NO325229B1

NO325229B1 - Snorkeling device for flow control

Info

Publication number: NO325229B1
Application number: NO20060503A
Authority: NO
Inventors: Thomas D Macdougall
Original assignee: Schlumberger Technology Bv
Priority date: 2006-01-31
Filing date: 2006-01-31
Publication date: 2008-03-03
Also published as: NO20060503L

Abstract

Oppfinnelse vedrører nedihulls strømningsstyringsanordninger (12, 14, 16, 32) med en felles styreledning (18, 20, 22) som trykkilde. Bruk av en snorkelinnretning (10) som strekker seg til en annen sone i brønnen, virker som trykkregulator for strømningsstyringsanordningen (12, 14, 16, 32) og tilveiebringer et referans-etrykk for drift av strømningsstyringsanordningen (12, 14, 16, 32) slik at trykkutligningen og trykk-justeringer av brønntrykket kan utføres automatisk.The invention relates to downhole flow control devices (12, 14, 16, 32) with a common control line (18, 20, 22) as pressure source. Use of a snorkel device (10) extending to another zone in the well acts as pressure regulator for the flow control device (12, 14, 16, 32) and provides a reference pressure for operating the flow control device (12, 14, 16, 32) so that the pressure equalization and pressure adjustments of the well pressure can be performed automatically.

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører nedihulls strømningsstyrings-anordninger, og særlig nedihulls strømningsstyringsanordninger som bruker en felles styreledning som en trykkilde for operasjon. The present invention relates to downhole flow control devices, and in particular downhole flow control devices which use a common control line as a pressure source for operation.

Ved kjøring av intelligente kompletteringer inn i underjordiske brønner, er det ofte begrensninger på antall styreledningspenetrasjoner som kan gjøres ved brønnhodet, produksjonsrørhengeren, eller, i enkelte tilfeller, produksjons-pakningen. When running intelligent completions into underground wells, there are often limitations on the number of control line penetrations that can be made at the wellhead, the production tubing hanger, or, in some cases, the production packing.

Intelligente kompletteringer bruker forskjellige midler til å regulere strøm-ningsstyringsanordninger som er plassert nede i hullet for å styre produksjon fra forskjellige soner. Slike strømningsstyringsanordninger, for eksempel ventiler, kan typisk være fullt åpne, delvis åpne (strupet) eller fullstendig stengt. Bruk av en flerhet av slike ventiler gjør det mulig for en operatør å selektivt motta eller begrense produksjon fra forskjellige soner. En enkel versjon av en slik strømnings-styringsanordning vil typisk ha to styreledninger, en som virker på hver side av et stempel. Når flere ventiler av denne type kjøres inn i hullet, blir det antall av styreledninger som er påkrevd et problem. For eksempel vil tre ventiler kreve seks styreledninger. Intelligent completions use various means to regulate flow control devices located downhole to control production from different zones. Such flow control devices, such as valves, may typically be fully open, partially open (throttled) or fully closed. Use of a plurality of such valves enables an operator to selectively receive or limit production from different zones. A simple version of such a flow control device will typically have two control lines, one acting on each side of a piston. When several valves of this type are driven into the hole, the number of control lines required becomes a problem. For example, three valves will require six control wires.

