NO326566B1 - Hydraulisk kontroll- og aktiveringssystem for nedihullsverktoy - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører generelt operasjoner som utføres og utstyr som benyttes i forbindelse med en underjordisk brønn og, i en utførelse som her er beskrevet, tilveiebringer mer bestemt et hydraulisk kontroll- og aktueringssystem for nedi-hullsverktøy.

Det eksisterer innen teknikken et behov for forbedrede hydrauliske kontroll- og aktue-ringssystemer. Særlig bør det være mulig å fjernstyre slike systemer, slik at operasjonel-le kommandoer kan sendes fra en fjerntliggende lokalisering, så som ved jordens overflate til nedihullssystemet, og at data kan sendes fra nedihullssystemet til den fjerntliggende lokalisering.

Mer bestemt viser WO-Ai 03/021075 et hydraulisk aktuatorsystem som innbefatter en

kraftkilde, en styreenhet i kommunikasjon med kraftkilden, en piezoelektrisk stabel som omfatter flere piezoelektriske elementer anbrakt innenfor en hylse for avgrensning av et kammer ved en ende av hylsen, trykkakkumulatorer i fluidkommunikasjon med kammeret, en strømningsstyreventil i kommunikasjon med akkumulatorene og et hydraulisk

stempel i fluidkommunikasjon med strømningsstyreventilen. Kommunikasjonen mellom kraftkilden og styreenheten kan utgjøres av en elektrisk eller fotokommunikasjon, og kraftkilden er fortrinnsvis fjernlokalisert med hensyn de andre elementene i de hydrauliske aktuatorsystemet. Fremgangsmåten for kontroll av den fjernlokaliserte hydrauliske aktuatoren innbefatter kommunisering av et signal til den hydrauliske aktuatoren, trykksetting av et hydraulisk fluid i den hydrauliske aktuatoren og leding av det hydrauliske fluidet til en sylinder i den hydrauliske aktuatoren for å spenne et stempel enten inn i eller bort fra sylinderen.

US-A 5238070 avdekker et aktueringssystem med trykkforskjell for nedihullsverktøyer og som besørger endeløs operasjon med bruken av trykkforskjellen mellom to isolerte soner i en brønn som en kraftkilde for verktøyet. Trykkforskjellen påføres over et kraft-overføringselement for å operere nedihullsverktøyet.

EP-Bi 500343 angår et nedihullsverktøy som er opererbart på en trykkforskjell mellom brønnringrommet og et tømmekammer med hovedsakelig atmosfæretrykk avgrenset i verktøyet, og som omfatter et hus som har en kraftkammer, et høytrykks kildekammer og et lavtrykks tømmekammer avgrenset i dette. Huset har en avgrenset kraftportinnret-ning for kommunikasjon av høytrykks kildekammeret med et brønnringrom som omgir huset, et kraftstempel glidbart anbrakt i kraftkammeret og som deler kraftkammeret opp et første og andre kraftkammerparti, et trykkoverføirngsstempel glidbart anbrakt i høy-trykks kildekammeret og som deler høytrykks kildekammeret opp i et brønnsidekam-merparti og et verktøysidekammerparti, idet brørmsidekammerpartiet er i fluidstrøm-mn<g>skornmunikasjon med kraftportinnretningen. Selektiv kontroll av fluidtrykkommu-nikasjon mellom kraftkammeret og hvert av brønnsidekammerpartiet og lavtrykks tøm-mekammeret skjer ved hjelp av elektriske solenoider.

US-A 4986357 gjelder et underjordisk brønnverktøy som har en sammenstilling av et hydraulisk stempel og i en sylinder, og som er avpasset for å koples til og kontrolleres

av en hydraulisk kontrolledning som strekker seg til overflaten. Sammenstillingen har et tverrsnittsareal eksponert mot det hydrauliske kontrollfluidet og som øker i en bevegel-sesretning for sammenstillingen og avtar i den motsatte retningen for reduksjon av ope-rasjonstrykkproblemer på overflaten. Fortrinnsvis innbefatter enten stemplet eller sylinderen en skrånet overflate og en bøyelig tetning mellom stemplet og sylinderen.

Avslutningsvis omhandler US-B2 6450258 en fremgangsmåte og en anordning for akustisk aktuering av brønnverktøyer ved hjelp av toveis akustisk kommunikasjon.

Det er følgelig en hensikt med den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe et forbedret hydraulisk kontroll- og aktueringssystem for nedihullsverktøy. Det er en ytterligere hensikt med den foreliggende oppfinnelse å forsyne systemet som det kan kommuniseres med fra en fjerntliggende lokalisering med en fjerntliggende lokalisering for å sende kommandoer og data.

Ved utførelse av prinsippene ifølge den foreliggende oppfinnelse, i samsvar med en utførelse av denne, er det tilveiebrakt et hydraulisk kontroll- og aktueringssystem for nedihullsverktøy.

I samsvar med oppfinnelsen er det derfor tilveiebrakt et hydraulisk kontroll- og aktueringssystem for et nedihullsverktøy, kjennetegnet ved at det omfatter en hussammenstilling; og en aktuatorsammenstilling som inkluderer et stempel som er posisjonert inne i hussammenstillingen, idet verktøyet opereres som respons på forflytning av stemplet i forhold til hussammenstillingen, og stemplet har et effektivt stempelareal som forandres under forflytning av stemplet.

I en gunstig utførelse kan systemet videre omfatter i hussammenstilling et innvendig kammer som funksjonerer som et område med relativt lavt trykk; en energikilde; og en ventilsammenstilling som inkluderer et ventilelement som er forflyttbart mellom en første posisjon hvor stemplet forbelastes i en første retning av en trykkdifferanse mellom energikilden og området med lavt trykk, og en annen posisjon hvor stemplet forbelastes i en annen retning som er motsatt den første retning ved hjelp av trykkdifferansen mellom energikilden og området med lavt trykk.

Andre utførelser fremgår av de øvrige uselvstendige patentkravene og den detaljerte redegjørelsen under.

