NO334038B1 - Nedihulls utløsersystem basert på elektroaktive fluider. - Google Patents

Description

OPPFINNELSENS BAKGRUNN

Oppfinnelsens område

Foreliggende oppfinnelse gjelder brønnboringsteknikk. Spesielt gjelder oppfinnelsen fremgangsmåter og apparater for fjernstyring av arbeidsfunksjonen for nedhullsverktøyer.

Beskrivelse av beslektet teknikk

I søk etter dypt beliggende økonomiske mineraler og fluider, slik som hydro-karboner, innbærer jordboringsteknikken mange fysiske prosesser som blir utført fjerntliggende og under farefylt og i blant truende forhold. Hydrokarbonproduserende borehull kan f.eks. ha en dybde på mer enn 7620 m (25.000 fot) og ha et bunn-hullstrykk på mer enn 68,95 MPa (10.000 psi), samt en bunnhullstemperatur over 148,89 °C (300 °F).

Overføring av effekt og reguleringssignaler til dynamiske verktøyer som arbeider nær borehullets bunn er en utfordrende ingeniøroppgave. Visse verktøyer og omstendigheter tillater å sette den indre strømningsutboring i et rør eller en rørledningsstreng under trykk eller annet brønnarbeidingsfluid. Bibeholdt høyt trykk kan brukes for å forskyve muffe- eller stempel-elementer inne i arbeidsstrengen. Under andre forhold kan en pumpet sirkuleringsstrømning av arbeidsfluid langs rørboringen brukes for å drive en nedhulls fluidmotor eller elektrisk generator.

Overføring av driftskommandoer til nedhulls maskineri ved hjelp av en kodet sekvens av trykkpulser som forplantes langs borebrønnsfluidet er blitt brukt for å signalere begynnelse eller slutt av en arbeidsprosess som utføres mekanisk ved hjelp av batterieffekt, slik som åpning eller lukking av en ventil. Også tidligere kjent innenfor fagområdet er den teknikk som går ut på å bruke borebrønnstrykk på stedet for effektforsyning til driften av et mekanisk element, slik som en brønnpakning eller glideelement.

Alle disse tidligere kjente innretninger for effektforsyning og signaloverføring er nyttige i spesielle omgivelser og anvendelser. Utfordringene ved dypbrønnsutboring er imidlertid mange og forskjelligartede. Nye verktøyer, prosedyrer og nedhullsforhold utvikles raskt. De som praktiserer dette tekniske område er følgelig kontant på søk etter nye og bedre innretninger og prosedyrer for å effektforsyne eller aktivere en nedhullsmekanisme.

"Regulerbare fluider" er materialer som reagerer på et påtrykte elektrisk eller magnetisk felt med en forandring av sin reologiske atferd. Denne forandring manifesteres typisk når fluidene utsettes for skjærpåvirkning og utvikling av en flyte-spenning som er mer eller mindre proporsjonal med størrelsen av det påtrykte felt. Disse materialer blir vanligvis betegnet som elektroreologiske (ER) eller magneto-reologiske (MR) fluider. Interessen for regulerbare fluider er blitt utledet fra deres evne til å frembringe enkle, stillevirkende og raskt reagerende grensesnitt mellom elektroniske regulatorer og mekanisk utstyr. Regulerbare fluider har potensiale til å frembringe radikal forandring med hensyn til den måte elektromekaniske innretninger blir konstruert og drevet.

MR-fluider er ikke-kolloidale oppslemminger av polariserbare partikler som har en størrelse av størrelsesorden noen får um Typiske bærefluider for magnetisk reagerende partikler omfatter hydrokarbonolje, silikonolje og vann. Partiklene i bære rf lu idet kan utgjøre 25-45% av det totale blandingsvolum. Slike fluider reagerer på et påtrykt magnetfelt med å forandre sin reologiske atferd. Polarisering som induseres i de oppslemmede partikler ved påføring av et ytre felt bringer partiklene til å danne kolonnestrukturer parallelt med det påtrykte felt. Disse kjedelignende strukturer begrenser fluidets bevegelse, og øker derved oppslemmingens viskøse egenskaper.