Det eksisterer også strømningsstyringsanordninger med en enkelt styreledning som er avhengig av energi som er lagret i nedihulls anordningen, så som en ladning av komprimert gass (eksempelvis nitrogenfjær) eller en mekanisk fjær som virker sammen med enten ringromstrykket eller produksjonsrørtrykket. Siden nedihulls betingelser kan forandres over tid, er valget av fjæren eller nitrogen-ladningen kritisk, og dette kan begrense den operasjonelle ramme for strømnings-styringsanordningen. Forskjellige multipleksingssystemer har blitt anvendt, men disse krever typisk et komplekst system av ventiler for å gjøre det mulig for trykk på forskjellige nivåer å gå til en eller en annen ventil. En felles returledning har blitt foreslått for enkle ventiler av typen med to posisjoner (det vil si åpne/stenge ventiler), men operasjonen kan være vanskelig, ettersom man nøye må vurdere tilstanden til hver ventil for å bestemme den korrekte trykksekvens som skal på-føres på de forskjellige styreledninger ved overflaten. There are also flow control devices with a single control line that rely on energy stored in the downhole device, such as a charge of compressed gas (eg nitrogen spring) or a mechanical spring acting in conjunction with either the annulus pressure or the production tubing pressure. Since downhole conditions can change over time, the choice of spring or nitrogen charge is critical, and this can limit the operational range of the flow control device. Various multiplexing systems have been used, but these typically require a complex system of valves to enable pressures at different levels to go to one valve or another. A common return line has been proposed for simple two-position type valves (that is, open/close valves), but the operation can be difficult, as one must carefully assess the condition of each valve to determine the correct pressure sequence to be applied. on the various control lines at the surface.

Fra CA 2.509.928 fremgår det en anordning og fremgangsmåte for å detek-tere aktivering av en strømningsstyringsanordning i en brønn. Strømningsstyrings-anordningen har en åpen, en lukket, og minst én mellomliggende posisjon. Videre omfatter anordningen et kammer og et bevegelig element for aktivering av strøm-ningsstyringsanordningen. CA 2,509,928 discloses a device and method for detecting activation of a flow control device in a well. The flow control device has an open, a closed, and at least one intermediate position. Furthermore, the device comprises a chamber and a movable element for activating the flow control device.

Fra EP 0199 503 B1 fremgår det et verktøy for testing av formasjoner og for anvendelse i en brønn. EP 0199 503 B1 discloses a tool for testing formations and for use in a well.

Fra US 3.109.376 fremgår det en fremgangsmåte og anordning for produksjon av olje fra flere lag i én enkel brønn. US 3,109,376 discloses a method and device for the production of oil from several layers in one single well.

Fra US 4.879.900, og 4.745.802 fremgår det en anordning med et hydrau-lisk system i et formasjonstesteverktøy. Anordningen benytter en snorkel som strekker seg fra formasjonstesteren for å innhente en trykktest og samler prøver fra en formasjon av interesse. US 4,879,900 and 4,745,802 disclose a device with a hydraulic system in a formation testing tool. The device uses a snorkel that extends from the formation tester to obtain a pressure test and collects samples from a formation of interest.

Den foreliggende oppfinnelse sørger for operasjon av en nedihulls strøm-ningsstyringsanordning ved bruk av en snorkel. The present invention provides for the operation of a downhole flow control device using a snorkel.

Fordeler og andre trekk ved oppfinnelsen vil klart fremgå av den følgende beskrivelse, tegningene og kravene. Advantages and other features of the invention will be clear from the following description, drawings and claims.

Kort beskrivelse av tegningene: Brief description of the drawings:

Figur 1 viser et skjematisk riss av en snorkelanordning som er tilvirket i samsvar med den foreliggende oppfinnelse. Figur 2 viser et skjematisk riss av en alternativ utførelse av snorkelanordningen på figur 1. Figur 3 viser et skjematisk riss av en strømningsstyringsanordning som brukes i utførelsen av snorkelanordningen på figur 2. Figur 1 viser en snorkelanordning 10 som brukes til å operere et sett av ventiler, så som multiposisjonshydraulikkventiler 12,14,16 i en brønn. Ventilene kan også være på/av-ventiler. Oppfinnelsen er imidlertid ikke begrenset til å brukes på ventiler. For eksempel kan strømningsstyringsanordningen være en stru-per. Hver ventil 12,14,16 har en styreledning, henholdsvis 18, 20,22, og en in-dekser 23 for å flytte ventilen til hver av sine forskjellige tilstandsposisjoner. En snorkel 24 er forbundet til hver ventil 12,14,16. Snorkelen 24 er fortrinnsvis et rør med liten diameter, så som det som vanligvis brukes i en styreledning. Snorkelen 24 kan kjøres til overflaten, men avsluttes fortrinnsvis med sin øvre ende 26 rett Figure 1 shows a schematic view of a snorkel device which is manufactured in accordance with the present invention. Figure 2 shows a schematic view of an alternative embodiment of the snorkel device of Figure 1. Figure 3 shows a schematic view of a flow control device used in the embodiment of the snorkel device of Figure 2. Figure 1 shows a snorkel device 10 used to operate a set of valves , such as multi-position hydraulic valves 12,14,16 in a well. The valves can also be on/off valves. However, the invention is not limited to use on valves. For example, the flow control device can be a throttle. Each valve 12, 14, 16 has a control line, respectively 18, 20, 22, and an indexer 23 to move the valve to each of its different state positions. A snorkel 24 is connected to each valve 12,14,16. The snorkel 24 is preferably a small diameter tube, such as is commonly used in a control line. The snorkel 24 can be driven to the surface, but preferably ends with its upper end 26 straight

