NO331313B1 - En aktuator for en undervannstrykkontrollinnretning og en fremgangsmate for noddrift av et undervannkontrollsystem - Google Patents

Abstract

En aktuator for en undervanns kontrollinnretning omfatter et hus med et bevegelig stempel som deler huset i et første og et andre kammer. Det bevegelige stempels posisjon bestemmer stillingen til et ventilelement som foretrukket er anordnet for åpning eller lukking av en passasje. Bevegelsen av stempelet mellom posisjonene kontrolleres av trykksetting av fluid i kamrene. I en første driftsmodus blir trykksettingen av fluid utført ved at fluid kommuniseres inn i et av kamrene. I en andre driftsmodus blir fluidet i ett av kamrene trykksatt ved hjelp av en pyroteknisk innretning som er anordnet i kommunikasjon med et av kamrene. Oppfinnelsen omfatter også et undervanns kontrollsystem samt en fremgangsmåte for nøddrift av aktuatoren.

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en aktuator for en undervanns trykkontrollinnretning, et undervanns kontrollsystem, og en fremgangsmåte for nødoperasjon av en aktuator.

Ved utførelse av arbeider på en undervanns hydrokarbonbrønn blir et stigerør anordnet mellom et fartøy og et brønnhode. Ved brønnhodet er det en trykkontrollenhet som muliggjør kontroll av trykket i brønnen. Også, i tilfelle av en nødfrakobling fra brønnen omfatter stigerøret en nødfrakoblingspakke (EQDP) som muliggjør rask frakobling av stigerøret i en nødssituasjon. Ventilene i trykkontrollenheten, samt konnektoren i EQDP er normalt styrt med hydraulisk trykk. Noen ventiler er vanligvis feilsikre stengt, dvs. at de er utstyrt med en fjær som tvinger ventilelementet til stengning hvis det hydrauliske trykket blir borte, mens andre er styrt til åpning og lukking. Den sistnevnte er den normale fremgangsmåten for utblåsningssikringer (BOP).

Et problem med hydrauliske systemer er at responstiden kan være på flere minutter, til og med i en nødssituasjon. Årsaken til dette er friksjonen av fluidet i de hydrauliske ledninger. Med lange ledninger, dvs. store dyp, kan responstiden være på flere minutter. Tilsvarende er også for aktuatoren som styrer konnektoren(e) i en

EQDP.

I andre systemer er noen hydrauliske akkumulatorer plassert under vann, men for store BOP systemer som krever store volumer av fluid blir størrelsen og vekten av akkumulatorene, spesielt på store dyp, et signifikant tillegg til vekten og størrelsen av BOP systemene.

Det har tidligere vært foreslått å drive ventiler i en nødssituasjon ved å bruke en eksplosiv ladning. I US patent nr. 3 766 803 er det beskrevet en ventil som har en eksplosiv ladning som trykksetter en gass som beveger ventilstammen når ladningen fyres av. IUS2002/100589 er det beskrevet et undersjøisk kontrollsystem hvor man omformer et hydraulisk styringssystem til et elektro-hydraulisk system ved at det benyttes en hydraulisk kontrollmodul og en elektro-hydraulisk kontrollmodul. US3040763 beskriver en pyroteknisk innretning for styring av BOPer og US4619111 omhandler en pyroteknisk aktuering av ventiler, mens US4174000 beskriver et ordinært kontrollsystem med bruk av to kontrollmoduler for å oppnå redundans og sikrere drift.

Formålet med oppfinnelsen er å minske tiden for nødåpning eller -lukking av en ventil til en brøkdel av dagens systemer. Aktueringen av ladningen kan utløses av en elektrisk tenner/ladning.

Formålet oppnås med et undervannskontrollsystem i henhold til selvstendige krav 1 og en fremgangsmåte i henhold til etterfølgende krav 13. Hvor ytterligere detaljer av systemet fremgår av de uselvstendige kravene og den etterfølgende beskrivelsen. I systemet i henhold til oppfinnelsen kan ventilene bli aktuert av trykkontrollert aktuering for eksempel hydraulisk aktuering i normale testing og ikke-nøds operasjoner mens en pyroteknisk aktueringsinnretning holdes som en reserve som blir brukt i en nødssituasjon hvor hurtig reaksjonstider er nødvendig.