ER-systemer er også ikke-kolloidale oppslemminger av polariserbare partikler med en størrelse av størrelsesorden noen få ujti. Med påtrykt effekt vil imidlertid noen av disse fluider ha en volumutvidelse på 100%. Visse formuleringer, egenskaper og karakteristiske trekk ved regulerbare fluider er blitt gitt av forfatterne Mark R. Jolly, Jonathan W. Bender og J. David Carlson i deres publikasjon med tittelen " Properties and Application of Commercial Magnetorheological Fluids", SPIE 5. årlige internasjonale symposium angående "Smart Structures and Marerials", San Diego, CA, mars, 1998, hvis innhold tas inn her som referanse.

US-patent 6,257,356 B1, meddelt M.E. Wassell, beskriver en fremgangsmåte og et apparat for å styre penetreringsretningen av en styrbar borestreng. En bore-strengsmodul posisjonert nært enden av en borestreng og i nærheten av borekronen, omfatter langsgående (parallelt med borerørsaksen) rader av stempelelementer som forskyves radielt i forhold til borerørsaksen ved hjelp av fluidtrykk. Stemplene er fjærforspente til en radielt tilbaketrukket stilling og presses ut mot fjærforspenningen ved hjelp av fluidtrykket. Etter hvert som borerøret roterer, styrer et navigasjons- system utragningen av utvalgte stempelelementer mot boreveggen på tvers av penetreringsretningen. Fluidmediet for dette systemet er et magnetreologisk fluid som pumpes rundt i en lukket sirkulasjonssløyfe. Innenfor sløyfen finnes det elektromagnetiske "ventiler" som selektivt øker fluidviskositeten innenfor det magnetiske feltet som påvirkes. Ved en slik selektiv viskositetsjustering, kan fluidtrykket i sirkulasjonssystemet selektivt påføres og reduseres.

Det er derfor et formål for foreliggende oppfinnelse å frembringe et nytt nedhulls arbeidsverktøy i form av elektrisk reagerende polymerer som aktivt verktøy-drivende og regulerende elementer.

Det er også et formål for foreliggende oppfinnelse å frembringe et nedhulls-verktøy uten noen bevegelige fluidregulerende elementer.

Et ytterligere formål for foreliggende oppfinnelse er en forsvinnende strømningsutboringsplugg som blir elektrisk støtt ut fra en strømningshindrende posisjon.

Sammenfatning av oppfinnelsen

Hovedtrekkene ved oppfinnelsen er angitt i det selvstendige krav. Ytterligere trekk ved oppfinnelsen fremgår av de uselvstendige krav.

Foreliggende oppfinnelse gjelder en fremgangsmåte og apparatur for å kunne sette i gang et nedhullsverktøy ved anbringelse av et elektroaktivt fluid i en beholder inne i verktøyet, hvor da dette fluid enten blir sterkt viskøst eller antar fast form når et svakt magnetfelt påtrykkes. Etter deaktivering eller fjerning av en elektromagnetisk feltstrøm, vil fluidet bli meget mindre viskøst. Ved den nedre viskositetsverdi, kan fluidet tvinges til å strømme ut fra et mekanisk begrensningskammer, og derved tillate bevegelse av et glideinnstillingsstempel. En slik bevegelse av et innstillings-stempel kan forspennes av en mekanisk fjær, f.eks. ved foreliggende trykk på stedet i borebrønnen eller ved pumpegenerert hydraulisk trykk.

I en annen anvendelse som er lik den første, blir et ER-polymer posisjonsinnstilt til ekspandering mot stempelinnstillingselementer når et elektromagnetisk felt påtrykkes. Polymerekspansjonen kan påtrykkes f.eks. for å forskyve samarbeidende kileelementer.

