat. En annen type av piezoelektrisk materiale inkluderer BaTi03. Generelt sett er endringen i lengden av et piezoelektrisk matériale proporsjonalt med kvadratet til den anvendte spenningen.

Et hus 302 i aktuatoren 300 inneholder lag av ledere 308, 310, isolatorer 304 og en piezoelektrisk plate 306. Hver piezoelektriske plate 306 er laginndelt mellom en første ledende plate 308 og en andre ledende plate 310, med dé ledende platene 308 og 310 koplet til en inngående spenning. Isolasjonslagene er plasserte mellom tilstøtende ledere 308 og 310 for å skaffe til veie elektrisk isolasjon. For å aktivere aktuatoren 300 påsettes inngangsspenningen på de ledende platene 308 og 310. Dette fører til at de piezoelektriske platene 306 utvider seg i en aksiell retning, generelt sett indikert med en X.

Aktuatoren 300 inkluderer en første palmekanisme 312 (referert til som statisk eller holdende palmekanisme) og en andre palmekanisme 314 (referert til som en betjeningspalmekanisme). I en utførelsesform kan hver av palmekanismene

inkludere Belleville fjærer 315 som hver er arrangert med en slik vinkel slik at den skarpe spissen 316 til Belleville fjærene 315 kan gripe den ytre veggen til en aksel

318 som er en del av betjeningskomponenten til en nedihulls anordning. I stedet for Belleville fjærer kan andre former for gripeplater bli benyttet for å komme i inngrep med akslingen 318. Avstandsstykker 317, 321, 323 og 322 som generelt har trekantformer som er posisjonert til å arrangere Belleville fjærene 315 méd ønsket vinkel i forhold til den ytre overflaten til akslingen 318. Avstandsstykker 319 er plasserte mellom tilstøtende Belleville fjærer 315. En fjær 320 plassert mellom av-standstykket 322 og virker med en kraft mot avstandsstykket 322 i generell retning som.er motsatt av retningen til X.

Under drift er en syklisk inngangs aktiveringsspenning mellom en påslått stilling og en avslått stilling anvendt på aktuatoren 300. Anvendelsen av aktiveringsspenningen medfører at de piezoelektriske platene 306 Utvides til å bevege betjeningspalmekanismen 314 slik at akselen 318 blir beveget med en forhåndsbestemt inkrementell distanse. Fjerning av aktiveringsspenningen medfører at de piezoelektriske platene 306 kommer i kontakt slik at bétjeningspalmekanismen 314 beveges bakover ved hjelp av fjæren 320. Akslingen 318, derimot, forblir i posisjon av den statiske eller holdepalmekanismen 312. Etterfølgende sykluser med spenningsaktivering fører til at akslingen 318 beveges forover (generelt sett i retningen X) med inkrementelle trinn. Dette tilveiebringer en enkelt "tommesnekke" type lineær motor.

Med å referere til figur 9, ifølge en annen utførelsesform inkluderer en aktuator 400 et utvidbart element formet av magnetstriktivt materiale som endrer sine dimensjoner som en respons på et anvendt magnetisk felt. Et eksempel på et magnetstriktivt materiale er Terfenol-D, som er et sjeldent jordjern materiale som endrer sin form som en respons på en anvendt magnetisk felt. Terfenol-D er et nesten enkeltkrystall av dé lantanide grunnstoffene terbium og dysprosium pluss jern. En annen type av magnetstriktivt materiale inkluderer nikkel og nikkel-legeringer.

Aktuatoren 400 inkluderer et hus 402 som inneholder en statisk palmekanisme 412 og en betjeningspalmekanisme 414, lignende mekanismen 312 og 314 i figur 8. Likevel i stedet for de piezoelektriske platene 306, inkluderer aktuatoren 400 en magnetstriktiv sylinder 406 som er omsluttet av en solenoidcoil 404 forbundet med elektriske wirer 401. Anvendelse av elektrisk energi inn til coilen 404 fører til generering av et magnetisk felt. Som en respons på tilstede værelsen av magnetfeltet utvider den magnetstriktive sylinderen seg i en generell X-retning (så vel som andre retninger). Utvidelse av den magnetstriktive sylinderen 406 fører til bevegelse av betjen ingspalen 414 for å bevege akslingen 418 med inkrementelle trinn.

