NO329263B1 - System og modul for styring av bronnfluidstromning, bronn utstyrt dermed, og tilsvarende fremgangsmate - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår styring av strømningen av fluider i en brønn. Den gjelder særlig, men ikke utelukkende, styring av strømmen av hydrokarboner.

En olje- eller gassbrønn, som heretter betegnes en brønn, er konstruert ved å bore et hull for så å fore det med et foringsrør i stål som sementeres i stilling. En kanal for å bære hydrokarboner fra et nedre område i brønnen til overflaten, og som betegnes produksjonsrør, føres inn i foringsrøret og strekker seg fra overflaten til det nedre område hvor hydrokarboner tas ut. Rommet som skapes mellom foringsrøret og produksjonsrøret betegnes et ringrom.

Inntaket av hydrokarboner i produksjonsrøret skjer enten via en åpen nedre ende, én eller flere områder som er forsynt med porter langs sin lengde, eller begge deler. Utstyr betegnet produksjonspakninger er anordnet mellom produksjonsrøret og foringen for å hindre hydrokarboner fra å strømme opp i ringrommet i stedet for opp i produksjonsrøret.

Det skal bemerkes at materiale forskjellig fra hydrokarboner, enten i flytende form eller gassform, kan strømme langs produksjonsrøret. Det kan føre produksjonsavfall som er igjen fra boringen, frigjort porevann, sand eller bruddstykker av sten. Uttrykket hydrokarboner brukes utelukkende av praktiske hensyn, skjønt det skal forstås at disse andre materialer kan være til stede. Dessuten kan det føres materialer fra overflaten til det nedre område, slik som kjemikalier, innbefattet vann, som brukes for å bidra til uttaket av hydrokarboner.

I betraktning av de høye kostnader forbundet med uttak av hydrokarboner fra brønner, er det ønskelig å gjenvinne en så stor andel hydrokarboner som mulig fra reserver på stedet.

Det er blitt erkjent at den mengde hydrokarboner som tas ut fra en brønn kan økes dersom strømningsstyrende utstyr anordnes i brønnen for å styre strømmen av hydrokarboner. Et eksempel er en ringformet isoleringsventil. Sådant strømningsstyrende utstyr betegnes strupeutstyr. For å plassere sådant strupeutstyr i en brønn er det praktisk å anordne det på produksjonsrøret for å styre strømmen av hydrokarboner fra det ytre av røret til dets indre. For å forbedre driften av brønnen ytterligere er det blitt foreslått å utføre målinger av hydrokarbonenes strømningsrate i produksjonsstrengen samt hydrokarbonenes temperatur og trykk i brønnen, for så å bruke denne informasjon til å regulere strupeutstyret. Utstyr plassert i brønnen betegnes brønnhullsutstyr (downhole devices).

En enkel versjon av et strupeutstyr omfatter et legeme utstyrt med et sett hull og som bærer en bevegelig muffe. Muffens bevegelser i forhold til legemet avdekker eller tildekker hullene. I en annen utførelse er legemet utstyrt med et første sett hull mens muffen er utstyrt med et andre sett hull. Den relative bevegelse mellom legemet og muffen lar de første og andre rekker av hull bevege seg inn og ut av gjensidig regist-rering, for således å åpne for og stenge for strømmen av hydrokarboner gjennom strupeutstyret. Den relative bevegelse kan være parallell med produksjonsrørets akse eller omkring denne.

Et eksempel på en kjent strupestyrt brønn 100 er vist i fig. 1. Brønnen 100 har et brønnhode 102 som styrer en hovedutboring 103 som strekker seg ned og inn i en hydrokarbonbærende sone 104. Skjønt sonen 104 ikke behøver være særlig tykk (f.eks. 10 - 100 m) har den en betraktelig sideveis utstrekning (f.eks. flere km). Det finnes en annen hydrokarbonbærende sone 106 som har form av en isolert lomme. Sonen 104 er stor nok til å rettferdiggjøre prisen for boring av brønnen 100. For å gjøre uttaket av hydrokarboner så stort som mulig strekker brønnen seg, når den kommer inn i sonen 104, i form av en horisontal etappe 108 for å ta ut hydrokarboner over en vesentlig utstrekning av sonen 104. De hydrokarbonbærende soner er imidlertid sjelden ensartede og det er vanlig at vann bryter inn i en lang horisontal brønn på visse steder langs dens horisontale utbredelse før uttaket av hydrokarboner er fullført over dens hele lengde. Derfor er etappen 108 utstyrt med et antall strupeutstyr 110 i respektive avtettede regioner 112, som styrer inntaket av hydrokarboner til etappen eller grenen 108. Regionene behøver nødvendigvis ikke være hermetisk forseglet. Skulle vann bryte inn i en avtettet region kan dens strupeutstyr aktiveres for å hindre fluiduttak fra vedkommende avtettede region. Sonen 106 er ikke stor nok til å rettferdiggjøre prisen for å bore en separat brønn og derfor utstyres brønnen med en sidegren eller -etappe 114 for å ta ut hydrokarboner fra sonen 106. Strømmen av hydrokarboner fra sidegrenen 114 inn i hovedutboringen 103 reguleres med et strupeutstyr 116.

Det skal bemerkes at den horisontale etappe 108 kan strekke seg over mange kilo-meter. Jo lengre etappen er, desto mer uensartet er fluidet som strømmer langs den. I stedet for å ha en lang horisontal etappe kan derfor en horisontal brønn av lignende lengde utgjøres av to kortere, horisontale etapper som avgrenes inn i sonen 104 i motsatte retninger fra et felles koblingspunkt. Brønnens fasong blir da lignende en omvendt T. Det felles koblingspunkt kan styres med et strupeutstyr.