I enda en annen anvendelse, kan MR-fluid anvendes for å styre en sviktsikker låseanordning hvor en fluidlås holder et ventilblokkerende element åpent mot en mekanisk fjærforspenning, inntil en elektromagnetisk drivstrøm fjernes. Når strømmen er fjernet og det magnetiske felt avtar, blir MR-fluid drevet ut fra et begrensningskammer og tillates under forspenning fra fjæren å lukke tilblokkings-elementet.

Under visse driftsforhold vil det være nødvendig å blokkere temporært, men fullstendig strømningsutboringen i et produksjonsrør ved hjelp av slike midler som kjennetegnes som en "forsvinnende" plugg. Når denne forsvinnende plugg fjernes for åpning av rørledningens strømningsboring, vil til forskjell fra dette ingen hindrende struktur foreligge i strømningsutboringen for å hindre fluidstrømning i denne. For dette formål angis i henhold til oppfinnelsen en utboringsplugg i form av en tynn metall- eller plastbeholder, f.eks. i form av en kort sylinder, fylt med MR-fluid. Denne sylinder fylt med MR-fluid kan anordnes som et bur tvers over rørledningens strømningsutboring i en holdekanal. En elektromagnetspole er posisjonsinnstilt i nærheten av holdekanalen. Ved det tilsiktede tidspunkt blir spolen avenergisert for å redusere MR-fluidets viskositet, slik at dette derved frigjøres fra holdekanalen samt fra en blokkeringsposisjon i rørledningsutboringen.

Et ER-fluid kan anvendes som nedhullsmotor eller lineær posisjonsinnstillings-innretning. Et ER-fluid kan også anvendes som et direkte pakningsfluid for bore-brønnen og som befinner seg inne i en pakningsmuffe for elektrisk utløsning for å ekspanderes til en fluidavtettende ringformet barriere.

Kort beskrivelse av tegningene

For en grundig forståelse av foreliggende oppfinnelse skal det nå henvises til den følgende detaljerte beskrivelse av foretrukne utførelser, sett i sammenheng med de vedføyde tegninger, hvorpå: fig. 1 viser en langsgående halvseksjon gjennom et utløsningsstempel for et brønnverktøy, og hvori et MR-fluid fungerer som en ventil for å frigjøre drivstempelet i et rørformet glideparti for forskyvning under påvirkning av drivkraften fra det foreliggende borebrønnstrykk,

fig. 2 viser et langstrakt halvparti av en fjernutløsbar klaffventil,

fig. 3 viser en langtrakt halvseksjon av en sperreventil eller sikkerhetsventil som er låst i en åpen stilling ved hjelp av et regulerbart fluid,

fig. 4 viser en langsgående halv-seksjon gjennom en regulerbar fluidfylt utboringsplugg, og

fig. 5 viser skjematisk visse hydraulisk drevne brønnbetjeningsverktøyer, hvor den hydrauliske kanalsirkulasjon reguleres ved hensiktsmessig plasserte magnet-viklinger.

Beskrivelse av foretrukne utførelser

Det skal nå henvises til fig. 1, hvor en glidningsutløsende seksjon i et nedhulls-verktøy er vist skjematisk i snitt. Verktøyet er sammenstilt med en ramme eller et omsluttende rør 10. Konsentrisk med rammen er det anordnet en indre dorenhet 12 rundt en sentral fluidstrømningsutboring 14. Glidestykket 17 er fordelt rundt dor-omkretsen slik at de ligger over den skrånende flate 19 på en igangsettingskonus 18. Denne konus 18 er festet til doren 12. Glidestykkene 17 forskyves aksialt langs doren ved hjelp av drivkanten på et stempel 16. Etter hvert som stempelet 16 fremføres aksialt langs dorflaten mot glidestykkene 17, vil disse glidestykker gli langs den skrånende flate 19 forved å frembringe radialt utoverrettet fremføring mot en bore-brønnsvegg eller -foring.

