NO333538B1 - Rorekspansjonsapparat og fremgangsmate for ekspandering av ror - Google Patents

Abstract

Det beskrives et rørekspansjonsapparat og en fremgangsmåte ved bruk av samme, hvor rørekspansjonsapparatet omfatter: en ekspansjonsanordning som skal føres frem gjennom en lengde av et ekspanderbart rør for å ekspandere røret fra en mindre, første diameter til en større, andre diameter, hvor ekspansjonsanordningen er tilpasset til å sykle mellom en første utforming med mindre diameter og en andre utforming med større diameter; middel til sykling av anordningen mellom nevnte utforminger; og middel til fremføring av syklemidlet gjennom røret.

Description

RØREKSPANSJONSAPPARAT OG FREMGANGSMÅTE FOR EKSPANDERING AV RØR

Denne oppfinnelse vedrører rørekspansjon og særlig et ekspansjonsverktøy og en fremgangsmåte for ekspandering av rør nede i borehull.

Industrien for leting etter og produksjon av olje og gass gjør stadig mer bruk av ekspanderbare rør til bruk som, for eksempel, fdringsrør og forlengningsrør, i område-pakninger og som støtte for ekspanderbare sandskjermer. Rørene kan være slisset, slik som de rør og sandskjermer som selges av søker under varemerkene EST og ESS, eller de kan ha massiv vegg. Ulike former for ekspansjonsverktøyer er blitt benyttet, innbefattet ekspansjonskonuser og spindler som blir skjøvet eller trukket gjennom rør av mekaniske eller hydrauliske krefter. Disse fremgangsmåter krever imidlertid typisk overføring av betydelige krefter fra overflaten, og dessuten er det vanskeligheter forbundet med å bruke hydrauliske krefter ved ekspandering av slissede rør; nærværet av slisser i det uekspanderte rør hindrer bruk av hydrauliske krefter for å drive konusen eller spindelen gjennom røret. En rekke av de vanskeligheter som er forbundet med ekspansjonskonuser og spindler kan unngås ved bruk av roterende ekspansjons-verktøyer som oppviser ruller som strekker seg radialt, hvilke blir tvunget utover til rullende kontakt med det rør som skal ekspanderes, mens verktøyet roteres og føres frem gjennom røret. Det er imidlertid funnet ut at dreiemomentene forårsaket av slike roterende verktøyer, kan forårsake vridning i det ekspanderbare rør, særlig i slisset rør.

Publikasjonen WO/0138693 beskriver en slik kjent rørekspansjonsinnretning hvor et antall kiler er glidbart montert på en bikonisk hylse, hvor bevegelse av kilene i forhold til hylsen bevirker at kilene beveges utover for å ekspandere et rør.

Publikasjonen US 3,477,506 beskriver en rørekspansjonsanordning som er innrettet til å kunne føres gjennom et rør for å ekspandere røret.

Publikasjonen US 2,970,651 beskriver et oppblåsbart anker for bruk i en brønn.

Det er blant formålene med utførelser av den herværende oppfinnelse å tilveiebringe en fremgangsmåte og et apparat for ekspandering, hvilke forebygger eller minsker disse vanskeligheter.

Ifølge et første aspekt ved den herværende oppfinnelse er det tilveiebrakt et rør-ekspansjonsapparat, hvilket apparat omfatter: en ekspansjonsanordning for fremfø-ring gjennom en lengde av et ekspanderbart rør for å ekspandere røret fra en mindre første diameter til en større andre diameter, hvilken anordning er tilpasset for å sykle mellom en første utforming med mindre diameter og en andre utforming med større diameter; et trykkpåvirkelig element til sykling av anordningen mellom nevnte utforminger; og krafttilførselselement til fremføring av den syklende ekspansjonsanordningen gjennom røret.

Anordningen kan omfatte et hult, fleksibelt legeme, hvor legemets dimensjoner kan varieres som reaksjon på variasjoner i innvendig flu id trykk. Legemet er fortrinnsvis elastomerisk. Legemet kan bære stive elementer som skal gå i kontakt med en innvendig flate av røret.