I henhold til oppfinnelsen blir dette oppnådd ved å koble aktuatoren til en andre kilde av trykksatt fluid for eksempel hydraulisk fluid, hvor fluidet trykksettes av en pyroteknisk innretning.

I henhold til oppfinnelsen omfatter aktuatoren et hus med et bevegelig stempel som deler huset i et første og et andre kammer. Det bevegelige stempelets posisjon bestemmer stillingen til et ventilelement som foretrukket er anordnet for åpning eller lukking av en passasje eller for å utføre andre passende operasjoner. Bevegelsen av stempelet mellom posisjonene kontrolleres av trykksetting av fluid i kamrene. I en første driftsmodus blir trykksettingen av fluid utført ved kommunikasjon av fluid inn i et av kamrene. I en andre driftsmodus blir fluidet i ett av kamrene trykksatt ved hjelp av en pyroteknisk innretning som er anordnet i kommunikasjon med ett av kamrene. Den første driftsmodus kan utgjøre en arbeidsmodus mens den andre driftsmodus kan utgjøre en nødmodus. Ved å avfyre den pyrotekniske innretning blir fluidet i ett av kamrene trykksatt.

Den pyrotekniske innretning kan være innrettet på ulike måter og i en utføringsform omfatter den pyrotekniske innretning en eksplosiv ladning.

Den pyrotekniske innetning kan alternativt omfatte et gassvolum med en tenninnretning. Gassen kan være i form av en varm gass-drivladning eller en faststoff-drivladning.

I en alternativ utførelse kan den pyrotekniske innetning omfatte en trykkforsterker.

En elektrisk ladning kan benyttes som tenninnretning.

Fluid, for eksempel hydraulisk fluid, kan forsynes fra en kilde av trykksatt fluid gjennom ledninger inn til kamrene. Kilden til det trykksatte fluid kan være en undervanns pumpe eller en undervanns akkumulator eller andre passende innretninger som er i stand til å gi trykksatt fluid.

Aktuatoren kan omfatte en kontrollventil. 1 tillegg kan ventilelementet omfatte en skjærinnretning for å skjære av rør eller lignende.

I tillegg omfatter oppfinnelsen et undervanns kontrollsystem som omfatter en pumpe for forsyning av trykksatt fluid til i det minste en aktuator. Den i det minste ene aktuator omfatter et hus med et bevegelig stempel som deler huset i et første og et andre kammer. Det bevegelige stempelets posisjon bestemmer stillingen til et ventilelement som foretrukket er anordnet for åpning eller lukking av en passasje eller for å utføre andre oppgaver. Bevegelsen av stempelet mellom posisjonene kontrolleres ved trykksetting av fluid i kamrene. I en første driftsmodus blir trykksettingen av fluid utført ved at fluid kommuniseres inn i et av kamrene og i en andre driftsmodus blir fluidet i ett av kamrene trykksatt ved hjelp av en pyroteknisk innretning som er anordnet i kommunikasjon med et av kamrene. Det undervanns kontrollsystemet kan omfatte ledninger for å transportere et fluid mellom pumpen, aktuatoren og den pyrotekniske innretning.

En ventilinnretning som for eksempel en vekselventil kan være inkludert i undervanns kontrollsystemet. I en første driftsmodus blir trykksatt fluid forsynt fra pumpen til aktuatoren og ventilinnetningen er anordnet i en første operativ stilling. I en andre driftsmodus bringer avfyringen av den pyrotekniske innretningen, ventilinnretningen i en andre operativ stilling og fluid blir tilført fra den pyrotekniske innretning til aktuatoren.