En flate på stempelet 16 utgjøres av en lastbærende vegg i et borebrønns-trykkammer 32. Én eller flere strømningsporter 34 gjennom rammeveggen 10 holder kammeret 32 omtrent i trykklikevekt med borebrønns-fluidtrykket. Åpningsflaten på stempelet 16 utgjøres av en lastbærende vegg i det elektrisk regulerte fluidkammer 30. En åpningsbegrenser 42 utgjør en annen lastbærende vegg i det fluidregulerte kammer 30 og er konstruert til å danne en nøyaktig dimensjonert passasjeåpning 40 mellom begrenseren og den muffe som dannes av stempelet 16.

Konstruktivt utformet i den ytre omkrets av rammen 10 nær inntil det regulerte fluidkammer 30 befinner det seg en elektromagnetvikling 20. Vanligvis blir denne vikling energisert av et batteri 24 som bæres inn i verktøyet, og da vanligvis nær en aksial ytterende av verktøyet. En strømregulator 22 i den elektromagnetiske effektkrets omfatter f.eks. en signalsensor og en effektomkoplingskrets. Signal-sensoren kan f.eks. være slik at den reagerer på en kodet pulssekvens av trykkpulser som overføres med brønnfluidet som et bæremedium.

Rett overfor åpningen 40 og begrenseren 42 befinner det seg et lavtrykkskammer 36. Ofte utgjøres dette lavtrykkskammer av et tomromsvolum med kapasitet til å romme den ønskede mengde regulert fluid som forventes å forskyves ut fra kammeret 30. Ofte utplasseres verktøyet med iboende trykk i kammeret 36, idet det ikke vil gjøres noe forsøk på å evakuere kammeret 36. Nedhullstrykket kan f.eks. være flere titusen kPa (flere tusen pund pr. kvadrattomme). I forhold til nedhullstrykket er følgelig omgivelsestrykket på overflaten ytterst lavt.

Et verktøy kjøres inn i en brønn, mens viklingen 20 energiseres for å polarisere det regulerbare fluid i kammeret 30 og hindre forbipassering av strømning inn i og over innsnevringen 40 til lavtrykkskammeret 36. Når den befinner seg ved den ønskede dybde, blir spolen avenergisert for derved å tillate det regulerbare fluid og over til en tilstand med lavere viskositetsegenskaper. Under det basistrykk som foreligger på stedet i kammeret 32, vil det glideutløsende stempel 16 forskyve den regulerbare fluid fra kammeret 30 og inn i lavtrykkskammeret 36.1 denne prosess driver utløsningsstempelet 16 glidestykkene 17 mot den koniske flate 19 på utløsningskonusen 18, slik at glidestykkene derved tvinges radialt utover mot en omgivende foringsvegg.

Med hensyn til den utførelse av oppfinnelsen som er vist i fig. 2, er det vist at en selektivt regulert klaffventil inngår i denne utførelse. Ventilen 50 omslutter en fluidstrømningsutboring 52 med et lukkesete 54. Et klaffelement 56 er dreibart forbundet med huset 50 ved hjelp av en hengselsforbindelse 58. Dreining av klaffelementet resulterer i en buebevegelse om hengselet 58, fra en åpen strømnings-posisjon vist med stiplet linje, til en strømningsblokkerende posisjon vist med hel-trukken linje, der klaffe leme ntet ligger an mot lukkesetet 54.