Ifølge et andre aspekt ved den forliggende oppfinnelse er det tilveiebrakt en fremgangsmåte for ekspandering av rør, hvilken fremgangsmåte omfatter: tilveiebringelse av en lengde av ekspanderbart rør med en første diameter; plassering av en ekspansjonsanordning i røret; sykling av ekspansjonsanordningen mellom en første utforming med mindre diameter og en andre utforming med større diameter ved bruk av et trykkpåvirkelig element, hvor ekspansjonsanordningen i nevnte andre utforming beskriver en større diameter enn nevnte første rørdiameter, slik at røret blir ekspandert til en større andre diameter; og fremføring av den syklende ekspansjonsanordningen gjennom røret.

Anordningen blir fortrinnsvis syklet i det minste én gang i sekundet.

Ekspanderingsoperasjonen blir fortrinnsvis utført nede i borehullet.

Impulsene kan tilveiebringes ved hvilket som helst egnet middel, og oppfinnelsen sør-ger derfor for fleksibilitet i det spekter av apparater og støtter som kan benyttes for å ekspandere rør nede i borehull. Impulsene kan frembringes hydraulisk, for eksempel ved at fluid pumpes gjennom en ventil eller annen varierbar strømningsbegrensning, slik at variasjonen i strømning gjennom begrensningen forårsaker en variasjon i fluidtrykk. Det resulterende, varierende fluidtrykk kan virke direkte på ekspansjonsverk- tøyet, eller indirekte via en dempestuss eller lignende. Én utførelse av oppfinnelsen kan innebære kombinering av en tradisjonell hydraulisk hammer med en ekspansjonskonus forsynt med en ambolt eller annet arrangement som skal samvirke med hammeren, muligens også i kombinasjon med et egnet antall vektstusser. Alternativt, eller i tillegg, kan det benyttes en vekselbevegelig eller på annet vis bevegelig masse, hvilken masse beveger seg frem og tilbake som reaksjon på en styrt, varierende strøm av hydraulisk fluid og støter mot ekspansjonsverktøyet, typisk via en ambolt. Det fore-trekkes at impulskraften skapes i tilstøting til ekspansjonsverktøyet for å begrense svekking. Da slike arrangementer ikke ville kreve en fluidtetning mellom ekspansjons-verktøyet, typisk i form av en ekspansjonskonus, og røret, tillater disse utførelser av oppfinnelsen ekspandering av slissede rør ved hjelp av hydraulisk aktivert apparat. Bruken av hydraulisk trykk for å forårsake eller skape impulser eller slag, vil dessuten være tilbøyelig til å tillate ekspansjon av rør ved bruk av lavere trykk enn de som kre-ves for å drive en ekspansjonskonus gjennom rør ved bruk av tradisjonelle fremgangsmåter; det benyttede apparat kan derfor være klassifisert for drift med lavere trykk og kan være mindre komplekst og mindre kostbart.

Andre utførelser kan benytte mekanisk aktivering, for eksempel kan en roterende aksel være forbundet med ekspansjonsverktøyet via en egnet kamprofil. I en foretrukket utførelse er en roterende aksel koplet til en frem- og tilbakebevegelig masse via et kamarrangement, slik at rotering av akselen påvirker massen til å støte mot ekspan-sjonsverktøyet. Massen kan være fjærmontert, idet fjæren er tilbøyelig til å forspenne massen mot verktøyet. Massen kan være sperret mot rotasjon i forhold til akselen og kan være splinekoplet eller koplet på annet vis til akselen. Rotasjon av akselen kan oppnås ved hvilket som helt egnet middel, for eksempel ved et toppdrevet rotasjons-system eller et rotasjonsbord på overflaten, ved en fortrengningsmotor (PDM) eller annen form for hydraulisk nedihullsmotor eller av en elektrisk nedihullsmotor.

Alternativt kan det benyttes elektrisk eller magnetisk aktivering, for eksempel kan det fremstilles et magnetimpulsfelt for å fremkalle vekselbevegelse av en magnetisk masse som støter mot ekspansjonsverktøyet, eller det kan tilveiebringes en piezokeramisk stabel eller magnetostriktive materialer som utvider seg eller trekker seg sammen som reaksjon på påførte elektriske potensialer.