Videre er en fremgangsmåte for nødoperasjon av en aktuator for en undervanns trykkontrollenhet foretrukket for å åpne eller lukke en passasje eller for å utføre andre passende operasjoner. Aktuatoren omfatter et hus med et bevegelig stempel som deler huset i et første og et andre kammer. Ved å fyre av en pyroteknisk innretning som er anordnet i kommunikasjon med ett av kamrene forårsakes en økning av trykket i ett av kamrene, og på denne måten reposisjoneres stempelet til å bevege ventilelementet (for å åpne eller lukke en passasje).

Oppfinnelsen skal nå i det følende nærmere beskrives med henvisning til de medfølgende tegninger hvor

Fig. 1 er en tegning av en ventil i henhold til oppfinnelsen,

Fig. 2 er en tegning av en andre utførelsesform av oppfinnelsen,

Fig. 3 er en tegning av en tredje utførelsesform av oppfinnelsen, og

Fig. 4 er et diagram av et undervannssystem omfattende oppfinnelsen.

I figur 1 er det vist en undervanns kontrollventilenhet 10 i henhold til oppfinnelsen. Ventilen 10 har et hus 12 i hvilket er anordnet et bevegelig stempel 14. Stempelet 14 er forbundet med et ventilelement 16 som aktueres for å stenge en passasje 18. Stempelet 14 deler huset 12 i to kamre 20 og 22. Kammeret 22 er gjennom en ledning tilkoblet en kilde for trykksatt fluid, som for eksempel et hydraulisk fluid eller et annet fluid som er passende for utførelsen. Når trykksatt fluid tilføres kammeret 22 vil det bevege stempelet og ventilelementet 16 og stenge passasjen 18. Det andre kammer 22 er på samme måte forbundet via en ledning 26 tilkoblet en kilde for trykksatt fluid. En akkumulator eller tilsvarende innretning som er tilpasset for å holde et volum av fluid, kan være tilkoblet ledningen 26. En eksplosiv ladning 30 tenner en gass i et kammer 32 for å trykksette volumet i kammer 22 for å bevege ventilelementet til den stengte stillingen. Når en nødssituasjon nødvendiggjør hurtig stengning av ventilen 10 kan den eksplosive ladning utløses. Fluidet i kammer 20

bløs av til akkumulatoren 28. Alternativt kan fluidet bløs av til sjø i en nødoperasjon. Det skal bemerkes at figuren bare beskriver de grunnleggende

prinsippene for aktueringsmetoden og en fagmann vil forstå at for den praktiske utførelsen vil det være tillagt funksjonalitet så som hydrauliske kraftenheter (HPU) for normal drift og testing, kontrollelektronikk, sensorer for overvåkning, kabler fra overflaten for energitilførsel og kommunikasjon, kontrollventiler for

Figur 2 viser en andre utføringsform av oppfinnelsen. En første sylinder 40 har et bevegelig stempel 42. En andre sylinder 44 har et bevegelig stempel 46. Stempelet 42 er tilkoblet med stempelet 46. Stempelet 42 har et mye større areal enn stempelet