Med å referere til figur 10 og 11, ifølge en annen utførelsesform av oppfinnelsen, et flertall av aktuatorer 300 (eller alternativt, aktuatorene 400) kan bli benyttet til å rotere en sylindrisk hylse 550 for å skaffe til veie en roterende motor-type 500. Flertallet av aktuatorer 300 kan bli posisjonert i groper 552 dannet i et hus 554 til motoren 500.1 den illustrerte utførelsesformen, er aktuatorene 300 arrangert omkring den ytre omkretsen til hylsen 550. Antallet aktuatorer 300 benyttet avhenger på den ønskede aktuatorkraften. Inngangssignaler tilveiebrakt til aktuatorene 300 i det illustrerte arrangementet fører til en rotasjon i med klokken til hylsen 550. Et annet arrangement av aktuatorene 300 kan rotere hylsen 350 i den motsatte retningen. I ytterligere en utførelsesform kan aktuatorene 300 bli arrangert til å være i kontakt med den indre veggen til hylsen 550.

Med å referere til figur 12, kan det ifølge en annen utførelsesform, en aktuator 600 inkludere et utvidbart element 602 som blir ekspandert med anvendelse av en eller annen type av varmeenergi, slik som infrarød energi eller mikrobølgeener-gi. Eksempler på varmeekspanderende materialer inkluderer aluminium, formfaste legeringer (f eks Nitinol), og andre materialer. Den infrarøde eller mikrobølgeener-gien kan bli utbredt ned en bølgeguide 604. Det utvidbare elementet 602, generelt sett rund i formen, er posisjonert på innsiden av en boring til en sylindrisk isolator 606 som tilveiebringer varmeisolasjon. En ende 610 til det utvidbare elementet 602 utsettes for en ende av bølgeguiden 604. Et generelt konisk kutt 612 er laget nær enden 610 til det utvidbare elementet 602 for å øke overflatearealet som utsettes for energi som bres seg ned bølgeguiden 604.

Den andre enden 608 til det utvidbare elementet 602 ligger an med en ut-gangsstang 614, hvilken er fremstilt av et isolerende materiale. Utgangsstangen 614 er en del av en betjeningskomponent for en anordning som skal aktiveres. For

å aktivere aktuatoren 600 brer infrarød eller mikrobølgeenergi seg ned bølge-guiden 604, som kan bli ledet ned en styringsline fra overflaten, for å varme opp det utvidbare elementet 602. Oppvarming av det utvidbare elementet 602 fører til ekspansjon i den aksielle retningen for å bevege utgangsstangen 614. En fjær

(ikke vist) kan bli tilveiebrakt til å utøve en kraft mot det utvidbare elementet 602 slik at når energien blir fjernet fra bølgeguiden 604 og det utvidbare elementet 602

er tillatt til å kjøles ned, kan fjæren bevege utgangsstangen 614 tilbake idet det utvidbare elementet 602 trekker seg sammen.

Aktuatorene 600 som vist i figur 12 kan bli benyttet i par, hvor den ene er en betjeningsaktuator og den andre er en holdeaktuator. Følgelig, stort sett på samme måte som for utførelsesformen med solenoidaktuatoren beskrevet i forbindelse med figur 2 og 3, kan betjeningsaktuatoren bli benyttet til å bevege en betjeningsaktuator med inkrementelle trinn, idet inngangsenergien blir en syklus mellom av og på stillingene. Holdeaktuatoren er konstruert til å opprettholde aktivert for å opprettholde eller å låse den aktuelle stillingen til betjeningskomponenten. Lignende som for solenoidaktuatoren, kan de varmeutvidbare elementene 602 i betjenings- og holdeaktuatorene 600 være konstruert til å forskjellige tidskonstanten Détte kan bli utført med å variere massen til det utvidbare elementet 602. Alternativt kan mengden isolasjon 606 varieres for å variere tidskonstanten. Følgelig, etter hvert som oppvarmingsenergien tilført nedover bølgeguiden 604 er periodisk aktivert og deaktivert, reagerer det varmeutvidbare elementet 602 betjeningsaktuatoren ved utvidelse og sammentrekking. Likevel forblir det utvidbare elementet 602 til holdeaktuatoren i den ekspanderte tilstanden siden den er konstruert til å ha en større tidskonstant og dermed trenger lengre tid til å respondere på endringer i energiinntaket.