Siden ekspansjonsverktøyet ikke kun blir skjøvet eller trukket gjennom røret med en i det vesentlige konstant forhøyet kraft påført via verktøystøtten, behøver verktøystøt-ten kanskje ikke nødvendigvis kunne overføre en trykk- eller strekkraft i størrelsesor-den lignende den kraft som påføres verktøyet for å oppnå ekspansjon. Dette gjør det lettere å bruke lettere, spolbare støtter, slik som kveilrør, og kan tillate bruk av en brønntraktor for å føre frem ekspansjonsverktøyet gjennom røret.

Ekspansjonsverktøyet kan være tilveiebrakt i kombinasjon med et ytterligere ekspan-sjonsverktøy og særlig et ytterligere ekspansjonsverktøy som benytter en annerledes ekspansjonsmekanisme. I én utførelse kan et rulleelementekspansjonsverktøy være tilveiebrakt ovenfor en ekspansjonskonus, hvilket påføres impulser eller støt, hvor den ledende ekspansjonskonus tilveiebringer en innledende grad av ekspansjon og det etterfølgende rulleelementekspansjonsverktøy tilveiebringer en ytterligere grad av ekspansjon. Hvis rulleelementekspansjonsverktøyet er forsynt med ett eller flere radialt bevegelige rulleelementer, byr et slikt arrangement på den fordel at ekspansjons-verktøyene er lettere å trekke opp igjen; røret vil ha blitt ekspandert til en større diameter enn ekspansjonskonusen som normalt har fast diameter.

Hvor ekspansjonsverktøyet er i form av en ekspansjonskonus, kan konusvinkelen velges slik at fremføring av konusen gjennom røret blir holdt igjen. Hvor konusvinkelen er brattere, kan rørets tendens til elastisk å trekke seg sammen mellom støt være tilstrekkelig til å overvinne enhver rest av påført kraft eller vekt og friksjonen mellom konusen og røret, og således skyve konusen tilbake. Slike vanskeligheter kan imidlertid overvinnes gjennom hensiktsmessig valg av konusvinkel eller ved påføring av vekt eller tilveiebringelse av et skralle- eller holdekilearrangement.

Impulsene blir fortrinnsvis påført ekspansjonsverktøyet med en frekvens på minst én syklus pr. sekund og mest fortrinnsvis med en frekvens på mellom 10 og 50 Hz. Om ønskelig eller hensiktsmessig kan høyere frekvenser benyttes, og ved visse anvendelser kan faktisk ultralydfrekvenser være hensiktsmessig.

Ved eksisterende anvendelser nede i borehull, hvor hvilken som helst betydelig lengde av rør skal ekspanderes, er det hensiktsmessig at ekspansjonsverktøyet beveger seg frem gjennom boringen med en hastighet på omtrent 3 meter (10 fot) pr. minutt. For denne fremføringshastighet er frekvensen for impulsene eller støtene som påføres verktøyet, fortrinnsvis i området 20 Hz, da dette er lik en bevegelsesstrekning for verktøyet på rundt 2,5 mm pr. støt. Ved enhver betydelig saktere frekvens blir den bevegelse av verktøyet pr. støt som er nødvendig for å oppnå den foretrukne fremfø-ringshastighet, vanskelig å oppnå.

Apparatet avgrenser fortrinnsvis en gjennomgående boring som skal tillate fluidforbin-delse gjennom apparatet, og som skal tillate verktøyer og anordninger, slik som fiske-verktøyer eller sementeringsplugger, å bli ført gjennom apparatet.

I utførelser av oppfinnelsen benyttet til å ekspandere massiweggede eller ellers fluid-tette rør, kan impulsekspansjonsmekanismen støttes ved at det indre av røret påføres forhøyet fluidtrykk i ekspansjonsverktøyets område, som beskrevet i vår samtidig ver-serende PCT-patentsøknad PCT/GB01/04958, hvis beskrivelse innbefattes i dette skrift gjennom henvisning. I slike utførelser kan fluidtrykkraften tilveiebringe en rørekspan-sjonskraft som nærmer seg rørets strekkgrense, slik at tilleggsekspansjonskraften som tilføres av ekspansjonsverktøyet og er nødvendig for å fremkalle flyt og tillate ekspandering av røret, er relativt lav. Det forhøyede trykk kan være tilstede på et i det vesentlige konstant nivå, eller det kan tilveiebringes i form av pulser, tidsregulert til å være sammenfallende med impulsene til ekspansjonsverktøyet.