For styring av en brønn som har to soner, typisk et øvre hydrokarbonlag adskilt fra et nedre hydroarbonlag med et mellomliggende, tett lag, er det vanligvis ikke effektivt å ta ut hydrokarboner i en kontinuerlig operasjon fra den ene sone inntil denne er ut-tømt, for så å ta ut fra den annen sone i en annen kontinuerlig operasjon inntil også denne er uttømt. Det er vanligvis mer effektivt å avveksle uttaksoperasjonene et antall ganger mellom de to soner. Sa snart en uttaksoperasjon fra en første sone er gjort, etterlates sonen for å "ta seg inn igjen" mens en uttaksoperasjon fra den annen (andre) sone finner sted. Når den første sone har gjenvunnet seg selv kan den gjennomgå en ytterligere uttaksoperasjon. Forholdsvis flere hydrokarboner i reserver på stedet kan tas ut dersom sonene tillates å gjenvinne seg selv. Dessuten tas en større andel av de uttagbare hydrokarboner ut tidligere i brønnens levetid. Fjernstyrte strupeenheter er meget egnet for vekselvise uttaksoperasjoner.

Påliteligheten ved anordninger nede i brønnhull er av vesentlig kommersiell viktighet. For det første kan en brønns produktive levetid være flere titalls år, og således kan brønnhullsutstyr befinne seg nede i hullet over en lang tidsperiode. For det andre kan enhver reparasjons- eller erstatningsoperasjon påvirke brønnens drift og i de fleste tilfeller kreve at brønnen stenges mens en del av eller hele produksjonsrøret fjernes. Prisen for inngrep i en brønn kan koste i området 10 millioner kroner pr. dag. Det er derfor klart ønskelig at en brønn stenges så sjelden som mulig i løpet av dens levetid.

Bestrebelser på å forbedre påliteligheten ved strømningsstyrende systemer nede i brønnhull har så langt konsentrert seg om å forbedre strupeutstyret, for således å minske sannsynligheten for at det setter seg fast og også om å forbedre påliteligheten ved den mekanisme som brukes for å aktivere strupeutstyret.

Således beskriver særlig US 5 547 029 et styringssystem for å styre strømningen av fluid i en brønn og som omfatter to styrekretser, et brønnhullsutstyr og velgerutstyr for å svitsje styringen av brønnhullsutstyret mellom styrekretsene. De to styrekretser er imidlertid av samme art og drives på samme måte, og er derved like sårbare. Det er derfor fortsatt er rom for å forbedre påliteligheten for å unngå driftsforstyrrelser.

I henhold til et første aspekt av foreliggende oppfinnelse er det fremskaffet et styringssystem for å styre strømningen av fluid i en brønn og som omfatter en første styrekrets, en andre styrekrets, et brønnhullsutstyr og velgerutstyr for å svitsje styringen av brønnhullsutstyret fra den første styrekrets til den andre styrekrets.

På denne bakgrunn av prinsipielt kjent teknikk har da styringssystemet i henhold til oppfinnelsen som særtrekk at den ene av styrekretsene er hydraulisk, mens den annen av styrekretsene er elektrisk.

Brønnhullsenheten er fortrinnsvis et strupeutstyr.

Den første styrekrets er fortrinnsvis fullstendig hydraulisk. Det er passende at den første styrekrets har en hydraulisk aktuator for å styre brønnhullsenheten. Den andre styrekrets er fortrinnsvis fullstendig elektrisk. Det er passende at den andre styrekrets har en elektrisk aktuator for å styre brønnhullsenheten. Alternativt er den andre styrekrets elektrohydraulisk. Den kan da ha en hydraulisk aktuator for å styre brønnhulls-enheten som selv styres ved hjelp av i det minste ett elektrisk styresignal.

Fortrinnsvis finnes det flere brønnhullsenheter. Det kan være to, tre, fire, fem eller seks enheter. Det kan også være mer enn seks enheter.

I utførelser av oppfinnelsen som har flere brønnhullsenheter kan enkeltvise enheter eller enkeltvise grupper av enheter velges for å arbeide. De kan velges for å arbeide ved hjelp av en velgerlogikk, slik som ved hydraulisk adressering fra den hydrauliske styrekrets eller elektrisk adressering fra den elektriske styrekrets.

Fortrinnsvis svitsjes styringen av brønnhullsutstyret fra den første til den andre styrekrets dersom en feil opptrer, som forhindrer normal operasjon av brønnhullsutstyret fra den første styrekrets. Systemet har derfor redundans i tilfellet av feil. Alternativt kan svitsjingen av styringen ganske enkelt være et resultat av vurderinger forskjellig fra feil, slik som et spørsmål om valg som gjøres av en operatør eller et automatisert styringssystem.

I henhold til et andre aspekt av oppfinnelsen er det fremskaffet en brønn som omfatter i det minste et styringssystem i samsvar med det første aspekt av oppfinnelsen.

I henhold til et tredje aspekt av oppfinnelsen er det fremskaffet en styringsmodul for styring av brønnhullsutstyr, og som har en hydraulisk aktuator og en elektrisk aktuator, som hver enkelt kan styre brønnhullsutstyret.

Fortrinnsvis omfatter styringsmodulen også brønnhullsenheten.

I henhold til et fjerde aspekt av oppfinnelsen er det fremskaffet en brønn som omfatter i det minste en styringsmodul i samsvar med det tredje aspekt av oppfinnelsen.