Disse og andre trekk, fordeler, nytte og hensikter med den foreliggende oppfinnelse vil bli klare for en med ordinær fagkunnskap innen området ved en nøye betraktning av den detaljerte beskrivelse av representative utførelser av oppfinnelsen nedenfor og de ledsagende tegninger.

Kort beskrivelse av tegningene:

Figur 1 og 2 er skjematiske riss av et hydraulisk aktueringssystem som gir prinsippene ifølge den foreliggende oppfinnelse konkret form; Figur 3 A-L er tverrsnittsriss av suksessive aksiale snitt av et hydraulisk kontroll- og aktueringssystem som gir prinsippene ifølge den foreliggende oppfinnelse konkret form; Figur 4 er et tverrsnittsriss av det hydrauliske kontroll- og aktueringssystem, lagt langs linje 4-4 på figur 3H; Figur 5 er et tverrsnittsriss av det hydrauliske kontroll- og aktueringssystem, lagt langs linje 4-4 på figur 31; Figur 6 er et forstørret tverrsnittsriss av et tetningsparti av det hydrauliske kontroll- og aktueringssystem som er vist på figur 3 J; Figur 7A og B er forstørrede tverrsnittsriss av et ventilparti av hydrauliske kontroll- og aktueringssystem som er vist på figur 3G; Figur 8 A-L er tverrsnittsriss av suksessive aksiale snitt av det hydrauliske kontroll- og aktueringssystem på figur 3 i en annen konfigurasjon; Figur 9A-L er tverrsnittsriss av suksessive aksiale snitt av det hydrauliske kontroll- og aktueringssystem på figur 3 i en tredje konfigurasjon; og Figur 10 er et skjematisk tverrsnittsriss av et annet hydraulisk kontroll- og aktueringssystem som gir prinsippene ifølge den foreliggende oppfinnelse konkret form. Figur 1 og 2 viser illustrativt et hydraulisk kontroll- og aktueringssystem 10 som gir prinsippene ifølge den foreliggende oppfinnelse konkret form. I den følgende beskrivelse av systemet 10 og andre anordninger og fremgangsmåter som her er beskrevet brukes retningsuttrykk, så som "over" eller "ovenfor", "under" eller "nedenfor", "øvre", "nedre" osv., kun fordi det er praktisk ved henvisning til de ledsagende tegninger. I tillegg skal det forstås at de forskjellige utførelser av den foreliggende oppfinnelse som her er beskrevet kan brukes i forskjellige orienteringer, så som skråstilt, opp ned, horisontal, vertikal osv., og i forskjellige konfigurasjoner uten å avvike fra prinsippene ved den foreliggende oppfinnelse.

Systemet 10 inkluderer en ventilsammenstilling 12 som er innkoplet mellom en aktuatorsammenstilling 14 og en energikilde 16 (representativt, en kilde med relativt høyt trykk) og et lavtrykksområde 18 (representativt, som har et trykk som er mindre enn i høytrykkskilden). Aktuatorsammenstillingen 14 inkluderer et stempel 20 som har mot-stående sider 22, 24. Forflytning av stemplet 20 brukes i systemet 10 for å operere et nedihulls brønnverktøy 26, så som en glidehylseventil, en struper, en kuleventil, et avfyringshode, en pakning eller en hvilken som helst annen type av brønnverktøy. For eksempel kan forflytning av stemplet 20 brukes til å åpne eller stenge en ventil, justere en strømningsmengde gjennom en struper, aktuere et avfyringshode, sette en pakning osv.

Ventilsammenstillingen 12 inkluderer et ventilelement som på figur 1 og 2 er vist som en skyttel 28 som er forsynt med tetninger 30. Skyttelen 28 forflyttes mellom de posisjoner som er vist på figur 1 og 2 for å tilveiebringe fluidforbindelse mellom energikilden 16 og lavtrykksområdet 18 og vekselvis til stempelsidene 22,24. Det vil si at trykk fra energikilden 16 overføres til en av stempelsidene 22 mens lavtrykksområdet 18 settes i forbindelse med den andre stempelsiden 24 (som vist på figur 1), og at trykk fra energikilden overføres til stempelsiden 24 mens trykk fra lavtrykksområdet 18 overfø-res til stempelsiden 22 (som vist på figur 2).

På grunn av trykkdifferansen mellom energikilden 16 og lavtrykksområdet 18 forbelastes stemplet 20 til forflytning i motsatte retninger, idet retningen avhenger av om hvor-vidt ventilskyttelen 20 er i den posisjon som er vist på figur 1, eller i den posisjon som er vist på figur 2. På figur 1 er stemplet 20 blitt forflyttet til høyre, siden energikilden 16 står i forbindelse med den venstre side 22 av stemplet, og lavtrykkskområdet 18 står i forbindelse med den høyre side 24 av stemplet. På figur 2 er stemplet 20 blitt forflyttet til venstre, siden energikilden 16 står i forbindelse med den høyre side 22 av stemplet, og lavtrykksområdet 18 står i forbindelse med den venstre side 24 av stemplet.

Energikilden 16 står i forbindelse med ventilskyttelen 28 via porter 32 i ventilsammenstillingen 12. Lavtrykksområdet 18 står i forbindelse med ventilskyttelen 28 via porter 34. Den venstre side 22 av stemplet 20 står i fluidforbindelse med ventilskyttelen 28 via porter 36. Den høyre side 24 av stemplet 20 står i fluidforbindelse med ventilskyttelen

28 via porter 38.

Som det sees på figur 1 står en av portene 32 i forbindelse med en av portene 36, og en av portene 34 står i forbindelse med en av portene 38. Som det sees på figur 2 står en av portene 32 i forbindelse med en av portene 38, og en av portene 34 står i forbindelse med en av portene 36. På denne måte påføres trykk fra energikilden 16 og lavtrykksområdet 18 vekselvis på sidene 22, 24 av stemplet 20, for derved vekselvis å forbelaste stemplet til høyre eller til venstre, som ønskelig.