46. Dette systemet er tilsvarende en trykkforsterker som er vel kjent for fagmannen. En eksplosiv ladning omfatter en gassgenerator 49 som er tilkoblet lavtrykkssiden av stempelet 42. Når den eksplosive ladning tennes vil en ekspanderende gass bevege stemplene 42 og 46 til venstre på figur 2. Dette vil trykksette et hydraulisk fluid som er tilkoblet med ventilaktuatoren, for eksempel hydraulikklinjen 22 i figur 1, for å bevege ventilelementet. Figur 3 viser en ytterligere utføringsform av oppfinnelsen. En beholder 50 har et volum for en høytrykk gass. En tenner 52 er tilkoblet beholderen. En gass til olje trykkomformer 54 er også tilkoblet beholderen 50. Omformeren er igjen tilkoblet en fluidlinje 56, slik som linjen 24 vist i figur 1. Gassen kan være en drivladningtype gass slik som den som brukes i rakettmotorer som, når antent, ekspanderer til et høyt trykk. Beholderen kan også inneholde en solid drivladning som omformes til en høytrykks gass når antent. Tenneren kan avfyres ved hjelp av lys (optopyro) eller med en elektrisk tenner. Figur 4 viser et undervanns kontrollsystem som omfatter oppfinnelsen, hvor arrangementet bruker samme aktuator og med en vekselventil som et grensesnitt mot det normale drifts hydrauliske system og nøddriftssystemet. Kontrollsystemet kan for eksempel benyttes til et overhalings- eller intervensjonssystem og alle nødvendige innretninger for drift av akkumulatorer osv. er plassert under vann, noe som eliminerer behovet for fluidlinjer (eksempelvis hydrauliske ledninger) fra fartøyet. På overflaten er der en generator 60 for å generere elektrisk kraft. Generatoren er tilkoblet en motorkontroll, for eksempel en variabel hastighetsdrift (VSD) 62. VSD kan være plassert enten på fartøyet (som vist) eller under vann. Et avbruddssikkert kraftsystem 64 kan være innordnet i systemet for nødtilførsel av elektrisk kraft. En kabel 66 forbinder kraftforsyningen med en motor 68 anordnet under vann. Motoren 68 driver en pumpe 70. Et reservoar 72 inneholder et volum av fluid, for eksempel hydraulisk fluid, som er det normale arbeidsfluid brukt til aktuering av undervanns innretninger, dvs. ventiler. Når motoren startes vil trykksatt fluid strømme igjennom rørledningen 74 til et antall aktuatorer 80 (kun en er vist), hver kontrollert av en kontrollventil 82, 83, 84. Aktuatoren 80 har samme funksjon som aktuatoren 20 vist på figur 1. En andre fluidledning 75 forbinder fluidledningen 74 med akkumulator(er)76 for eksempel for hydraulisk fluid. En kontrollventil 78 styrer fluidtilførselen til og fra akkumulatoren(e). På denne måten

kan trykksatt fluid dirigeres til aktuatorene enten direkte fra pumpen 70 eller fra akkumulatoren 76.

En fluidledning 86 forbinder forsyningslinjen 74 for fluid med aktuatoren 80 via kontrollventilen 82. Idet det henvises til figur 1 vil det forstås slik at når kontrollventilen 82 åpnes, vil trykksatt fluid strømme til det første kammer 22 av aktuatoren og bevege ventilelementet 16 fra en første stilling til en andre stilling. En ventilinnretning så som en enveis/vekselventil 90 er forbundet med fluidledningen 86. En fluidledning 88 forbinder vekselventilen 90 med en pyro-aktuert innretning 92, som kan være av den typen beskrevet med henvisning til figur 2-3.

Under normal drift vil aktuatoren 80 drives av fluidtrykk (hydraulisk trykk) forsynt enten direkte fra pumpen eller fra akkumulatoren(e). Ventilen 90 har et bevegelig element 91 som holdes fra et sete 93 av det trykksatte fluid under normal drift. I en nødssituasjon kan den eksplosive ladning utløses. Dette vil sende trykksatt fluid gjennom ledningen 88, ventilen 90 og ledningen 86 til aktuatoren 80 for hurtig å lukke (eller åpne) ventilen. Når dette skjer vil det bevegelige element 91 beveges mot ventilsetet 93 i ventilen 90. Dette stenger av fluid i ledningen 74 og hindrer et baktrykk mot pumpen.

En returledning (ikke vist) kan være bygget inn i systemet for å tømme den andre siden av stempelet (kammer 20 i figur 1) inn i akkumulatorene eller tilbake til reservoaret 72.

Pumpen kan være en variabel fortrengingspumpe som operer på et høyt turtall.

Under normal drift fungerer systemet som et vanlig undervanns HPU/hydraulisk kontrollsystem. Det pyrotekniske systemet gir feilmodi som er uavhengig av hydraulikken og vil gi rask operasjon av ventilen når det kreves. Den pyrotekniske innretning kan være utstyrt med redundante initiatorer tilkoblet som separate moduler på det distribuerte kontrollsystem. Den pyrotekniske innretning kan enten være tilkoblet hver aktuator (som vist) eller være felles for systemet. Imidlertid er separate innretninger foretrukket siden ikke alle ventiler behøver å utstyres med nødinnretningen.