I henhold til et femte aspekt av oppfinnelsen er det fremskaffet en fremgangsmåte ved drift av en brønn og som omfatter trinn hvor et brønnhullsutstyr styres ved hjelp av en første styrekrets og ved å svitsje styringen til en andre styrekrets.

På denne bakgrunn av prinsipielt kjent teknikk har da fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen som særtrekk at den ene av styrekretsene er en hydraulisk styrekrets, mens den annen av styrekretsene er en elektrisk styrekrets.

Brønnen er fortrinnsvis en produksjonsbrønn. Den kan være beregnet på produksjon av olje, gass eller begge deler. Alternativt kan den være en injeksjonsbrønn.

Styrekretsene styrer fortrinnsvis separate aktuatorer som i sin tur styrer utstyret nede i brønnen. Alternativt styrer styrekretsene den samme aktuator.

En utførelse av oppfinnelsen vil nå bli beskrevet som eksempel med henvisning til de vedføyde tegninger, på hvilke,

Fig. 1 skjematisk viser en produksjonsbrønn,

fig. 2 skjematisk viser et styringssystem,

fig. 3 er en skjematisk representasjon av en produksjonsbrønn,

fig. 4 viser et strupeutstyr,

fig. 5 viser et snitt gjennom en plan styrekabel,

fig. 6 viser et styringssystem for en produksjonsbrønn i skjematisk form,

fig. 7 viser en hydraulisk dekoder,

fig. 8 viser et antall styringsmoduler for styringssystemet i et ringarrangement, og fig. 9 viser detaljer ved en av styringsmodulene vist i fig. 8.

I den etterfølgende beskrivelse forklares oppfinnelsen i forhold til undersjøisk bruk. Med en sådan anvendelse er en del av styringssystemet plassert nede i brønnhullet og en del av styringssystemet plassert på sjøbunnen mens en siste del som tilfører effekt og styresignaler er plassert på en plattform eller i en landbasert installasjon. Oppfinnelsen gjelder imidlertid også en helt selvstendig, "intelligent" brønn hvor prosseser-ingsutstyr er anordnet nede i brønnhullet for å analysere brønnens driftsparametre og styre dens drift tilsvarende, med liten eller ingen innblanding fra utsiden av brønnen.

Fig. 2 er en skjematisk anskueliggjørelse av et styringssystem 220 som sørger for styring av en brønn 222 fra en plattform 224.1 denne spesielle utførelse av oppfinnelsen er plattformen en oljerigg. På plattformen 224 er det plassert en elektrisk kraftforsyningsenhet 226, en hydraulisk kraftforsyningsenhet 228 og en elektrisk styreenhet 230. Avgivelsen fra hver av disse enheter blir rutet til en koblingsboks 232 hvor de kombineres og pakkes sammen i en forsyningskabel 234 som løper fra plattformen 224 til sjøbunnen. Pa plattformen er det også anordnet en kjemisk injeksjons-enhet 229 som leverer kjemikalier som skal pumpes inn i brønnen 222 for å bidra til uttaket av hydrokarboner.

Forsyningskabelen 234 er terminert i en kabeltermineringsenhet 240 som fordeler den hydrauliske og elektriske kraft og styresignalene til en undersjøisk styringsmodul (SCM - Subsea Control Module) 242. Den undersjøiske styringsmodul sørger for styring av aktuatorene som befinner seg på et ventiltre 244, som også er kjent som "Christmas tree", og som er plassert på brønnhodet. Disse aktuatorer brukes for å åpne og lukke ventiler som brukes for å styre strømningen av kjemikalier og hydrokarboner gjennom treet. SCM'en sørger også for den hydrauliske og elektriske kraft og styresignalene for å drive en brønnhullsenhet 246 i brønnen 222. Den sørger også for overvåkning og/eller utspørring av et antall følere plassert på treet. I tillegg kan enhver elektrisk eller optisk kraft/styring for utstyret nede i borehullet nå sin kilde eller rutes via SCM'en.

I fig. 3 er en kjent brønn 10 skjematisk anskueliggjort. Denne figur viser en utboring 12 som er foret med et foringsrør 14 som inneholder et produksjonsrør 16. Forings-røret strekker seg fra overflaten 18 til enden eller "tåen" 20 av utboringen 12. Det skal forstås at i den beskrevne utførelse er overflaten 18 sjøbunnen. Foringsrøret 14 understøtter en foringsrørhenger 22 som i sin tur understøtter produksjonsrøret 16. Foringsrøret 14 og produksjonsrøret 16 er adskilt med et rom 24 som betegnes et ringrom (annulus). Dette ringrom tjener en rekke formål. Det kan brukes for å påvise fluidlekkasje fra produksjonsrøret 16. Når det tas ut viskøse hydrokarboner i væske-form kan trykksatt gass føres inn og ned i ringrommet for å føres inn i røret gjennom enveisventiler langs dets lengde, for å frembringe et gassløft som bistår uttaket.

Rørhengeren 22 har en åpning for produksjonsrøret 16, en åpning for å muliggjøre tilgang til ringrommet 24 og én eller flere åpninger for å muliggjøre passasje av ledninger for styrende og avfølende operasjoner nede i brønnhullet. Med hensyn til planareal er således mye av rørhengeren opptatt.

Omtrent 300 m fra overflaten 18 har produksjonsrøret 16 en undergrunnssikkerhets-ventil som styres fra overflaten (SCSSV - Surface Controlled Subsurface Safety Valve) 25. Denne utgjør en avstengningsventil for nødstilfeller og lukker ved tap av hydraulisk kraft til SCM'en, for å utgjøre en barriere overfor en ukontrollert strømning av hydrokarboner. Barrieren er med hensikt plassert under brønnhodet for å beskytte det akvatiske miljø i tilfellet av en svikt ved treet eller brønnhodet.