En spesiell kon figurasjon av ventilsammenstillingen 12 hjelper til med å hindre skade på tetningene 30. Merk at ingen av tetningene 30 krysser en lavtrykksport 34 mens tet-ningen er utsatt for trykk fra energikilden 16. Dette hindrer at tetningene 30 blir løftet i forhold til ventilskyttelen 28 mens tetningene krysser lavtrykksportene 34. Videre for-blir energikilden 16 og lavtrykksområdet 18 isolert fra hverandre når skyttelen 28 forflyttes mellom sine posisjoner på figur 1 og figur 2.

Energikilden 16 er fortrinnsvis brønntrykk, for eksempel i et ringrom eller et annet parti av en brønn. Lavtrykksområdet 18 er fortrinnsvis et innvendig kammer i systemet 10 som for eksempel føres inn i en brønn, og som har et trykk som er mindre enn brønn-trykket. Det skal imidlertid forstås at andre trykkilder kan brukes istedenfor, eller i tillegg til, disse trykkildene 16,18.

For eksempel kan det brukes en komprimert gass, så som nitrogen, brønnreservoartrykk, en forbelastningsinnretning, så som en fjær, et batteri osv., til å tilveiebringe energi for forflytning av skyttelen 28. Alternativt, eller i tillegg, kan energikilden 16 inkludere en komprimert gass, så som nitrogen, brønnreservoartrykk, en forbelastningsinnretning, så som en fjær, et batteri osv., for å tilveiebringe eller øke fluidtrykk som er tilgjengelig for ventilsammenstillingen 12.

Merk at fluid overføres til lavtrykksområdet 18 når stemplet 20 forflyttes fra sin posisjon på figur 1 til sin posisjon på figur 2. Dette skyldes den kjensgjerning at, ettersom stemplet 20 forflyttes til venstre, fluid overføres fra aktuatorsammenstillingen 14 til lavtrykksområdet 18 via ventilsammenstillingen 12 (ventilskyttelen 28 tillater strøm-ning fra en av portene 36 til en av portene 34).

I tillegg slippes fluid inn i lavtrykksområdet 18 når stemplet 20 forflyttes i den motsatte retning fra sin posisjon på figur 2 til sin posisjon på figur 1. Dette skyldes den kjensgjerning at, ettersom stemplet 20 forflyttes til høyre, fluid overføres fra aktuatorsammenstillingen 14 til lavtrykksområdet 18 via ventilsammenstillingen 12 (ventilskyttelen 28 tillater strømning fra en av portene 38 til en av portene 34). Følgelig, uansett om stemplet 20 forflyttes til høyre eller til venstre, overføres fluid inn i lavtrykksområdet 18.

Det vil lett forstås at, hvis et begrenset volum av fluid er tilgjengelig i energikilden 16 for overføring inn i lavtrykksområdet 18, så kan kun et begrenset antall sykler av stemplet 20 utføres før dette volumet av fluid er fullstendig overført inn i lavtrykksområdet. Nedenfor er det imidlertid beskrevet en reaktiveringsinnretning som kan brukes til å overføre fluid tilbake fra lavtrykksområdet 18 til energikilden 16, slik at operasjon av systemet 10 kan fortsette i det uendelige. Alternativt kan en annen fremgangsmåte brukes til igjen å fylle energikilden 16 med fluid for overføring til lavtrykksområdet 18.

Hvis lavtrykksområdet 18 er et innvendig kammer som beskrevet ovenfor vil det lett forstås at kun et begrenset antall sykler av stemplet 20 kan utføres før lavtrykksområdet 18 har et trykk som er lik trykket i energikilden 16. Når dette skjer kan stemplet 20 ikke forflyttes ved hjelp av en trykkdifferanse mellom trykkildene 16,18. Det er derfor vik-tig å bevare den begrensede tilgjengelighet av lavtrykksområdet 18 for å forlenge leve-tiden til systemet 10 nede i hullet. Hvis lavtrykksområdet 18 er noe annet enn et innvendig kammer kan det selvsagt være at denne begrensningen ikke gjelder.

Det skal nå i tillegg vises til figur 3 A-L, hvor en annen utførelse av et hydraulisk kontroll- og aktueringssystem 40 representativt er vist. Systemet 40 likner i mange hense-ende systemet 10 som er beskrevet ovenfor ved at det inkluderer en ventilsammenstilling 42 som styrer kommunikasjon mellom en aktuatorsammenstilling 48 og hver av en energikilde 44 og et lavtrykksområde 46. Energikilden 44 er fortrinnsvis, dog ikke nød-vendigvis, et ringrom som befinner seg utenfor en hussammenstilling 50 i systemet 40. Lavtrykksområdet 46 er fortrinnsvis, dog ikke nødvendigvis, et kammer som befinner seg inne i hussammenstillingen 50.

Før kjøring av systemet 40 inn i en brønn kan kammeret 46 fylles med et kompressibelt fluid, så som nitrogen eller en annen gass. Et flytende stempel 52 brukes til å atskille det kompressible fluid på en overside av stemplet fra et relativt innkompressibelt fluid, så som hydraulikkolje, på en underside av stemplet. Dette fluidet på undersiden av stemplet 52 står i forbindelse med ventilsammenstillingen 42 via en passasje 54 som går ad omveier, som ikke er synlig i sin helhet på tegningene.

Trykket og temperaturen i det kompressible fluid i kammeret 46 kan detekteres med en transduser eller en sensor 128 (se figur 3 A). Sensoren 128 er forbundet til kretsene 106 som er beskrevet nedenfor for overvåking av trykket og temperaturen i kammeret 46, og for å utføre andre funksjoner. For eksempel kan størrelsen av tilgjengelig volum som er igjen i kammeret 46 for mottak av fluid fra ventilsammenstillingen 42 beregnes hvis det initiale volum, trykk og temperatur, og det gjeldende trykk og den gjeldende temperatur, erkjent.

Videre kan denne informasjonen brukes til å bestemme posisjonen til aktuatorsammenstillingen 48. Hver gang ventilsammenstillingen 42 aktueres og slaget i aktuatorsammenstillingen 48 beveger seg oppover eller nedover overføres fluid til kammeret 46, og trykket i kammeret øker. Disse trykkøkningene detekteres av sensoren 128. Trykk i kammeret 46 kan følgelig bruks som en indikasjon på posisjonen til aktuatorsammenstillingen 48.