Svingbart koplet til klaffelementet med hengselforbindelsen 51 befinner det seg en stempelstang 53 som forløper ut fra et stempelelement 60. Dette stempel utfører translasjonsbevegelser inne i et kammer 62. På stangsiden av stempel-kammeret befinner det seg en skruefjær 64 som forspenner stempelet bort fra hengselaksen og mot hodeenden 66 av kammervolumet. Hodeenden 66 av kammeret 62 er ladet med et regulerbart fluid og er omsluttet av en elektromagnetspole 68. Stempelet kan eller kan ikke være perforert mellom hodeflaten og stangflaten med selektivt dimensjonerte åpninger som vil tillate det regulerbare fluid til å strømme fra hodekammeret 66 inn i stangkammeret under forskyvningstrykk-forspenningen fra fjæren 64 når denne fjær er avenergisert. Som vist ved stang-hengslet 51 på innsiden av klaffhengslet 58, vil fremføring av stempelet 60 inn i hodekammeret 66 dreie klaffen 56 bort fra sperresetet 54 for derved å åpne strømningsutboringen 52. Den motsatte virkning kan oppnås ved å plassere hengsel-stangen 51 på utsiden av klaffhengslet 58. Fig. 3 viser en annen ventilutførelse i henhold til oppfinnelsen og hvor et aksialt glidbart muffeelement 70 blir lineært forskjøvet til en posisjon som blokkerer dreiningen av ventilklaffen 72 omkring en hengselakse 74, slik det er vist i den posisjon av muffen 70 som er angitt med stiplede linjer i figuren. I dette tilfelle omfatter ventillegemet 76 et fluidtrykkammer 78 som er omsluttet av en magnetisk vikling 80. Et stempel 82 og tilhørende stempelstang 84 kan bevege seg lineært inne i kammeret 78. Den fjerntliggende ende av stangen 84 er kanalledet ved 86 til inngrep med et åpningsfremspring 87 som rager ut fra låsemuffen 70. En skruefjær 89 ligger an mot den fjerntliggende ende av stangen 84 for å forspenne muffen 70 mot den ulåste posisjon. Rettet mot kraften mot forspenningsfjæren 89 er en kraft som skriver seg fra det trykksatte regulerbare fluid i hodekammeret 90. Etter pumpet innstrømning av regulerbart fluid i hodekammeret 90 drives stempelet 82 og stempel-stangen 84 til stangenden av kammeret 78, mot forspenningskraften fra fjæren 89 idet spolen energiseres for å fastholde denne posisjon ved hovedsakelig å bringe ER-fluidet i fast tilstand inne i kammeret 90. Som et resultat av dette kan det regulerbare fluidtrykk i hodekammeret avspennes samtidig som låsemuffen 70 holdes i den stilling som blokkerer dreiningen av klaffen 72. Fig. 4 viser utførelsen med en forsvinnende plugg i henhold til oppfinnelsen og hvor pluggverktøylegemet 100 inkluderer en kanalledet innsats 102 som omslutter en fluidstrømningsutboring 101. Den kanalførte innsats omfatter en magnetvikling integrert i innsatsen. Pluggen 104 omfatter et ytre membranovertrekk 106 av polymer eller tynt smibart metall. Membranen 106 innkapsler et legeme av regulerbart fluid 108. Pluggen 104 er posisjonsinnstilt i kanalen 102 mens den befinner seg i avenergisert plastisk tilstand. Når den er plassert, energiseres magnetviklingen til å stivne det regulerbare fluid 108 og således sikre at pluggen befinner seg i en fluid-strømningsblokkerende posisjon. Ved et påfølgende tidspunkt, når det er ønskelig å åpne strømningsutboringen 101, blir viklingen 103 avenergisert. Når det magnetiske felt fjernes fra det regulerbare fluid, vil pluggens størknede tilstand opphøre slik at fjerningen av pluggen fra utboringen 101 lettes. Skjønt pluggen vil forbli inne i fluid-strømningskanalen, vil den løse smibare art av avenergiseringen lett kunne rommes ved shunting eller uttapping.