Langs sin utstrekning passerer foringsrøret 14 gjennom et antall hydrokarbonbærende soner 26 og 28 som hydrokarboner, slik som olje og gass, tas ut fra. Innenfor hver sone er et parti eller område av foringsrøret 14 åpent, slik at hydrokarboner kan strømme inn i dets indre. Innenfor sonen 26 er foringsrørets vegg perforert. Innenfor sonen 28 har foringsrøret en åpen ende 30. Produksjonsrøret 16 er likeledes utstyrt med porter som tilsvarer dem som er til stede i foringsrøret 14. Foringsrøret 16 har derfor porter i sonene 26 og 28.

I kjente brønner kan produksjonsrøret være utstyrt med en elektrisk nedsenkbar pumpe (ESP - Electrical Submersible Pump) ved en brønns "tå", for å pumpe hydrokarboner fra brønnens nedre region. Dette er passende dersom den hydrokarbonbærende sone som det trekkes ut fra, har lavt trykk. Det er viktig å overvåke pumpens temperatur for å kontrollere at den ikke overopphetes. Dette kommer av at dersom ESP'en skulle svikte, fordres det en brønnoverhaling.

Det er viktig å isolere de hydrokarbonbærende soner 26 og 28 fra ikke-hydrogenbær-ende soner 32 og 34. Dersom disse soner inneholder vannførende bergartlag som vann trekkes ut fra, kan det å tillate kommunikasjon mellom de vannførende lag og sonene 26 og 28 forårsake forurensning av disse. Ringrommet 24 er derfor inndelt i rom eller celler 36, 38 og 40 som er avdelt med pakninger 42, 44 og 46 som hindrer at det skjer en overføring av materiale mellom de hydrokarbonbærende soner 26, 28 og ikke-karbonbærende soner 32, 34 langs ringrommet 24.

De hydrokarboner som er til stede i sonene 26 og 28 kan ha forskjellig trykk. Dersom trykkene er meget ulike og det er ubegrenset kommunikasjon mellom sonene kan hydrokarboner strømme fra den ene sone til den annen i stedet for oppover produk-sjonsrøret 16. Av denne grunn er det anordnet varierbart strupeutstyr 48 og 49 for å begrense strømningen fra sonene 26 og 28 inn i produksjonsrøret 16. To strupeventiler behøves for å styre uttaket av hydrokarboner fra de to soner. Generelt kan et antall på n strupeventiler styre n soner.

For å styre hyd roka rbonstrøm men er en føler anordnet for å måle trykk og temperatur

i produksjonsrøret 16. Føleren er typisk plassert i ringrommet 24 inntil en pakning 42, 44 og 46 i en region av ringrommet 24 som er isolert fra de hydrokarbonbærende soner. Dette skyldes at hydrokarbonene kan befinne seg under trykk og kan være korrosive. Føleren utfører sine målinger via en port anordnet i produksjonsrørets vegg.

Fig. 4 viser et strupeutstyr mer detaljert. Det består av en ikke-perforert hylse 410 som kan beveges fra en åpen stilling (a) hvor portene 412 i produksjonsrøret 16 er utildekket til en lukket stilling (b) hvor portene 412 er tildekket, og omvendt. I den lukkede stilling er det indre av produksjonsrøret 16 isolert fra ringrommet 24.1 den åpne stilling kan det skje en hydrokarbonstrøm gjennom portene og inn i produksjons-røret 16. Den strupeventil som er vist i fig. 4 er en enkel på/avranordning. En alter-nativ utførelse av en strupeventil har et antall mellomliggende posisjoner som kan bestemmes mellom den åpne og lukkede stilling. Disse posisjoner muliggjør en varierbar strupevirkning på fluidstrømmen og gjør det således mulig å påføre et varierbart trykkfall.

Skjønt fig. 4 viser en hylse som beveger seg i en retning parallelt med produksjons-rørets lengdeakse, kan en hylse som beveger seg omkretsmessig omkring produk-sjonsrøret brukes for å bringe to sett porter på linje med hverandre og ut av linje med hverandre.

En plan kabel brukes for å sørge for hydraulisk kraft, elektrisk kraft og kommunikasjon, dvs. styresignaler, til utstyr nede i brønnhullet. Et tverrsnitt gjennom en plankabel er vist i fig. 5 og betegnet med henvisningstallet 510. Plankabelen inneholder en hydraulisk fluidkraftledning 512, en elektrisk kraftledning 514 og en kommunikasjonsledning 516 som inneholder et snodd trådpar 518 og 520. Alle ledningene 512, 514 og 516 har stålmantler eller -rør. På grunn av plassbegrensningene i rørhengeren 22 og i ringrommet 24 mellom produksjonsrøret 16 og foringsrøret 14, har plankabelen en største størrelse. Det foreligger derfor en begrensning på antallet ledninger og den ytre diameter av deres stålrør (som typisk er mindre enn 1 cm).

Fig. 6 anskueliggjør et styringssystem 50 for en produksjonsbrønn. Styringssystemet 50 har to plankabler 52 og 54 som strekker seg ned i ringrommet 24. Bruken av to plankabler gir systemet et ytterligere redundansnivå. Med to plankabler er det ialt to hydrauliske ledninger, to elektriske kraftledninger og to kommuniaksjonsledninger som strekker seg ned i brønnen. Hver plankabel strekker seg ned i ringrommet 24 så langt som til den mest fjerne strupeventil. I en praktisk utførelse av systemet er plankablene 52 og 54 fastspent på hver sin side av utsiden av produksjonsrøret 16. På denne måte er et skadelig støt eller angrep på den ene side av produksjonsrøret mindre tilbøyelig til å skade begge plankabler.