Disse beregningene og bestemmelsene kan utføres i kretsene 106, og/eller data for trykk og temperatur kan sendes til en fjerntliggende lokalisering for analyse. Sensoren 128 kan alternativt inkludere en bryter som aktueres når et forhåndsbestemt trykk nås. Aktuering av bryteren kan detektueres i kretsene 106 eller på en fjerntliggende lokalisering som en indikasjon på posisjonen til aktuatorsammenstillingen 48 som en indikasjon på behovet for å "reaktivere" aktuatoren som en indikasjon på feil, så som en fluidlekkasje osv.

For å øke en trykkdifferanse mellom fluidet i kammeret 46 og fluidet i ringrommet 44 kan fluidet i kammeret 46 forhåndsfylles til et forhøyet trykk før kjøring av systemet 40 inn i brønnen. Dette reduserer trykkdifferansen over ventilsammenstillingen 42, hvilket reduserer sannsynligheten for skade på tetninger i denne og strømningsavskjæring av passasjer og åpninger i systemet 40.

Fluid fra ringrommet 44 slippes inn i hussammenstillingen 50 via åpninger 56. Et annet flytende stempel 58 brukes til å atskille ringromsfluidet fra et annet fluid, så som hydraulikkolje, på en underside av stemplet. Fluidet på undersiden av stemplet 58 står i forbindelse med ventilsammenstillingen 42 via en annen passasje 60 som går ad omveier, hvilken ikke er synlig i sin helhet på tegningene.

En annen fremgangsmåte til å redusere trykkdifferansen over ventilsammenstillingen 42 kan brukes hvis dette er ønskelig. Denne fremgangsmåten bruker en trykkavlastnings-ventil, en strømningsregulator, en strømningsbegrenser eller en trykkregulator 126 (se figur 3E) som er installert i passasjen 60, slik at et trykk som er mindre enn trykket i ringrommet 44 påføres på ventilsammenstillingen 42. Trykkregulatoren 126 kan alternativt, eller i tillegg, inkludere en strømningsbegrenser, så som en struper som, etter initial strømning gjennom den, reduserer differansetrykket over ventilsammenstillingen 42.

Selve det hydrauliske løp 60 kan være strømningsbegrenseren 126 ved at det hydrauliske løp kan være konfigurert (for eksempel ved at det har en relativt liten diameter, har turbulensrfemkallende profiler osv.), slik at det tilveiebringer en relativt høy motstand mot gjennomstrømning. Strømningsbegrenseren (eller avlastningsventilen, strømnings-regulatoren eller trykkregulatoren) 126 kan følgelig være et separat element, eller den kan være dannet i ett med en annen struktur i systemet 40.

Trykkdifferansen over ventilsammenstillingen 42 kan også reduseres ved å posisjonere strømningsbegrenseren (eller avlastningsventilen, strømningsregulatoren eller trykkregulatoren) 126 på utgangssiden av ventilsammenstillingen 42. Det vil si at strømnings-begrenseren 126 kan posisjoneres til å begrense strømning gjennom passasjen 54. Strømningsbegrenseren 126 kan for eksempel installeres i passasjen 54 eller dannes i ett med denne, så som ved å utforme passasjen slik at den er strømningsbegrenseren.

Det skal imidlertid forstås at det i overensstemmelse med oppfinnelsens prinsipper ikke er nødvendig å redusere trykkdifferansen over ventilsammenstillingen 42. Kammeret 46 behøver derfor nødvendigvis ikke å fylles til et forhøyet trykk.

Passasjene 54,60, og andre passasjer som her er beskrevet, kan med fordel utformes i hussammenstillingen 50 ved bruk av teknikker som er tilveiebrakt i samverserende pa-tentsøknad med serienummer 10/321.085, innlevert 17. desember 2002, benevnt HYDRAULIC CIRCUIT CONSTRUCTION IN DOWNHOLE TOOLS, hvis offentlig-gjøring inkorporeres heri ved denne referanse. Disse teknikkene gjør det mulig å danne komplekse hydrauliske kretser i de begrensede grenser for nedihullsverktøy.

Aktuatorsammenstillingen 48 inkluderer et stempel 62 som er spesialkonstruert for å

bevare antallet sykler det kan forflyttes før det innvendige kammer 46 når et trykk som er for nært trykket i ringrommet 44 til at det er nyttig ved forflytning av stemplet. Spesi-fikt har stemplet 62 et større effektivt stempelareal ved begynnelsen av sitt slag enn ved slutten av sitt slag.

Det større stempelareal ved begynnelsen av stemplets 62 slag kan brukes til å starte aktuering av et brønnverktøy (så som brønnverktøyet 26), når en større kraft typisk er

nødvendig (eksempelvis for å igangsette bevegelse av et ventilstengeelement eller for å skjære over pinner for å begynne setting av en pakning). Det mindre stempelareal i res-ten av stemplets 62 slag frembringer en tilstrekkelig kraft til å opprettholde aktuering av brønnverktøyet 26, men overfører ikke et så stort fluidvolum til det innvendige kammer 46 per slagenhet som det større stempelarealet gjør. Dette reduserer volumet av fluid som overføres til det innvendige kammer 46 ved hver syklus av stemplet 62.

Som det sees av figur 3C er stemplet 62 i sin nederste posisjon. En ytre hylse 64 er tettende mottatt i en boring 66 i hussammenstillingen 50, og er i kontakt med en oppover-vendende skulder 68. En indre spindel 70 er tettende mottatt inne i en radialt forstørret boring 72 i den ytre hylse 64 og har en utvendig overflate 74 som er tettende i inngrep med en tetning 76 i hussammenstillingen 50.