På samme måte kan aktuatorene 300 og 400 inneholdende henholdsvis de piezoelektriske og magnetstriktive elementene, kan bli benyttet i par (betjenings-og holdeaktuatorer i par). Konstruksjonen til aktuatorene 300 og 400 kan bli modifisert med å fjerne den statiske palmekanismen (henholdsvis 312 og 414) til hver. Videre kan betjeningsaktuatorenpalmekanismen (314 og 414) bli modifisert slik at ekspansjon og sammentrekking av det utvidbare elementet 306 og 406 beveger betjeningspalmekanismen 314 og 414 inn i eller ut av inngrep med betjeningskomponenten til anordningen som skal aktiveres.

Med å referere til figur 13 er det illustrert flere forskjellige bølgeformer som representerer en inngangsaktiveringsenergi og relative aktuatortilstander til betjenings og holdeaktuatorene (dvs par av aktuatorene 300, 400 eller 600). Det er tilveiebrakt et inngangssignal 700 som har en kvadratisk bølgeform, hvilket kan være elektrisk energi, magnetisk energi, infrarød energi, mikrobølgéenergi eller en annen form for energi. Varigheten til den initiale pulsen til inngangssignalet 700 er større enn de etterfølgende pulsene for å aktivere både betjenings og holdeaktuatorene. Aktiveringen av betjeningsaktuatoren er vist ved bølgeform 702, mens aktiveringen av holdeaktuatoren er vist med bøIgeformen 704. På grunn av at tidskonstanten til holdeaktuatoren er større enn den til betjeningsaktuatoren, tar det lengre tid for holdeaktuatoren å aktiveres. Et terskelnivå 706 viser terskelnivået ovenfor for hvilket aktuatorene blir vurdert aktivert. Etter den store initiale pulsen, har inngangssignalet 700 etterfølgende en syklus mellom av og på stillingene med en forhåndsdefinert frekvens. Dette aktiverer og deaktiverer betjeningsaktuatoren som vist med bølgeformen 702. Likevel, på grunn av den større tidskonstanten til holdeaktuatoren faller ikke aktiveringsnivået til holdeaktuatoren under aktuator-terskelnivået 706.

De beskrevne utførelsesformer inkluderer utvidbare materialer. Likevel kan andre utførelsesformer inkludere sammentrekkbare materialer. Eksempelvis kan et materiale bli opprettholdt i en ekspandert tilstand inntil en nedihulls anordning er klargjort for aktivering ved hvilket tidspunkt inrigangsenergi. kan bli fjernet for å trekke materialet sammen, noe som fører til aktivering.

Claims

1. Aktuatorsystem til et verktøy omfattende: en betjeningsaktuator (114, 361, 314,414, 602) i stand til å bli aktivert og deaktivert;karakterisert vedat aktuatorsystémet ytterligere omfatter: en holdeaktuator (112, 365, 312, 412, 600) som blir opprettholdt i en aktivert tilstand; og en komponent (116,372,318, 418, 614) som kan være i inngrep med betjenings-og holdeaktuatorene (112, 365, 312, 412, 600), betjeningsaktuatoren (114, 361, 314,414, 602) tilpasset til å bevege komponenten (116, 372, 318,418, 614) i inkrementelle trinn og holdeaktuatoren (112, 365, 312, 412, 600) tilpasset til å opprettholde en aktuell posisjon til komponenten (116,372, 318,418,614).