Plankablene gjør det mulig å styre styringsmoduler 56 og 58 nede i brønnhullet, innbefattet henholdsvis strupeventilen 60 og strupeventilen 62. Styringsmodulene er integrert i produksjonsrøret 16 som enkeltvise seksjoner som tilkobles på linje for å tillate gjennomstrømning av hydrokarboner. Strupeventilene 60 og 62 styres ved hjelp av enten en hydraulisk aktuator 64 eller en elektrisk aktuator 66 som hver styres av henholdsvis en hydraulisk og en elektrisk dekoder 68 og 70. Både den hydrauliske og den elektriske aktuator deler en felles kobling til den bevegelige seksjon av strupeventilene 60 og 62.

Hver av plankablene 52 og 54 har en hydraulisk styreledning 72 eller 74, en elektrisk kraftledning 76 og en kommunikasjonsledning 78. Hver plankabel terminerer ved toppen av hver styringsmodul for så å strekke seg videre fra dens bunn. Ledningene 72, 74, 76 og 78 strekker seg gjennom styringsmodulen som kan trekke ut passende effekt og signaler.

Styringssystemet har en hydraulisk styrekrets som omfatter de hydrauliske styreledninger 72 og 74, den hydrauliske dekoder 68 og den hydrauliske aktuator 64. Styringssystemet har en elektrisk styrekrets som omfatter de elektriske kraftledninger 76, kommunikasjonsledningene 78, den elektriske dekoder 70 og den elektriske aktuator 66. Hver styrekrets er i stand til å overstyre den annen.

Hydraulisk drift av strupeventilene 60 og 62 ved hjelp av den hydrauliske styrekrets utgjør den primære styremodus for styringsmodulene 56 og 58. Et eksempel på en kombinert hydraulisk dekoder og hydraulisk aktuator 64 er vist i fig. 7. De hydrauliske styreledninger 72 og 74 mater begge hvert sitt par ventiler 80, 82 og 84, 86. Den hydrauliske styreledning 72 gir en stående hydraulisk tilførsel for styring av den hydrauliske aktuator 64. Den hydrauliske styreledning 74 gir en varierbar hydraulisk tilførsel som brukes for styring, dvs. slå den hydrauliske aktuator 64 på og av. Med henvisning til ventilene 80 og 82 er disse konfigurert slik at i fravær av den varierbare hydrauliske tilførsel, er ventilen 80 lukket (dvs. at den ikke overfører den stående hydrauliske forsyning) mens ventilen 82 er åpen (dvs. at den overfører den stående hydrauliske forsyning). Ventilen 80 er utført for å aktiveres ved 6,9 MPa (1000 psi) mens ventilen 82 er utført for å aktiveres ved 8,3 MPa (1200 psi). Dersom den hydrauliske tilførsel fra ledningen 42 økes til mellom 6,9 og 8,3 MPa aktiveres ventilen 80 til en åpen tilstand. Siden ventilen 82 allerede er åpen blir den stående hydrauliske tilførsel overført gjennom dekoderen 68 for å gi aktuatoren 64 et styresignal 88. Så snart den varierbare hydrauliske tilførsel overskrider 8,3 MPa aktiveres ventilen 82 til en lukket tilstand for således å hindre overføring av den stående hydrauliske tilførsel til aktuatoren 64. Den funksjonalitet som ventilparene 80, 82 og 84, 86 gir, kan for hvert par innlemmes i en eneste ventilenhet.

I fravær av den varierbare hydrauliske tilførsel har ventilene 84 og 86 en lignende konfigurasjon med "den ene åpen og den annen lukket". Ventilene 84 og 86 er utformet for å aktiveres ved henholdsvis 10,3 MPa (1500 psi) og 11,7 MPa (1700 psi). Den stående hydrauliske tilførsel blir derfor overført gjennom kombinasjonen av ventilene 84 og 86 når den varierbare hydrauliske tilførsel er mellom 10,3 og 11,7 MPa, for således å gi aktuatoren 64 et styresignal 90. Når aktuatoren 64 mottar styresignalet

88 aktiveres den for å åpne strupen. Når aktuatoren 64 mottar styresignalet 90 aktiveres den for å lukke strupen. Derfor er strupeutstyrets åpning og lukning en fullt ut hydraulisk operasjon. De elektriske kraft- og kommunikasjonsledninger i plankabelen er overflødige for normal hydraulisk drift av strupeutstyret. Det foretrekkes å ha en styringsmodul som åpner og lukker strupeutstyret som reaksjon på adskilte, positive signaler. Ved feil på styringsmodulen vil den på denne måte svikte i den tilstand den befinner seg i.

De hydrauliske dekodere i hver styringsmodul aktiveres ved ulike trykk som påføres av den varierbare hydrauliske tilførsel. Derfor kan et antall styringsmoduler selektivt

bringes til å arbeide ved å tilføre en passende hydraulisk forsyning langs ledningen 72.