Hvis trykk på en underside 78 av stemplet 62 er større enn trykk på en overside 80 av stemplet vil stemplet bli forbelastet oppover. Det vil klart forstås av en fagperson innen området at, med systemet 40 i den konfigurasjon som vist på figur 3A-L og en trykkdifferanse som forbelaster stemplet 62 oppover, det effektive stempelareal av stemplet er det ringformede areal mellom boringen 66 og overflaten 74.

Når den ytre hylse 64 får kontakt med en nedovervendende skulder 88 av hussammenstillingen 50 og ytterligere oppoverrettet forflytning av den ytre hylse 64 er forhindret blir imidlertid det effektive stempelareal på stemplet 62 det ringformede areal mellom boringen 72 og overflaten 74. Dette er en betydelig reduksjon i areal av stemplet 62 under dets forflyting, hvilket betydelig reduserer volumet av fluid som overføres til det innvendige kammer 46.

På figur 8A-L er systemet 40 vist etter at den ytre hylse 64 er kommet i kontakt med skulderen 82. Den indre spindel 74 fortsetter å forflytte seg oppover under forbelast-ningseffekten av trykkdifferansen fra ringrommet 44 til det innvendige kammer 46.

På figur 9 A-L er systemet 40 vist etter at den indre spindel 74 har nådd den øvre utstrekning for sitt slag. På dette punkt, hvis ventilsammenstillingen 42 opereres til å plas-sere oversiden 80 av stemplet 62 i forbindelse med ringrommet 44 og undersiden 78 av stemplet i forbindelse med det innvendige kammer 46, vil stemplet bli forbelastet nedover av trykkdifferansen mellom ringrommet og det innvendige kammer.

Det effektive stempelareal av stemplet 62 vil igjen forandres når stemplet slår nedover. Ved begynnelsen av stemplets 62 slag vil det effektive stempelareal være det ringformede areal mellom boringen 66 og overflaten 74. Når den ytre hylse 64 får kontakt med skulderen 68 vil det effektive stempelareal bli det mindre ringformede areal mellom boringen 72 og overflaten 74.

Dette mindre effektive stempelareal virker igjen slik at det reduserer volumet av fluid som overføres til det innvendige kammer 46. Det vil derfor lett forstås at den spesielle konfigurasjon av stemplet 62 bevarer det tilgjengelige volum i det innvendige kammer 46, uansett om stemplet forflyttes oppover eller nedover i hussammenstillingen 50.

Under enkelte omstendigheter kan det være foretrukket at det effektive stempelareal av stemplet 62 øker istedenfor at det minker når stemplet forflyttes. For eksempel kan et bestemt brønnverktøy kreve større kraft ved enden av sin aktuering istedenfor ved begynnelsen av sin aktuering. I disse tilfeller kan stemplet 62 isteden være konfigurert slik at dets effektive stempelareal er større ved enden av sitt slag enn ved begynnelsen av sitt slag.

Merk at den indre spindel 70 er forbundet til en annen spindel 84 som strekker seg oppover, ut av hussammenstillingen 40, hvilket sees på figur 3 A. I praksis er spindelen 84 fortrinnsvis forbundet til et forflyttbart operatørelement (ikke vist) av brønnverktøyet 26. Forflytning av stemplet 62 forflytter også spindelen 84, hvilket opererer brønnverk-tøyet 26 som den er forbundet til.

For å detektere posisjonen til stemplet 62 inkluderer systemet 40 en posisjonssensor 86. Posisjonssensoren 86 kan være en lineær variabel forflytningstransduser, en Hall effekt-sensor eller en hvilken som helst annen type av posisjonssensor som er kjent for fagpersoner innen teknikken. Som vist på figur 3F inkluderer sensoren 86 et magnetisk mate-riale 88 som er båret på spindelen 70. Det magnetiske materialet 88 er posisjonert inne i en elektrisk spole 90. Når det magnetiske materialet 88 forflyttes gjennom spolen 90 varierer utgangen fra spolen, hvilket tilvekebringer en indikasjon på posisjonen til stemplet 62 i forhold til hussammenstillingen 50.

Elektriske ledninger 92 fra spolen 90 strekker seg gjennom en passasje 94 til et innvendig ringformet kammer 96 i hussammenstillingen 50.1 dette kammeret 96 er det også posisjonert en elektrisk motor 98 av ventilsammenstillingen 42. Motoren 98 brukes til å forflytte et element eller skyttelen 124 i ventilsammenstillingen 42 (tilsvarende skyttelen 28 i ventilsammenstillingen 12 beskrevet ovenfor).

Merk at det i overensstemmelse med prinsippene ifølge oppfinnelsen ikke er nødvendig at skyttelen 124 forflyttes av motoren 98 siden andre midler, inkludert andre elektrome-kaniske innretninger, kan brukes til å forflytte skyttelen. For eksempel kan motoren 98 isteden være en elektrisk solenoid som forflytter skyttelen 124, eller trykk kan påføres på motsatte ender av skyttelen (som beskrevet ovenfor for forflytning av skyttelen 28) osv.

Motoren 98 er fortrinnsvis av den type som inkluderer et middel for utgivelse av et signal for å angi omdreininger, eller fraksjoner av omdreininger, for motoren. Siden det er en kjent relasjon mellom antallet omdreininger av motoren 98 og forflytning av skyttelen 124 kan forflytningen av skyttelen i ventilsammenstillingen 42 bestemmes fra moto-rens signalutgang. Alternativt kan en posisjonssensor, så som en lineær variabel forflytningstransduser, brukes til å bestemme posisjonen av motoren 98 og/eller skyttelen 124. Denne informasjonen kan sendes til en fjerntliggende lokalisering for å overvåke status og fremdrift til ventilsammenstillingens 42 operasjon.

For å kalibrere posisjonen til skyttelen 124 slik denne er angitt av noen av de ovenstående sensorene, transduserne eller andre utgangsmidlene, kan skyttelen forflyttes til den ene eller andre ende av sitt slag, og deretter kan indikatoren, sensoren osv. "nullstilles". Hvis omdreiningstelleren brukes kan omdreiningene telles med utgangspunkt fra denne "nullstilte" posisjon.