Den utførelse av oppfinnelsen som er angitt i fig. 5, angir en rekke hydraulisk drevne brønnbetjeningsverktøyer 110, 111 og 112. Det drivfluid som pumpes inn i fluidsirkulasjonsledningene 114, 116, 118 og 120 utgjør et regulerbart fluid. Magnet- viklinger 122, 123 og 124 er selektivt posisjonsinnstilt omkring de ikke-magnetiske fluidsirkuleringslinjer. Når en vikling energiseres, vil det regulerbare fluid inne i den tilsvarende strømningskanal koagulere i nærheten av viklingen for å blokkere fluid-strømning inne i kanalen. Ved således å selektivt energisere en hvilken som helst eller flere av viklingene 122, 123 eller 124, vil den fluidstrømning som rutes gjennom kanalene kunne selektivt rettes eller stoppes.

Claims (14)

1. Nedhulls borebrønnsverktøy omfattende et verktøyhus og anordnet til å kjøres inn i en brønn, karakterisert vedat et utløsende element er posisjonert i verktøyhuset og er anordnet for posisjonsforskyvning fra én av to motstående trykksoner, hvor en kilde for elektromagnetisk felt (20; 80) er innrettet for å energiseres mens verktøyet kjøres i brønnen, og et fluid som har elektroaktive, reologiske egenskaper, er innrettet for å hindre bevegelse av det utløsende element når kilden for elektromagnetisk felt (20; 80) blir energisert, idet fluidet er avgrenset i verktøyhuset, slik at energisering av kilden for elektromagnetisk felt (20; 80) hindrer translasjons-bevegelse av det utløsende element mens verktøyet kjøres i brønnen.

2. Nedhulls borebrønnsverktøy som angitt i krav 1, hvor det angitte utløsnings-elementet, når i bruk, selektivt aktiverer et glideelement.

3. Nedhulls borebrønnsverktøy som angitt i krav 1, hvor det angitte utløsnings-elementet, når i bruk, selektivt aktiverer et klaffelement (56).

4. Nedhulls borebrønnsverktøy som angitt i krav 1, hvor det angitte utløsnings-elementet, når i bruk, driver et glidbart muffeelement (70).

5. Nedhulls borebrønnsverktøy som angitt i krav 4, hvor det angitte glidbare muffeelement (70), når i bruk, hinder operasjonen av et ventilklaffelement (72).

6. Nedihulls borebrønnsverktøy som angitt i krav 1, hvor det angitte utløsnings-elementet er et stempelelement (60) som er forbundet med et arbeidselement for selektivt aktivering av arbeidselementet.

7. Nedihulls borebrønnsverktøy som angitt i krav 6, videre omfattende en begrenser (42) som definerer en åpning eller passasje (40) for å sørge for kontrollert forskyvning av fluidet fra den ene trykksone.

8. Nedihulls borebrønnsverktøy som angitt i krav 7, videre omfattende et lavtrykkskammer (36) med kapasitet til en ønsket mengde fluid som skal forskyves fra den ene trykksone, der lavtrykkskammeret er under omgivelsestrykket på overflaten.

9. Nedihulls borebrønnsverktøy ifølge et av krav 6, 7 eller 8, hvor arbeidselementet er et glideelement.

10. Nedihulls borebrønnsverktøy som angitt i krav 6, hvor arbeidselementet er et klaffelement (56) som, når i bruk, er svingbart rotert inn i og ut av inngrep med en lukke- eller sperresete (54).

11. Nedihulls borebrønnsverktøy som angitt i krav 6, hvor arbeidselementet er en glidbar muffe (70) som er aksielt bevegelig i forhold til et ventillegeme (50).

12. Nedihulls borebrønnsverktøy som angitt i krav 11, hvor nevnte glidbare muffe (70) er bevegelig mellom låst og ulåst posisjon for selektivt å feste eller sikre et klaffelement (56; 72).

13. Nedihulls borebrønnsverktøy ifølge et hvilket som helst av krav 6 og 10 til 12, hvor det angitte utløsningselementet er forbundet med en fjær (64; 89) for posisjonelt å forspenne utløsningselementet.

14. Nedihulls borebrønnsverktøy ifølge krav 1, hvor det angitte utløsnings-elementet er et ventilutløsende element.