Elektrisk drift av strupeventilene 60 og 62 ved hjelp av den elektriske styrekrets utgjør en andre styremodus for styringsmodulene 56 og 58.1 den utførelse som er beskrevet i sammenheng med fig. 6 er hver elektrisk dekoder 70 forsynt med en egen adresse. Adressering av enkeltvise dekodere på elektrisk måte er en velkjent teknikk og kommunikasjonsprotokoller og signalkoding av industristandard-type kan anvendes. Fig. 6 viser at styringsmodulene 56 og 58 får sin elektriske kraft fra de elektriske kraftledninger 76 og kommunikasjonsledninger 78 i begge plankablene 52 og 54. I den sekundære styremodus blir styringsmodulene styrt ved frembringelse av elektrisk kraft og styresignaler langs en eneste plankabel.

Det skal bemerkes at et antall aktuatorer, enten hydrauliske eller elektriske, er av-grenet fra de samme hydrauliske og elektriske ledninger. På denne måte blir antallet ledninger som fordres for å drive et antall utstyrsenheter nede i brønnhullet holdt på et minimum.

I tilfellet av en svikt i den hydrauliske styring, f.eks. forårsaket av brudd i en av plankablene 52, 54, er den primære hydrauliske styring ikke lenger mulig, fordi begge de hydrauliske ledninger 72 og 74 behøves for å adressere de enkelte hydrauliske aktuatorer. I dette tilfelle svitsjer styringssystemet 50 over til den sekundære styremodus. Dersom den hydrauliske feil oppstår på "toppsiden" (dvs. i rørhengeren eller ovenfor), kan de elektriske kraft- og kommunikasjonsledninger i enten den ene eller den annen av plankablene 52, 54 benyttes. Dersom feilen oppstår på grunn av et brudd i en plankabel, fører dette til tap av den ene av kommunikasjonsledningene 78 og da brukes kommunikasjonsledningen i den gjenværende plankabel for å styre brønnen.

En feil kan påvises på mange måter. Påvisning av tap av hydraulisk kraft i en ledning kan indikere et brudd. En posisjonsføler forbundet med en bevegelig del av strupeventilen, slik som den glidende hylse, kan angi at den ikke forflytter seg som reaksjon på instruksjoner om å gjøre det. Følere i produksjonsrøret kan angi at det ikke foreligger noen endring i trykket eller strømningsraten, eller begge deler, som reaksjon på en kommando som gis for at strupeventilen skal endre sin stilling. Feilpåvisende utstyr er anordnet for å oppdage feil og for å styre velgerutstyret slik at det svitsjer styringen fra den primære til den sekundære styremodus. Det feilpåvisende utstyr og velgerutstyret kan passende plasseres i den elektriske styreenhet 230 vist i fig. 2.

I den ovenfor beskrevne utførelse av oppfinnelsen er styringen enten utelukkende hydraulisk eller elektrisk. Den utnytter ikke elektrohydraulisk styring, hvor et elektrisk signal styrer en elektrisk styreventil som driver en hydraulisk aktuator for å regulere strupingen. En ulempe ved elektrohydraulisk styring er at den fordrer en opprettholdt frembringelse av både elektrisk og hydraulisk kraft. Svikt i en av disse får den elektro-hydrauliske styring til å svikte. I andre utførelser av oppfinnelsen kan imidlertid elektrohydraulisk styring anvendes. I en sådan utførelse er styringsmodulene 56 og 58 utstyrt med hydraulisk svitsjeutstyr for å svitsje den hydrauliske tilførsel til den hydrauliske dekoder, for mating direkte til en elektrohydraulisk'aktuator som regulerer den hydrauliske tilførsel ved å utnytte et elektrisk styresignal. Det hydrauliske svitsjeutstyr kan aktiveres ved hjelp av et elektrisk signal. Siden en eneste plankabel fører hydrauliske og elektriske kraftforsyninger og elektriske styresignaler, er elektrohydraulisk styring fortsatt mulig dersom den ene av plankablene brister eller svikter.

En rekke følere er tilknyttet strupeventilenheten. Disse vil typisk overvåke de etterfølg-ende fysiske parametre:

(i) strupeventilens stilling (eller konfigurasjon),

(ii) trykk og temperatur inne i strupeventilen (i produksjonsrøret),

(iii) trykk og temperatur i ringrommet, og

(iv) strømningsraten for hydrokarboner i produksjonsrøret.

Følerne blir overvåket og/eller utspurt lokalt av styringsmodulen på strupeenheten og den utledede informasjon sendes til SCWen. Følerne kan imidlertid fjernovervåkes og/eller fjern utspørres fra brønnhodet eller plattformen. Sådan fjernutspørring vil være praktisk for følere av optisk art, som formidler et optisk signal ved hjelp av en eller flere optiske fibre. Annet utstyr nede i brønnhullet kan drives (dvs. styres, overvåkes, eller begge deler) fra styringssystemet. Det kan passende væré integrert med styringssystemets styre- og kommunikasjonsinfrastruktur. Eksempler på sådant brønnhullsutstyr er strømningsmålere, fjernt plasserte produksjonspakninger og gassløftventiler. For reguleringsformål er det nødvendig å ha en strømningsmåler for hver sone for å måle hydrokarbonets strømningsrate i produksjonsrøret. Skjønt det også er anordnet en posisjonsføler for å påvise strupens stilling eller konfigurasjon

(åpen eller lukket), kan strupeventilens stilling bekreftes uavhengig, dersom trykket måles på både innsiden og utsiden av produksjonsrøret.