Ventilen kan være utstyrt med en skjæreinnretning for å skjære av rør, vaiere osv. som kan befinne seg i passasjen 18 (figur 1) i nødssituasjonen. Skjæringen kan være drevet av en pyrotekniske aktuering, og tetningsdelen av ventilen kan være drevet av trykksatt fluid, så som hydraulisk fluid, etter skjæreoperasjonen.

Claims (13)

1. Et undervanns kontrollsystem som omfatter en pumpe for forsyning av trykksatt fluid til i det minste en aktuator (80), hvor aktuatoren omfatter et hus med et bevegelig stempel som deler huset i et første og et andre kammer, hvor stempelets posisjon bestemmer stillingen til et ventilelement som foretrukket er anordnet for åpning eller lukking av en passasje, hvor bevegelsen av stempelet mellom posisjonen kontrolleres ved trykksetting av fluid i ett av kamrene, hvori trykksettingen er tilveiebragt ved kommunikasjon av fluid gjennom en fluid ledning (86) inn i aktuatorens kamre, en ventilinnretning (90) tilveibringer kobling mellom fluidledningen (86) og en første ledning (74) eller mellom fluidledningen (86) og ytterligere en fluidledning (88),karakterisert vedat den ytterligere fluidledning (88) kobler en pyroteknisk innretning (92) til ventilinnretningen (90), og den pyrotekniske innrentningen (92) styrer fluid tilførselen fra den ytterligere fluidledningen (88) gjennom ventilinnretningen og fluidledningen (86) inn i et av aktuatorens kamre.

2. Et undervanns kontrollsystem som angitt i krav 1, karakterisert vedat den pyrotekniske innretning (92) omfatter en eksplosiv ladning.

3. Et undervanns kontrollsystem som angitt i krav 1 eller 2,karakterisert vedat avfyringen av den pyrotekniske innretning (92) trykksetter fluid i ett av kamrene.

4. Et undervanns kontrollsystem som angitt i ett av de foregående krav,karakterisert vedat den pyrotekniske innretningen (92) omfatter et volum av gass og en tenningsinnretning.

5. Et undervanns kontrollsystem som angitt i krav 4, karakterisert vedat gassen består av en varm gass-drivladning eller en faststoff-drivladning.

6. Et undervanns kontrollsystem som angitt i ett av de foregående krav,karakterisert vedat den pyrotekniske innretning omfatter en trykkforsterker.

7. Et undervanns kontrollsystem som angitt i ett av de foregående krav,karakterisert vedat fluidet er et hydraulisk fluid.

8. Et undervanns kontrollsystem som angitt i ett av de foregående krav,karakterisert vedat kilden til trykksatt fluid er en undervanns pumpe.

9. Et undervanns kontrollsystem som angitt i ett av de foregående krav,karakterisert vedat kilden til trykksatt fluid er en undervanns akkumulator.

10. Et undervanns kontrollsystem som angitt i ett av de foregående krav,karakterisert vedat den omfatter en kontrollventil.

11. Et undervanns kontrollsystem som angitt i ett av de foregående krav,karakterisert vedat ventilelementet omfatter en skjærinnretning for avskjæring av rør.

12. Et undervanns kontrollsystem som angitt i ett av de foregående krav,karakterisert vedat - i en første driftsmodus blir trykksatt fluid tilført fra pumpen til aktuatoren og ventilelementet er anordnet i en første operativ stilling, -i et andre driftsmodus bringer avfyringen av den pyrotekniske innretningen ventilelementet til en andre operativ stilling.

13. Fremgangsmåte for nøddrift av et undervanns kontrollsystem slik dette angis i krav 1,karakterisert vedat avfyring av den pyroteknisk innretningen (92) forårsaker at trykksatt fluid strømmer gjennom den ytterligere fluidledningen (88) og åpner ventilinnretningen (90) for kommunikasjon av fluid fra den ytterligere fluidledningen (88) til fluidledning (86) inn i et av aktuatorens kamre.