over en produksjonspakning 28. Hvis den øvre ende 26 av snorkelen 24 avsluttes ved et nivå i brønnen, kan en kompensator 30 være forbundet til den øvre ende 26 for å hindre sammenblanding av brønnboringens fluider med rent hydraulikkfluid. Kompensatoren 30 tillater at fluidtrykk i ringrommet overføres til hydraulikkfluidet i over a production packing 28. If the upper end 26 of the snorkel 24 terminates at a level in the well, a compensator 30 may be connected to the upper end 26 to prevent mixing of the wellbore fluids with pure hydraulic fluid. The compensator 30 allows fluid pressure in the annulus to be transferred to the hydraulic fluid i

snorkelen 24 uten sammenblanding. Selv om den er vist forbundet ved den øvre ende 26, kan kompensatoren 30 være lokalisert hvor som helst i snorkelen 24. the snorkel 24 without mixing. Although shown connected at the upper end 26, the compensator 30 may be located anywhere in the snorkel 24.

I operasjon bruker for eksempel ventilen 12 indekseren 23 til å flytte frem ventilens tilstand (eksempelvis fra delvis åpen til fullt åpen) én posisjon hver gang tilstrekkelig trykk påføres på styreledningen 18. Indekseren 23 beveges av et stempel (ikke vist) som drives av hydraulikktrykk. For ytterligere å flytte frem til— standsposisjonen til ventilen, blir trykket i styreledningen 18 senket, og trykk til-føres til baksiden av stemplet for å tilbakestille indekseren 23. Tilbakestillings-kraften kan forsterkes av en fjærkraft, hvilket er kjent innen teknikken. Trykk kan deretter igjen påføres på styreledningen 18, hvilket driver stemplet og dermed flyt-ter indekseren 23 og ventilens tilstand frem. Ventilene 14,16 opererer tilsvarende via styreledninger 20 henholdsvis 22. In operation, for example, the valve 12 uses the indexer 23 to advance the state of the valve (for example, from partially open to fully open) one position each time sufficient pressure is applied to the control line 18. The indexer 23 is moved by a piston (not shown) which is driven by hydraulic pressure. To further advance to the stop position of the valve, the pressure in the control line 18 is lowered, and pressure is applied to the rear of the piston to reset the indexer 23. The reset force can be augmented by a spring force, as is known in the art. Pressure can then again be applied to the control line 18, which drives the piston and thus moves the indexer 23 and the state of the valve forward. The valves 14,16 operate correspondingly via control lines 20 and 22 respectively.