En alternativ fremgangsmåte til detektering av posisjonen til stemplet 62 er vist på figur 9F og G. En fiærforbelastet slaginnretning 132 er i inngrep med en serie av spor 134

som er tildannet i hussammenstillingen 50. Når stemplet 62 forflyttes forflytter slaginn-retningen 132 seg fra et spor 134 til et annet, hvilket frembringer et støt hver gang slag-innretningen kommer inn i ett av sporene. Støtene detekteres med et akselerometer 122 (se figur 31). Ved å telle antallet støt kan posisjonen til stemplet 62 bestemmes.

En annen alternativ fremgangsmåte til detektering av posisjonen til stemplet 62 er å detektere (for eksempel ved bruk av akselerometeret 122) når det er kommet i kontakt med en skulder, så som ved en ende av sitt slag eller når den ytre hylse 64 får kontakt med skulderen 68 eller skulderen 82. Akselerometeret 122 kan også, eller alternativt, brukes til å detektere når verktøyet 26 er blitt aktuert, så som ved å detektere et element i verktøyet som har kontakt med et annet element, for eksempel en glidehylse som har kontakt med en skulder, eller ved å detektere en annen bevegelse, for eksempel avskjæ-ring av en skjærpinne for en pakning osv.

Ledningene 92 fra posisjonssensoren 86 og ledningene 100 fra motoren 98 strekker seg gjennom en passasje 102 som delvis er synlig på figur 4. Passasjen 102 tillater at ledningene 92,100 strekker seg inn i et annet innvendig kammer 104 i hussammenstillingen 50. Kammeret 104 er synlig i tverrsnitt på figur 5.

Det kan sees på figur 5 at det er posisjonert elektroniske kretser 206 i kammeret 104. De elektroniske kretser 106 utfører mange funksjoner i systemet 40, inkludert styring av operasjonen til ventilsammenstillingen 42, mottak av utgangssignalene fra posisjonssensoren 86, motoren 98, transduseren 128 og styring av forbindelser mellom systemet 40 og en fjerntliggende lokalisering, så som ved jordens overflate eller nedihullslokalise-ring. Mange andre funksjoner kan selvsagt utføres av kretsene 106 i tillegg til, eller istedenfor, de funksjoner som er opplistet ovenfor i overensstemmelse med prinsippene ifølge oppfinnelsen.

Kammeret 104 er fortrinnsvis atskilt fra brønnfluider med metall-mot-metall tetninger

108. Tetningene 108 tilveiebringer mye større varighet og bestandighet mot gjennomgå-ende gassgjennomføring sammenliknet med elastomeriske tetninger. Det skal imidlertid forstås at enhver type tetninger kan brukes for kammeret 104 uten å avvike fra prinsippene ved oppfinnelsen.

I tillegg er kretsene 106 beskyttet ved at de er omgitt av en inertgass i kammeret 104. Kammeret 104 evakueres fortrinnsvis for luft etter at kretsene 106 er installert i dette (eksempelvis ved å trekke ut et vakuum i kammeret), og deretter føres en inertgass, så som argon, inn i kammeret. Dette hindrer at komponentene i kretsene 106 reagerer med oksygen, fuktighet osv. i luft ved de forhøyede temperaturer i en nedihulls omgivelse. Det skal imidlertid forstås at det i overensstemmelse med prinsippene ifølge den foreliggende oppfinnelse ikke er nødvendig at kretsene 106 omgis av en inertgass i kammeret 104.

Et forstørret riss av en nedre ende av kammeret 104 er vist på figur 6.1 dette riss kan det sees hvordan sleperinger 110 brukes til å tilveiebringe elektrisk forbindelse mellom kammeret 104 og et batterikammer 112 som befinner seg lenger ned via en passasje 114 i hussammenstillingen 50. Batterier 116 i kammeret 112 tilfører elektrisk kraft til kretsene 106.

Under batterikammeret 112 er det et annet kammer 118 som har kontakt med en stabel av ringer 120 av piezoelektrisk krystall. Når de forsynes med elektrisk kraft fra kretsene 106 deformeres ringene 120, hvilket forårsaker et støt inne i hussammenstillingen 50. Støtet overføres i hovedsak gjennom hussammenstillingen 50 som en akustisk bølge. Slik overføring av akustiske bølger kan brukes til å kommunisere med en fjerntliggende lokalisering.

De piezoelektriske ringer 120 blir fortrinnsvis elektrisk aktuert for å sende kodede akustiske signaler som beveger seg gjennom en verktøystreng som systemet 40 er innkoplet i en brønn. De akustiske signaler detekteres fortrinnsvis av en gjentaker i brønnen og sendes på ny til en mer fjerntliggende lokalisering, så som jordens overflate. Denne teknikken med akustisk telemetri er for fagpersoner innen området kjent som "kort hopp - langt hopp" transmisjon. Det skal imidlertid klart forstås at en hvilken som helst form for telemetri kan brukes til kommunikasjon mellom systemet 40 og en fjerntliggende lokalisering i overensstemmelse med prinsippene ifølge oppfinnelsen. For eksempel kan det brukes fastkoplet kommunikasjon (så som ved hjelp av kabel), elektromagnetisk telemetri, telemetri med påvirkning av vekt eller dreiemoment som påføres på en rørstreng hvor systemet 40 er innkoplet, eller trykkpulstelemetri.

Et akselerometer 122 er posisjonert i kammeret 104. Akselerometeret 122 detekterer akustiske signaler som sendes til systemet 40 fra en fjerntliggende lokalisering. Hvis "kort hopp - langt hopp" teknikken med akustisk telemetri brukes sendes de akustiske signaler fra den fjerntliggende lokalisering til en gjentaker i brønnen, og deretter sender gjentakeren de akustiske signaler på ny til systemet 40, hvor de akustiske bølger som beveger seg gjennom hussammenstillingen 50 detekteres av akselerometeret 122. Be-merk imidlertid at en gjentaker ikke alltid er påkrevd.