Disse og andre aspekter ved den herværende oppfinnelse vil nå bli beskrevet, bare som eksempel, idet det henvises til de medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 er et oppriss, delvis i snitt, av et rørekspansjonsapparat i overensstemmelse med en første utførelse av den herværende oppfinnelse; Fig. 2 er en skjematisk illustrasjon av et rørekspansjonsapparat i overensstemmelse med en andre utførelse av den herværende oppfinnelse; og Fig. 3 er en skjematisk illustrasjon av et rørekspansjonsapparat i overensstemmelse med en tredje utførelse av den herværende oppfinnelse. Fig. 1 på tegningene illustrerer et rørekspansjonsapparat 10 som brukes for å ekspandere en ekspanderbar sandskjerm 12 nede i et borehull. Skjermen 12 omfatter et me-tallnett som ligger som et lag (sandwiched) mellom to slissede metallrør, og selges av søker under varemerket ESS. Apparatet 10 er tilpasset for montering på den nedre

ende av en egnet støtte, hvilken kan være i form av en streng av borerør.

Den øvre ende av apparatet 10 oppviser en drivstuss 14 som er forsynt med en egnet øvre kopling 16 for tilkopling til den nedre ende av borerøret, som angitt ovenfor. En aksel 18 er koplet til den nedre ende av drivstussen 14, idet den nedre ende av akselen 18 tilveiebringer feste for en ekspansjonskonus 20 via et egnet aksial- og radiallager 22. Montert rundt akselen 18 finnes en frem- og tilbakebevegelig masse 26, med et glidende radiallager 28 tilveiebrakt mellom massen 26 og akselen 18.1 tillegg strekker tre drivhaker 30 seg radialt fra akselen for å gå i inngrep med respektive bøl-geformede kamspor 32 tilveiebrakt i den indre flate av den ringformede masse 26. Hvert spor 32 strekker seg 360° rundt massens 26 indre flate.

Den nedre ende av massen 26 oppviser kreneleringer 36 som går i inngrep med mot-svarende kreneleringer 38 på en ambolt avgrenset av den øvre flate av ekspansjonskonusen 20. Kreneleringene 36, 38 hindrer innbyrdes rotasjonsbevegelse mellom massen 26 og konusen 20, men tillater en grad av innbyrdes aksial bevegelse mellom disse, slik det vil bli beskrevet.

Montert rundt akselen 18 og i inngrep med den øvre ende av massen 26, finnes en massereturfjær 40, og et aksiallager 42 er tilveiebrakt mellom den øvre ende av fjæren 40 og drivstussen 14.

Apparatet 10 avgrenser en gjennomgående boring 44 som tillater fluider og andre anordninger å passere gjennom apparatet 10. Apparatet 10 behøver således ikke fjer-nes fra boringen for å tillate, for eksempel, en sementeringsoperasjon å bli utført.

I bruk blir apparatet 10 montert på en egnet støtte som, som angitt ovenfor, kan ha form av en streng av borerør. Apparatet 10 blir deretter kjørt inn i boringen for å gå i inngrep med den øvre ende av den uekspanderte sandskjerm 12. Sandskjermen 12 kan ha blitt installert i boringen tidligere, eller den kan bli kjørt inn sammen med apparatet 10 når den er tilveiebrakt i kombinasjon med egnet innkjøringsapparat.

Med konusen 20 i inngrep med den øvre ende av sandskjermen 12, blir støttestrengen deretter rotert med en hastighet på mellom 500 og 600 omdreininger per minutt, slik at akselen 18 også roterer. Konusen 20 blir hindret fra å rotere av friksjonen mellom den ytre flate av konusen 20 og den indre flate av sandskjermen 12. På grunn av inn-grepet mellom kreneleringene 36, 38, er massen 26 også hindret fra å rotere. På grunn av samvirket mellom drivhakene 30 og de respektive kamspor 32, blir imidlertid massen 26 tvunget til å bevege seg frem og tilbake, som beskrevet nedenfor.