Snorkelen 24 er i fluidkommunikasjon med baksiden av stemplet i hver ventil 12,14,16. Hydraulikktrykk i snorkelen 24 tilveiebringer en returkråft på hvert stempel. Hvis snorkelen 24 avsluttes med sin øvre ende i et nivå i brønnen, tjener fluidtrykket i brønnen på dette bestemte nivået som en kilde for det hydraulikktrykk som påføres på baksiden av hvert stempel. Trykket på hvert bestemte nivå kan være det omgivende hydrostatiske trykk, eller det kan modifiseres ved å forandre ringromstrykket ved overflaten ved bruk av konvensjonelle metoder. Fluidtrykket i snorkelen 24 etablerer et referansetrykk som nedihulls verktøy kan opereres mot. The snorkel 24 is in fluid communication with the back of the piston in each valve 12,14,16. Hydraulic pressure in the snorkel 24 provides a return force on each piston. If the snorkel 24 terminates with its upper end at a level in the well, the fluid pressure in the well at that particular level serves as a source for the hydraulic pressure applied to the rear of each piston. The pressure at each particular level may be the ambient hydrostatic pressure, or it may be modified by changing the annulus pressure at the surface using conventional methods. The fluid pressure in the snorkel 24 establishes a reference pressure against which the downhole tool can be operated.

I utførelsen på figur 1 vises tre nedihulls strømningsstyringsanordninger. Oppfinnelsen er imidlertid ikke begrenset til tre, og kan brukes med så få som én. In the embodiment in Figure 1, three downhole flow control devices are shown. However, the invention is not limited to three, and may be used with as few as one.

På figur 2 vises en alternativ utførelse som bruker en snorkelanordning 10. Figure 2 shows an alternative embodiment that uses a snorkel device 10.

I denne utførelse er en første strømningsstyringsanordning 32 lokalisert i en høy-trykks produksjonssone 34, og en andre strømningsstyringsanordning 36 er lokalisert i en lavtrykks produksjonssone 38. Strømnihgsstyringsanordningene 32, 36 styrer selektivt innstrømmingen av formasjonsfluider inn i et produksjonsrør 40, men snorkelanordningen 10 er ikke begrenset til disse anordninger, og kan brukes i sikkerhetsventiler og gassløftventiler, så vel som andre anordninger. In this embodiment, a first flow control device 32 is located in a high-pressure production zone 34, and a second flow control device 36 is located in a low-pressure production zone 38. The flow control devices 32, 36 selectively control the inflow of formation fluids into a production pipe 40, but the snorkel device 10 is not limited to these devices, and can be used in safety valves and gas lift valves, as well as other devices.

Fordi høytrykksproduksjonssonen 34 er ved et høyere trykk enn lavtrykksproduksjonssonen 38, må formasjonsfluider fra høytrykksproduksjonsso-nen 34 strupes tilbake, slik at de kan innføres i produksjonsrøret 40 hovedsakelig ved det samme trykk som i lavtrykksproduksjonssonen 38. Utjevning av trykket reduserer muligheten for krysstrøm mellom formasjonene. Selv om kun to produksjonssoner er omtalt i dette eksempel, kan andre produksjonssoner være til stede, og omfanget av den foreliggende oppfinnelse inkluderer disse ytterligere soner. Because the high-pressure production zone 34 is at a higher pressure than the low-pressure production zone 38, formation fluids from the high-pressure production zone 34 must be throttled back so that they can be introduced into the production pipe 40 at substantially the same pressure as in the low-pressure production zone 38. Equalizing the pressure reduces the possibility of cross-flow between the formations. Although only two production zones are discussed in this example, other production zones may be present, and the scope of the present invention includes these additional zones.

Figur 3 viser en første strømningsstyringsanordning 32 med en propor-sjonalregulator 42 for å justere strømningsarealet basert på differansetrykket mellom høytrykksproduksjonssonen 34 og lavtrykks produksjonssonen 38. Propor-sjonalreguiatoren 42 bruker arealdifferanse og fjæren 45 til å justere strømnings-arealet inn i produksjonsrøret 40 via strømningsstyringsanordningen 32. Figure 3 shows a first flow control device 32 with a proportional regulator 42 to adjust the flow area based on the differential pressure between the high pressure production zone 34 and the low pressure production zone 38. The proportional regulator 42 uses the area difference and the spring 45 to adjust the flow area into the production pipe 40 via the flow control device 32 .