Akselerometeret 122 er forbundet til kretsene 106, som dekoder de akustiske signaler og lagrer eventuelle data og/eller responderer til eventuelle kommandoer som befinner seg i signalene. Systemet 40 er følgelig i en toveis kommunikasjon med den fjerntliggende lokalisering. Systemet 40 kan respondere til instruksjoner som sendes fra den fjerntliggende lokalisering, og den fjerntliggende lokalisering kan motta data som er innsamlet og sendt av systemet til den fjerntliggende lokalisering.

Systemet 40 kan også, eller alternativt, være i toveis kommunikasjon med en nærliggende lokalisering, hvilken dekoder akustiske signaler og lagrer eventuelle data. Systemet 40 kan også, eller alternativt, respondere på data og instruksjoner som sendes fra en nærliggende lokalisering, og kan sende data og instruksjoner til en nærliggende lokalisering.

Det skal nå i tillegg vises til figur 7A og B, hvor ventilsammenstillingen 42 er vist i en forstørret målestokk. I disse riss kan det sees at ventilsammenstillingen 42 er meget lik ventilsammenstillingen 12 som er beskrevet ovenfor ved at et ventilelement eller en skyttel 124 forflyttes for alternativt å påføre trykk fra energikilden og forbinde lavtrykksområdet (ringrommet 44 og kammeret 46) til motsatte sider 78, 80 av stemplet 62. porter 130 er for å slippe inn fluidtrykk fra ringrommet 44 til ventilsammenstillingen 42, overføring av fluid fra ventilsammenstillingen til kammeret 46, og for å lede fluid til og fra stemplet 62 via passasjer, så som passasjene 54,60 beskrevet ovenfor, men som ikke er synlige på figur 7A og B.

På figur 7A er skyttelen 124 vist i sin posisjon lengst til venstre, og på figur 7B er skyttelen 124 vist i sin posisjon lengst til høyre. Skyttelen 124 forflyttes mellom disse posi-sjonene med motoren 98.

På figur 8A-L er systemet 40 vist etter at skyttelen 124 er blitt forflyttet fra sin posisjon på figur 7A til sin posisjon på figur 7B. Trykk fra ringrommet 44 er følgelig blitt ledet til undersiden 78 av stemplet 62, og kammeret 46 er blitt forbundet til oversiden 80 av stemplet.

Den ytre hylse 64 er blitt forflyttet oppover, forbelastet av trykkdifferansen mellom ringrommet 44 og kammeret 46, og har nå kontakt med skulderen 82. Den indre spindel 70 fortsetter imidlertid å forflytte seg oppover, og stemplet 62 har nå et redusert effektivt stempelareal.

På figur 9 A-L er systemet 40 vist i tverrsnitt, men tverrsnittet er noe rotert i forhold til tverrsnittene som er vist på figur 3A-L og figur 8A-L, slik at ventilsammenstillingen 42 ikke er synlig. Systemet 40 er på figur 9A-L vist etter at den indre spindel 70 er blitt forflyttet oppover så langt den kan i boringen 72 i den ytre hylse 64. Aktuatorsammenstillingen 48 er følgelig blitt forflyttet i spindelen 84 til sin fulle utstrekning i retning oppover, hvilket overfører fluid fra oversiden 80 av stemplet 62 til kammeret 46. Spindelen 84 kan forflyttes nedover ved aktivering av motoren 98 til å forflytte skyttelen 124 oppover igjen til sin posisjon på figur 7A (til venstre, sett på figur 7A).

Slik oppoverrettet forflytning av skyttelen 124 vil bevirke at trykk fra ringrommet 44 blir ledet til oversiden 80 av stemplet 62, og trykk fra kammeret 46 blir ledet til undersiden 78 av stemplet. Stemplet 62 vil forflytte seg nedover (med et effektivt stempelareal som minker under stemplets nedoverrettede forflytning), hvilket overfører fluid fra stemplets underside 78 til kammeret 46.

Det kan derfor fullt ut forstås at systemet 40 tilveiebringer et praktisk middel til å aktuere brønnverktøyet 26 ved oppoverrettet og nedoverrettet forflytning av spindelen 84. Systemet 40 står i forbindelse med en fjerntliggende lokalisering, slik at aktuering av verktøyet 26 kan fjernstyres og overvåkes. Status og ytelse til systemet 40 kan også overvåkes ved den fjerntliggende lokalisering.

Det skal nå i tillegg vises til figur 10, hvor en annen utførelse av st hydraulisk kontroll-og aktueringssystem 140 representativt er vist. Systemet 140 tilsvarer i mange henseen-de systemet 40 som er beskrevet ovenfor ved at det inkluderer en ventilsammenstilling 142 (skjematisk vist på figur 10, men tilsvarer ventilsammenstillingen 12 eller 42 beskrevet ovenfor) som styrer kommunikasjon mellom en aktuatorsammenstilling 144 og hver av en energikilde 146 og et lavtrykksområde 148.

Aktuatorsammenstillingen 144 inkluderer en operasjonsspindel eller et stempel 150 som forflyttes i en retning for å åpne en kuleventil 152, som vist på figur 10, og som forflyttes i en motsatt retning for å stenge kule ventilen. Energikilden 146 er fortrinnsvis, dog ikke nødvendigvis, trykk i en rørstreng under kuleventilen 152.

Lavtrykksområdet 148 inkluderer fortrinnsvis, dog ikke nødvendigvis, et kammer 186 inne i hussammenstillingen 50. Som vist på figur 10 er kammeret 186 et luftkammer. Et stempel 154 brukes til å skille kammeret 186 mot fluid som overføres til dette fra et fluidfylt kammer 156.

Et flytende stempel 158 skiller kammeret 156 fra et annet kammer 160, hvilket står i forbindelse med energikilden 146 via en passasje 162. Trykk i energikilden 146 overfø-res følgelig via passasjen 162 til kammeret 160, og det flytende stempel 158 virker slik at det overfører trykket til kammeret 156, hvilket står i forbindelse med ventilsammenstillingen 142 via passasjer 164,166. En tilbakeslagsventil 168 muliggjør strøm kun fra kammeret 156 til ventilsammenstillingen 142 gjennom passasjen 164 under normal operasjon av systemet 140.