Det foretrekkes at styringsmodulene som er anordnet langs produksjonsrøret har sine elektriske styresignaler forbundet i en ringarkitektur. Dette kan betraktes i fig. 8. Hydraulisk tjenestekraft og elektrisk kraft er koblet i serie med hver styringsmodul som er "hektet inn på" de hydrauliske og elektriske kraftledninger som passerer igjennom den. Et antall styringsmoduler 810 er forbundet med plankabelen 812 som sørger for en utovergående etappe som forbinder en hovedstyring 814 plassert i SCM'en med styringsmodulene 810 i serie. En annen plankabel 816 utgjør en returetappe som løper fra den ene av styringsmodulene 810 tilbake til hovedstyringen 814. Hver plankabel har en hydraulisk kraftledning 872 eller 874, en elektrisk kraftledning 876 og en kommunikasjonsledning 878. Det skal forstås at alle styringsmodulene er plassert i et strengt serielt arrangement lags lengden av produksjonsrøret (som ikke er vist i denne figur). Plankablene er ikke fortløpende, men terminert ved hver styringsmodul for påny å starte en annen lengde til den neste styringsmodul eller til hovedstyringen.

Fig. 9 er en skjematisk anskueliggjørelse av en av styringsmodulene vist i fig. 8. De to plankabler 912 og 916 kommer inn i styringsmodulen 900 ovenfra. Plankablene 912 og 916 bærer hver sin hydrauliske kraftledning 972 og 974, elektrisk kraftledning 976 og kommunikasjonsledning 978. De hydrauliske kraftledninger 972 og 974 er ført frem til en hydraulisk dekoder 968. Dersom styringsmodulen 90 arbeider i den primære styremodus og dekoderen 968 er adressert, aktiverer den den hydrauliske aktuator 964 for å drive felles driverutstyr 902 til å endre innstillingen av strupeventilen 960.

De elektriske kraftledninger 976 og en eneste kommunikasjonsledning 978 er ført frem til en elektrisk dekoder 970. Dersom styringsmodulen 900 arbeider i den sekundære styremodus og dekoderen 970 adresseres av et elektrisk styresignal, aktiverer den den elektriske aktuator 966 for å drive det felles driverutstyr 902 til å endre innstillingen av strupeventilen 960.

En posisjonsføler 904 er forbundet med det felles driverutstyr 902 for å avføle om strupeventilen 960 er åpen eller lukket. Styringsmodulen 900 er også utstyrt med en trykkføler 906 og en temperaturføler 908 for å måle trykket og temperaturen i hydrokarbonene som strømmer i produksjonsrøret. Signaler fra alle følere 904, 906 og 908 kombineres i en multiplekser 909 for å overføres til brønnhodet, SCM'en eller plattformen over en følerkommunikasjonsledning 910.

Det skal bemerkes at skjønt plankablene avsluttes og påbegynnes ved hver styringsmodul (hvor de elektriske og hydrauliske tjenester trekkes ut), passerer de elektriske kraftledninger og hydrauliske kraftledninger tvers igjennom. Elektrisk og hydraulisk kraft blir "tappet" ved hver styringsmodul. En av kommunikasjonsledningene 978 passerer likeledes rett igjennom hver styringsmodul. Den annen kommunikasjonsledning 978 utgjør imidlertid en inngang for den elektriske dekoder 970, for å gjøre den i stand til å avgjøre om den er adressert. Så snart den elektriske dekoder 970 har analysert en rekke styresignaler, overfører den dem langs en fortsettelse av kommunikasjonsledningen 978. Ved bunnen av styringsmodulen blir ledningene 972, 974, 976 og 978 innpakket påny til plankabler 912 og 914 som skal gå til den neste styringsmodul eller til hovedstyringen.

Ved igjen å vise til fig. 8 vil nå kommunikasjonsledningenes ringarkitektur bli beskrevet. I den etterfølgende beskrivelse blir styringsmodulene 810 betegnet knutepunkter. Elektriske styresignaler kan rutes omkring ringen i begge retninger. Dersom en første plankabel brukes for å forbinde alle knutepunktene i serie fra et første knutepunkt (som er nærmest overflaten) til et n-te knutepunkt (som er nærmest brønnens "tå") mens en annen (andre) plankabel tjener som returetappe som løper fra det n-te knutepunkt til hovedstyringen, vil et brudd som skjer i den første plankabel nær overflaten fordre at, slik det kan forstås, kommunikasjonen til knutepunkter som befinner seg umiddelbart nedenfor bruddet, blir rutet nedover den andre plankabel til det n-te knutepunkt og deretter oppover den første plankabel til knutepunktet umiddelbart nedenfor bruddet. I arrangementet vist i fig. 8 har den første plankabel en første for-bindelse til det første knutepunkt 820 mens den andre plankabel har en første forbind-else til det andre knutepunkt 822. Tredje og ytterligere knutepunkter er forbundet i serie fra det første knutepunkt ved hjelp av den første plankabel. Siden alle knutepunktene er gruppert forholdsvis langt nede i brønnen, fører kobling av hovedstyringen 814 til det første og andre knutepunkt ved hjelp av forskjellige plankabler, til at den største avstand mellom et knutepunkt og hovedstyringen holdes på et minimum.

Knutepunktene tjener som forsterkere (eller "reléstasjoner") for de elektriske styresignaler. Siden kommunikasjonsledningene er ordnet i en ring mottas de elektriske styresignaler av en elektrisk prosessor i hver styringsmodul som trekker ut de styresignaler som er spesifikke for den og videresender det elektriske styresignal til den neste styringsmodul i ringen.

Hver styringsmodul mottar en elektrisk kraftforsyning fremskaffet av begge plankablene. Siden effekt bare behøver å bli trukket fra den ene av plankablene, har hver styringsmodul et arrangement av dioder for å konsolidere den elektriske kraftforsyning og hindre at elektrisk kraft strømmer fra den ene elektriske kraftledning til den annen. I en utførelse som har elektrohydraulisk styring fordres bare én hydraulisk tilførsel, og således kan de to hydrauliske kraftforsyninger konsolideres ved hjelp av analoge teknikker, slik som ved å regulere hver forsyning med en tilbakeslagsventil og kombi-nere de to forsyninger. Konsolidering av de to hydrauliske ledninger er nødvendig bare ved elektrohydraulisk styring, fordi det bare fordres én hydraulisk kraftlinje.