2. Aktuatorsystem ifølge krav 1, hvorved i det minste en av betjenings- og holdeaktuatorene (112, 365, 312,412, 600) inkluderer en solenoidaktuator (112, 114,361,365).

3. Aktuatorsystem ifølge krav 2, hvorved solenoidaktuatoren (112,114, 361, 365) inkluderer en armatur (134,152, 362, 366) og en solenoidcoil (132/150, 360, 370,404) koplet til en elektrisk kabel, armaturen (134,152, 362, 366) tilpasset til å beveges med en magnetisk kraft generert av den magnetiske coilen.

4. Aktuatorsystem ifølge krav 1, hvorved i det minste en av betjenings- og holdeaktuatorene (112,365, 312,412, 600) inkluderer en aktuator som inkluderer et element utvidbart med tilføring av energi.

5. Aktuatorsystem ifølge krav 4, hvorved elementet inkluderer et piezoelektrisk materiale og inngangsenergien inkluderer elektrisk energi.

6. Aktuatorsystem ifølge krav 5, videre omfattende ledere (308, 310) plassert på tvers av det piezoelektriske materialet for å skaffe til veie en elektrisk spenning over det piezoelektriske materiale.

7. Aktuatorsystem ifølge krav 4, hvorved elementet inkluderer et magnetstriktivt materiale.

Aktuatorsystem ifølge krav 7, videre omfattende en mekanisme tilpasset til å generere et magnetisk felt i nærheten til det magnetstriktive materiale.

9. Aktuatorsystem ifølge krav 8, hvorved mekanismen inkluderer en solenoidcoil (132,150, 360, 370,404).

10. Aktuatorsystem ifølge krav 4, hvorved elementet inkluderer et varme-utvidbart materiale.

11. Aktuatorsystem ifølge krav 10, videre omfattende en bølgeguide (604) for å kommunisere infrarød energi til elementet.

12. Aktuatorsystem ifølge krav 10, videre omfattende en bølgeguide (604) for å kommunisere mikrobølgeenergi til elementet.

13. Aktuatorsystem ifølge krav 4, hvorved inngangsenergien blir variert mellom av og på tilstand, den første aktuatoren følsom for variasjoner til inngangsenergien ved aktivering og deaktivering, og en andre aktuator som forblir aktivert.

14. Aktuatorsystem ifølge krav 13, hvorved inngangsenergien har en syklus mellom av og på tilstander med en forhåndsbestemt frekvens, den første og den andre aktuatoren har forskjellige karakteristikker for frekvensrespons.

15. Aktuatorsystem ifølge krav 14, hvorved den førte aktuatoren har en første tidskonstant og en andre aktuator har en andre større tidskonstant.

16. Aktuatorsystem ifølge krav 1, hvorved betjeningsaktuatoren (114, 361,314, 414, 602) er følsom for en inngangsenergi som svinger mellom på og av tilstander med aktivering og deaktivering, og holdeaktuatoren (112,365,312,412,600) er følsom for inngangsenergien ved å bli opprettholdt aktivert.

17. Fremgangsmåte for drift av en anordning med én operatorkomponent (116, 372, 318, 418, 614) omfattende: tilveiebringe en betjeningsaktuator (114, 361, 314, 414, 602) og en h<p>ldeaktuator (112,365,312,412,600); veksélvis aktivere og deaktivere betjeningsaktuator (114, 361, 314,414, 602) til å bevege operatorkomponenten (116, 372, 318, 418, 614) i forutbestemte økende trinn;karakterisert vedat fremgangsmåten ytterligere omfatter: opprettholde holdeaktuatoren (112, 365, 312,412, 600) aktivert for å opprettholde en gjeldene posisjon av operatorkomponenten (116, 372, 318,418,614) etter hvert økende trinn av operatorkomponenten (116, 372, 318, 418, 614).