Proporsjonalregulatoren 42 kan anta mange former. I det eksempel som er vist på figur 3, virker trykk fra høytrykkssonen 34 på en første side av et stempel 44. En annen side av stempelet 44 påvirkes av en kombinasjon av trykk fra lavtrykksproduksjonssonen 38 og en fjærkraft. Fjærkraften kan for eksempel være fra en mekanisk fjær 45 eller en gassladning. Forskyvning av stemplet 44 forand-rer posisjonen tii regulatoren 42, hvilket forårsaker at strømningsstyrings-anordningen 32 dekker eller avdekker strømningsåpninger inn i produksjonsrøret 40, hvilket minker eller øker strømmen. Avhengig av den bestemte design av strømningsåpningene og den fjær som er valgt, kan strømningsstyringsanordn-ingen 32 oppføre seg lineært eller ikke-lineært i forhold til fluidstrøm (og tilsvarende, trykkfall) som en funksjon av stemplets forskyvning. The proportional controller 42 can take many forms. In the example shown in Figure 3, pressure from the high pressure zone 34 acts on a first side of a piston 44. Another side of the piston 44 is affected by a combination of pressure from the low pressure production zone 38 and a spring force. The spring force can, for example, be from a mechanical spring 45 or a gas charge. Displacement of the piston 44 changes the position of the regulator 42, causing the flow control device 32 to cover or uncover flow openings into the production pipe 40, decreasing or increasing the flow. Depending on the particular design of the flow ports and the spring selected, the flow control device 32 may behave linearly or non-linearly with respect to fluid flow (and correspondingly, pressure drop) as a function of piston displacement.

Trykket fra lavtrykksproduksjonssonen 38 kommuniseres til den andre side av stemplet 44 ved hjelp av snorkelrøret 24. Snorkelen 24 kjøres gjennom en iso-lasjonspakning 46 som separerer sonene 34, 38. Posisjonen til regulatoren 42 er sålede basert på differansetrykket mellom høytrykksproduksjonssonen 34 og lavtrykksproduksjonssonen 38. Hvis formasjonstrykkene skulle forandres over tid, vil regulatoren 42 automatisk justere for å kompensere for dette og for å opprett-holde trykkbalansen. The pressure from the low pressure production zone 38 is communicated to the other side of the piston 44 by means of the snorkel tube 24. The snorkel 24 is driven through an isolation gasket 46 which separates the zones 34, 38. The position of the regulator 42 is determined based on the differential pressure between the high pressure production zone 34 and the low pressure production zone 38. If the formation pressures should change over time, the regulator 42 will automatically adjust to compensate for this and to maintain the pressure balance.

Strøm fra lavtrykksproduksjonssonen 38 kommer inn i produksjonsrøret 40 via en andre strømningsstyringsanordning 36. En andre strømningsstyrings-anordning 36 kan være en hvilken som helst av forskjellige konvensjonelle anordninger, så som glidehylser, rør med spalter eller perforert rør. Stream from the low pressure production zone 38 enters the production pipe 40 via a second flow control device 36. A second flow control device 36 may be any of a variety of conventional devices such as slip sleeves, slotted tubing, or perforated tubing.

Som i utførelsen på figur 1, kan en kompensator 30 være forbundet til snorkelen 24 for å isolere formasjonsfluider fra fluid inne i snorkelen 24 i utførelsen på figur 2. En trykkoverstyringsanordning for produksjonsrør (ikke vist) kan være ink-ludert for å tillate at strømningsstyringsanordningene 32,36 kjøres inn i brønnen i en åpen eller stengt posisjon, og senere aktiveres ved påføring av trykk i produk-sjonsrøret. Gass- eller vanndetektorer kan også være inkorporert for å løse ut operasjonen av en strømningsstyringsanordning, for å redusere eller eliminere strøm fra en bestemt sone. As in the embodiment of Figure 1, a compensator 30 may be connected to the snorkel 24 to isolate formation fluids from fluid within the snorkel 24 in the embodiment of Figure 2. A pressure override device for production tubing (not shown) may be included to allow the flow control devices 32,36 are driven into the well in an open or closed position, and later activated by applying pressure in the production pipe. Gas or water detectors may also be incorporated to trigger the operation of a flow control device, to reduce or eliminate flow from a particular zone.