Strupingen kan besørges av to uavhengige styrekretser, idet den ene er hydraulisk mens den annen er elektrisk. Tap av enten hydraulisk eller elektrisk kraft vil ikke forhindre drift av strupeventilen. Dersom fullstendig redundans fordres plankablene imellom, fordres det en elektrohydraulisk styrekrets for elektrisk å svitsje den hydrauliske tilførsel for å drive strupeventilen. På denne måte kan den første plankabels funksjonalitet fullstendig gjentas i den andre, for derved å gi full redundans for hver plankabel for seg.

I det forutgående er oppfinnelsen blitt beskrevet ved anvendelse på en produksjons-brønn. Den kan likeså vel anvendes på en injeksjonsbrønn hvor vann og annet fluid pumpes inn i en region av en produksjonssone fjernt fra en region hvor det pågår uttak, i den hensikt å opprettholde trykket i produksjonssonen og skylle ut sonen. Skjønt oppfinnelsen er blitt beskrevet i sammenheng med undersjøiske brønner og installasjoner, er den ikke begrenset til sådan utnyttelse. Med passende modifikasjoner kan den brukes i en brønn på land.

Claims (20)

1. Styringssystem (50) for å styre strømningen av fluid i en brønn og som omfatter en første styrekrets (64, 68, 72), en andre styrekrets (66, 70, 76, 78), et brønnhulls-utstyr (60) og velgerutstyr for å svitsje styringen av brønnhullsutstyret fra den første styrekrets til den andre styrekrets, karakterisert ved at den ene av styrekretsene (64, 68, 72) er hydraulisk, mens den annen av styrekretsene er elektrisk (66, 70, 76, 78).

2. Styringssystem som angitt i krav 1, og hvor den første styrekrets (64, 68, 72) er fullt ut hydraulisk.

3. Styringssystem som angitt i krav 1 eller 2, og hvor den første styrekrets (64, 68, 72) har en hydraulisk aktuator (64) for styring av brønnhullsutstyret (60).

4. Styringssystem som angitt i et av de foregående krav, og hvor den andre styrekrets (66, 70, 76, 78) er fullt ut elektrisk.

5. Styringssystem som angitt i et av de forutgående krav, og hvor den andre styrekrets (66, 70, 76, 78) har en elektrisk aktuator (66) for styring av brønnhullsutstyret.

6. Styringssystem som angitt i et av kravene 1 - 3, og hvor det andre styrekrets (66, 70, 76, 78) er elektrohydraulisk.

7. Styringssystem som angitt i krav 6, og hvor den andre styrekrets (66, 70, 76, 78) har en hydraulisk aktuator for styring av brønnhullsutstyret (60) som selv styres av i det minste ett elektrisk styresignal.

8. Styringssystem som angitt i et av de forutgående krav, og hvor brønnhulls-utstyret (60) er et strupeutstyr.

9. Styringssystem som angitt i et av de forutgående krav, og hvor det foreligger flere brønnhullsutstyr (60, 62).

10. Styringssystem som angitt i krav 9, og hvor de enkelte utstyrsenheter (60, 62) eller enkelte grupper av utstyrsenheter kan velges til å arbeide.

11. Styringssystem som angitt i krav 10, og hvor de enkelte utstyrsenheter (60, 62) eller enkelte grupper av utstyrsenheter velges til å arbeide ved hjelp av en velgerlogikk, slik som ved hydraulisk adressering ved hjelp av den hydrauliske styrekrets (64, 68, 72) eller elektrisk adressering ved hjelp av den elektriske styrekrets (66, 70, 76, 78).

12. Styringssystem som angitt i et av de forutgående krav, og hvor styringen av brønnhullsutstyret (60) svitsjes fra den første styrekrets (64, 68, 72) til den andre styrekrets (66, 70, 76, 78) dersom det oppstår en feil som hindrer normal drift av brønnhullsutstyret fra den første styrekrets.

13. Styringssystem som angitt i et av de forutgående krav, og hvor brønnen er en produksjonsbrønn.

14. Styringssystem som angitt i et av de forutgående krav, og hvor brønnen er beregnet på produksjon av olje, gass eller begge deier.

15. Styringssytem som angitt i et av kravene 1 - 13, og hvor brønnen er en injek-sjonsbrønn.

16. Brønn som omfatter i det minste et styringssystem (50) som angitt i et av de forutgående krav.

17. Styringsmodul (56) for styring av brønnhullsutstyr, og som har en hydraulisk aktuator (64) og en elektrisk aktuator (66), som hver enkelt kan styre brønnhulls-utstyret.

18. Styringsmodul som angitt i krav 17, og som også omfatter brønnhullsutstyret.

19. Brønn som omfatter i det minste en styringsmodul som angitt i krav 17 eller 18.

20. Fremgangsmåte ved drift av en brønn og som omfatter trinn hvor et brønnhulls-utstyr (60) styres ved hjelp av en første styrekrets (64, 68, 72) og ved å svitsje styringen til en andre styrekrets (66, 70, 76, 78), karakterisert ved at den ene av styrekretsene (64, 68, 72) er en hydraulisk styrekrets, mens den annen av styrekretsene (66, 70, 76, 78) er en elektrisk styrekrets.