Sporene 32 angir en bølgeform innbefattende et skrånende parti 40 og et i det vesentlige vertikalt parti 42, slik at når hakene 30 beveger seg langs de respektive skrånende partier 40, blir massen 26 beveget oppover, mot virkningen av fjæren 40. Når hakene 30 når den nedre ende av de i det vesentlige vertikale sporpartier 42, beveger fjæren 40 massen 26 nedover for å støte mot den øvre flate av konusen 20. Sporene 32 er innrettet til å tilveiebringe fire slike støt pr. rotasjon, slik at rotasjon av akselen 18 med mellom 500 og 600 omdreininger per minutt får massen til å bevege seg frem og tilbake med en frekvens på mellom 2000 og 2400 sykluser pr. minutt (33 til 40 Hz).

De resulterende støt på konusen 20 driver konusen 20 nedover gjennom sandskjermen 12 med små steg, typisk på rundt 1,25 til 1,5 mm (for å gi en gjennomsnittlig konusfremføringshastighet på omkring 3 meter pr. minutt), hvorved den ekspanderer sandskjermen 12 fra dennes innledende første diameter til en større andre diameter.

Bruken av støt eller impulser for å drive konusen 20 gjennom røret 12, er tilbøyelig til å redusere den vekt som må påføres apparatet 10 for å drive konusen 20 gjennom røret 12 sammenlignet med et tradisjonelt konusekspansjonsapparat. Dette gir større fleksibilitet i valg av støttestreng for apparatet 10 og måten å påføre kraft eller vekt på konusen 20 på. I den ovenfor beskrevne utførelse blir det vist til en støttestreng av borerør som roteres fra overflaten. I andre utførelser av den herværende oppfinnelse kan imidlertid apparatet 10 være montert på en spolbar støtte, slik som kveilrør. I en slik utførelse kan rotasjon tilveiebringes med en egnet nedihullsmotor, slik som en fortrengningsmotor (PDM) eller en elektrisk motor. Apparatet kan for øvrig også tilveiebringes i kombinasjon med en traktor for å sørge for drivkraft til apparatet.

I utførelsen beskrevet ovenfor tilveiebringer ekspansjonskonusen 20 hele ekspan-sjonsvirkningen, men i alternative utførelser kan en ekspansjonskonus være tilveiebrakt i kombinasjon med et ytterligere ekspansjonsverktøy for å frembringe ytterligere ekspansjon av sandskjermen 12. For eksempel kan et rulleelementekspansjonsverktøy være tilveiebrakt for å følge bak ekspansjonskonusen.

Det vises nå til fig. 2 på tegningene, hvilken er en skjematisk illustrasjon av et rør-ekspansjonsapparat 50 i overensstemmelse med en andre utførelse av den herværende oppfinnelse, plassert i ekspanderbart, massivvegget fdringsrør 52. Apparatet 50 omfatter en støthammer 54 som leverer impulser til en ekspansjonskonus 56 forsynt med en ambolt 58, og som virker til å tilveiebringe ekspansjon på en i det vesentlige lignende måte som den først beskrevne utførelse. Apparatet 50 er imidlertid tilpasset for å tillate tilveiebringelse av en hydraulisk ekspansjonskraft i tillegg, slik det vil bli beskrevet.