Fluid og trykk i energikilden 146 kan strømme gjennom passasjen 162 til kammeret 160, hvor det virker på undersiden av stemplet 158. Stemplet 158 isolerer dette fluidet mot rent fluid, fortrinnsvis hydraulikkolje, i kammeret 156 over stemplet. Dette rene fluidet kan strømme gjennom tilbakeslagsventilen 168 og passasjen 164 til ventilsammenstillingen 142.

Som med de andre ventilsammenstillingene 10, 40 beskrevet ovenfor styrer ventilsammenstillingen 142 påføring av trykkene fra energikilden 146 og lavtrykksområdet 148 til vekslende sider av stemplet 150. Passasjer 180,182 sørger for forbindelse mellom ventilsammenstillingen 142 og motsatte sider av stemplet 150.1 et unikt trekk ved systemet 140 tillater stemplet 154 imidlertid at systemet 140 blir reaktivert, slik at det ikke er noen grense for det antall ganger ventilsammenstillingen 142 kan påføre trykk på stemplet 150.

Det vil lett forstås at hver gangs tempelet 150 gjennomgår et slag slipper et volum av fluidet i kammeret 156 inn i kammeret 170 under et radialt forstørret parti 172 av

stemplet 154. Det radialt forstørrede parti 172 atskiller kammeret 186 fra fluidet i kammeret 170. Systemet 140 kan opereres, slik at det-vekselvis åpner og stenger kuleventilen 152 inntil kammeret 170 ikke lenger kan motta mer fluid fra kammeret 156 via ventilsammenstillingen 142, eller inntil det ikke er mer fluid i kammeret 156 å overføre til kammeret 170.

Ved dette punkt kan en plugg 174 settes i stemplet 154 (for eksempel transportert med kabel) for å isolere et øvre parti 176 av en innvendig passasje i rørstrengen hvor systemet 140 er innkoplet fra et nedre parti 178 av passasjen. Trykk kan deretter påføres på det øvre parti 176 for derved å forflytte stemplet 154 nedover. Stemplet 154 forflyttes nedover på grunn av trykkdifferansen mellom partiene 176,178 i rørstrengens passasje.

Når stemplet 154 forflytes nedover posisjoneres ventilsammenstillingen 142 slik at kammeret 170 står i forbindelse med kammeret 156 via passasjene 164,166. Nedoverrettet forflytning av stemplet 154 forårsaker følgelig at fluidet i kammeret 170 overføres tilbake inn i kammeret 156. Denne operasjonen "reaktiverer" systemet 140, slik at det kan utføres ytterligere forflytninger av stemplet 150.

Pluggen 174 kan hentes opp fra stemplet 154 når reaktiveringsoperasjonen er fullført. Stemplet 154 og pluggen 174 utgjør til sammen reaktiveringsinnretningen 184 som snur strømmen av fluid fra lavtrykksområdet 148 tilbake til energikilden 146.

Merk at det ikke er nødvendig å reaktivere et system som gir prinsippene ifølge oppfinnelsen konkret form ved bruk av en trykkdifferanse mellom partier av en rørstreng. En annen type aktuator kan for eksempel brukes som en reaktiveringsinnretning for å forflytte stemplet 154 nedover. Et eksempel på en slik aktuator finnes i OMNI-ventilen,

som er kommersielt tilgjengelig fra Halliburton Energy Services, Inc., Houston, Texas.

OMNI-ventilaktuatoren opereres ved påføring av ringromstrykk istedenfor produksjons-rørtrykk. Hvis den brukes i systemet 140 vil OMNI-ventilaktuatoren fortrinnsvis påføre en kraft direkte på stemplet 154 for å forflytte stemplet nedover.

En fagperson innen området vil selvsagt ved en nøye betraktning av den ovenstående beskrivelse av representative utførelser av oppfinnelsen lett forstå at mange modifika-sjoner, tillegg, erstatninger, utelatelser og andre forandringer kan gjøres med disse spe-sifikke utførelser, og at slike forandringer er tenkelige ved prinsippene ifølge den foreliggende oppfinnelse. Det skal følgelig klart forstås at den foregående detaljerte beskrivelse kun er blitt gitt som en illustrasjon og et eksempel, idet oppfinnelsens idé og ramme kun er begrenset av de vedføyde krav og deres ekvivalenter.

Claims (6)

1. Hydraulisk kontroll- og aktueringssystem (10) for et nedihullsverktøy, karakterisert ved at det omfatter: en hussammenstilling; og en aktuatorsammenstilling (14) som inkluderer et stempel (20) som er posisjonert inne i hussammenstillingen, idet verktøyet opereres som respons på forflytning av stemplet i forhold til hussammenstillingen, og stemplet har et effektivt stempelareal som forandres under forflytning av stemplet.

2. System som angitt i krav 1, karakterisert ved at det videre omfatter: i hussammenstilling et innvendig kammer som funksjonerer som et område med relativt lavt trykk; en energikilde (16); og en ventilsammenstilling (12) som inkluderer et ventilelement (28) som er forflyttbart mellom en første posisjon hvor stemplet (20) forbelastes i en første retning av en trykkdifferanse mellom energikilden (16) og området (18) med lavt trykk, og en annen posisjon hvor stemplet forbelastes i en annen retning som er motsatt den første retning ved hjelp av trykkdifferansen mellom energikilden og området med lavt trykk.

3. System ifølge krav 1, karakterisert ved at det videre omfatter en ventilsammenstilling (12) som tildanner fluidforbindelse mellom stemplet (20) og hver av en energikilde (16) og et lavtrykksområde (18).

4. System som angitt i krav 1, karakterisert ved at det videre omfatter en elektromekanisk innretning som kan opereres til å forflytte ventil-elementet (28) mellom den første og annen posisjon.

5. System som angitt i krav 1, karakterisert ved at det videre omfatter en trykksensor som sanser trykk i det innvendige kammer.

6. System som angitt i krav 1, karakterisert ved at det videre omfatter en posisjonssensor (86) som detekterer en posisjon av stemplet i forhold til hussammenstillingen.