Selv om kun noen få eksemplifiserende utførelser av denne oppfinnelsen har blitt beskrevet i detalj ovenfor, vil de som har fagkunnskap innen teknikken lett forstå at mange modifikasjoner er mulige ved de eksemplifiserende utførelser uten i vesentlig grad å avvike fra den nye lære og fordeler ved denne oppfinnelse. Det er følgelig meningen at alle slike modifikasjoner skal inkluderes innenfor omfanget av denne oppfinnelse slik den er definert i de følgende krav. Although only a few exemplary embodiments of this invention have been described in detail above, those skilled in the art will readily appreciate that many modifications are possible to the exemplary embodiments without substantially departing from the novel teachings and advantages of this invention . Accordingly, all such modifications are intended to be included within the scope of this invention as defined in the following claims.

Claims

1. Snorkel device (10) for use in a well, comprising a flow control device (12,14,16, 32) and a snorkel (24) characterized in that: the snorkel is in fluid communication with the flow control device (12, 14, 16, 32) to provide a reference pressure for operation of the flow control device (12, 14, 16, 32), the snorkel (24) extending to another zone in the well to serve as a pressure regulator for the flow control device (12,14,16, 32) so that the pressure equalization and pressure adjustments during changes in the well pressure can be performed automatically.

2. Snorkel device (10) as stated in claim 1, where the snorkel (24) terminates over a seal (28, 46).

3. Snorkel device (10) as stated in claim 1, further comprising a compensator (30) which is connected to the snorkel (24).

4. Snorkel device (10) as stated in claim 1, where the flow control device (12,14,16, 32) has several state positions.

5. Snorkel device (10) as stated in claim 4, further comprising a control line (18, 20, 22) in fluid communication with the flow control device (12, 14, 16, 32), and where fluid pressure in the control line (18, 20, 22) and the snorkel (24) operates to change the state position of the flow control device (12,14, 16, 32).

6. Snorkel device (10) as stated in claim 1, in which the flow control device (12,14,16, 32) comprises: a plurality of flow control devices (12,14,16, 32), each flow control device (12,14,16 , 32) are in fluid communication with a separate control line (18, 20, 22); and the snorkel (24) is in fluid communication with each flow control device (12, 14, 16, 32).

7. Snorkel device (10) as stated in claim 6, where the state position of each flow control device (12,14,16, 32) is changed by increasing or decreasing the pressure in the control line (18, 20, 22) above or below the pressure in the snorkel (24) .

8. Snorkel device (10) as stated in claim 6, where pressure in the snorkel (24) is affected at the surface of the well.

9. Snorkel device (10) as stated in claim 6, where the flow control devices (12,14,16, 32) are connected to a production pipe (40), and the production pipe (40) is connected to a seal (28, 46) ) through which the control cables (18, 20, 22) and the snorkel (24) pass.

10. Method for establishing a reference pressure for a tool in a well, comprising positioning a snorkel (24) to transfer fluid pressure from one location in the well to another location in the well, characterized by: using the snorkel (24) to establishing a reference pressure for operating the tool (12, 14, 16, 32) in the well; and using the snorkel (24) as a pressure regulator for the tool so that pressure equalization and pressure adjustments during changes in the well pressure can be carried out automatically.

11. Method according to claim 10, comprising guiding the snorkel (24) to a location on the outside of a well packing (28, 46) in relation to the tool (12, 14, 16, 32).

12. Method according to claim 10, comprising connection of a compensator (30) to the snorkel (24) to prevent mixing of well fluid with a fluid in the snorkel (24).

13. Method according to claim 10, comprising connection of a proportional regulator (42) with the snorkel (24) to adjust the tool's (12,14,16, 42) flow area.

14. Method as stated in claim 10, further comprising applying pressure in the well annulus from the surface to set the reference pressure.

15. Method as stated in claim 10, further comprising distribution of the reference pressure via the snorkel (24) to various tools (12,14,16, 32) in the well.