Apparatets 50 ledende ende innbefatter en tetning 60 som er tilpasset for å tilveiebringe en glidende, fluidtett tetning mot den indre flate av det uekspanderte fdringsrør 52 forut for konusen 56. Fluidvolumet ovenfor tetningen 60, i hvilket ekspansjonskonusen 56 er plassert, kan således trykksettes for å skape en tilleggsekspansjons-kraft. Den hydrauliske ekspansjonskraft kan velges til å tilveiebringe en ekspansjonskraft som nærmer seg fdringsrørets 52 strekkgrense, slik at den tilleggsekspansjons-kraft som tilføres av ekspansjonskonusen 56, og som er nødvendig for å fremkalle flyt og tillate ekspandering av fdringsrøret 52, er relativt lav. I praksis vil imidlertid den hydrauliske trykkraft og ekspansjonskraften tilveiebrakt av konusen 56 bli bestemt under hensyntagen til lokale forhold, innbefattende de fysiske egenskaper ved det fdringsrør som skal ekspanderes, trykkgrensen for fdringsrørkoplingene og tetninge-nes og pumpenes kapasitet.

Det vises nå til fig. 3 på tegningene, hvilken er en skjematisk illustrasjon av et rør-ekspansjonsapparat 70 i overensstemmelse med en tredje utførelse av den herværende oppfinnelse. Apparatet 70 ligner generelt apparatet 50 beskrevet ovenfor, og innbefatter i tillegg et arrangement 72 som skal tilveiebringe trykkpulser tidsregulert til å være sammenfallende med impulsene eller støtene fremstilt av en støthammer 74.

I dette eksempel støter hammeren 74 mot et stempel 76 tilveiebrakt i en ambolts 78 flate, hvilket stempel 76 virker på fluid i et kammer 80 inne i ambolten 78, slik at trykksatt fluid strømmer ut av kammeret 80 via porter 82 ved hvert støt fra hammeren 74. Sett av tetningssplittringer 84, 85 av stål er tilveiebrakt på apparatet 70 nedenfor og ovenfor portene 82 og er tilpasset for å tilveiebringe en glidende tetning mot henholdsvis uekspandert fdringsrør 86 forut for ekspansjonskonusen 88 og det ekspanderte fdringsrør bak konusen 88.1 tillegg til det foreliggende, forhøyede hydrauliske trykk, holdt av en tetning 90 i apparatets ledende ende, vil således det parti av fdringsrøret 86 som skal ekspanderes, bli utsatt for tilleggstrykkpulser, hvilke ytterligere letter ekspandering av fdringsrøret 86.

De hydrauliske tilleggsekspansjonskrefter som fdringsrøret 86 utsettes for, virker til å redusere den andel av ekspansjonskraften som ellers ville måtte bli fremstilt mekanisk ved konusen 88.

Claims (6)

1. Rørekspansjonsapparat (70) som omfatter: en ekspansjonsanordning (88) som skal føres frem gjennom en lengde av et ekspanderbart rør (86) for å ekspandere røret (86) fra en mindre, første diameter til en større, andre diameter,karakterisert vedat anordningen (88) er tilpasset til å sykle mellom en første utforming med mindre diameter og en andre utforming med større diameter; et trykkpåvirkelig element (72) til sykling av anordningen (88) mellom nevnte utforminger; og krafttilførselselement til fremføring av den syklende ekspansjonsanordningen (88) gjennom røret (86).

2. Apparat (70) ifølge krav 1, hvor anordningen (88) omfatter et hult, fleksibelt legeme, hvor legemets dimensjoner er varierbare som reaksjon på variasjoner i innvendig fluidtrykk.

3. Apparat (70) ifølge krav 2, hvor at legemet er elastomerisk.

4. Apparat (70) ifølge krav 2 eller 3, hvor legemet bærer stive elementer som skal gå i kontakt med en innvendig flate av røret (86).

5. Fremgangsmåte for ekspandering av rør (86),karakterisertved at fremgangsmåten omfatter: tilveiebringelse av en lengde av ekspanderbart rør (86) med en første diameter; plassering av en ekspansjonsanordning (88) i røret; sykling av ekspansjonsanordningen (88) mellom en første utforming med mindre diameter og en andre utforming med større diameter ved bruk av et trykkpåvirkelig element (72), hvor ekspansjonsanordningen (88) i nevnte andre utforming beskriver en større diameter enn nevnte første rørdiameter, slik at røret (86) blir ekspandert til en større, andre diameter; og fremføring av den syklende ekspansjonsanordningen (88) gjennom røret (86).

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, hvor at ekspansjonsanordningen (88) sykles i det minste én gang i sekundet.