NO340770B1 - Fremgangsmåte for styring av en nedihulls strømningsstyreanordning - Google Patents

Description

BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN

Oppfinnelsens område

[0001]Denne oppfinnelse vedrører generelt regulering av brønner for produksjon av olje og gass. Mer bestemt vedrører den styring av bevegelige elementer i strømnings-reguleringsinnretninger for brønnproduksjon.

Beskrivelse av beslektet teknikk

[0002]GB 2 081 777 omhandler styring av undervannsventiler for oljebrønner.

US 2003/0132006 A1 vedrører en fremgangsmåte og et system for styring av en nedihulls strømningsreguleringsinnretning ved bruk av avledet tilbakemeldings-regulering. US 6,276,458 B1 beskriver et apparat og en fremgangsmåte for å styre fluidstrømning. Regulering av brønner for produksjon av olje og gass utgjør et pågående anliggende for petroleumsindustrien, hvilket delvis skyldes den enorme pengekostnad som er involvert i tillegg til de risiki som er tilknyttet miljømessige og sikkerhetsmessige problemstillinger. Regulering av produksjonsbrønner har blitt særlig viktig og mer komplekst i lys av hele industriens erkjennelse av at brønner som har flere forgreninger (dvs. multilaterale brønner) vil bli økende viktig og alminnelig. Slike multilaterale brønner inkluderer atskilte produksjonssoner som produserer fluid enten i felles eller atskilte produksjonsrør. I begge tilfeller er det et behov for regulering av soneproduksjon, isolering av spesifikke soner og ellers over-våking av hver sone i en bestemt brønn. Strømningsreguleringsinnretninger så som glidehylseventiler, nedihulls sikkerhetsventiler og nedihulls strupere er i alminnelig bruk for å regulere strømming mellom produksjonsrøret og foringsrørets ringrom. Slike innretninger brukes til soneisolering, selektiv produksjon, avstenging av strømmingen, sammenblanding av produksjon og transient-testing.

[0003]Det er ønskelig å operere nedihulls strømningsreguleringsinnretningen med en variabel strømningsreguleringsinnretning. Den variable regulering tillater at ventilen funksjonerer i en strupemodus, hvilket er ønskelig når man forsøker å blande sammen flere produserende soner som opererer ved forskjellige reservoartrykk. Denne strupingen hindrer kryss-strømning, via brønnboringen, mellom nedihulls produserende soner.

[0004]I tilfellet av en hydraulisk drevet strømningsreguleringsinnretning, så som en glidehylseventil, opplever ventilen flere forandringer over tid. For eksempel eldes hydraulikkfluid, og den oppviser redusert smøreevne når den utsettes for høy tempe-ratur. Avleiringer og andre avsetninger vil opptre i det indre av ventilen. I tillegg vil tetninger forringes og slites over tid. For at en ventil skal virke effektivt som en struper, behøver den et akseptabelt fint nivå av regulerbarhet. En vanskelighet ved den nøyaktige posisjonering av det bevegelige element i en strømningsregulerings-innretning er forårsaket av fluidlagringskapasitet for hydraulikkledningene. En annen vanskelighet oppstår fra den kjensgjerning at det trykk som er nødvendig for å igang-sette bevegelse av det bevegelige element er forskjellige trykk som er nødvendig for å opprettholde bevegelse, hvilket er forårsaket av forskjellen mellom statiske og dynamiske friksjonskoeffisienter, idet den statiske koeffisient er større enn den dynamiske koeffisient. Når trykk kontinuerlig påføres gjennom hydraulikkledningen, tillater den elastiske karakter av ledningene noe utvidelse, som i sin effekt forårsaker at ledningen virker som en fluidakkumulator. Jo lengre ledningen er, jo større er denne effekt. I operasjon kan kombinasjonene av disse effekter forårsake betydelig oversving i posisjoneringen av det bevegelige element. F.eks., hvis hydraulikkledningens trykk heves for å overvinne den statiske friksjon, begynner hylsen å bevege seg. En kjent mengde fluid blir i alminnelighet pumpet inn i systemet for å bevege elementet en kjent avstand. Imidlertid, på grunn av fluidlagringseffekten til hydraulikkledningen og den lavere kraft som er påkrevet for å fortsette bevegelsen, fortsetter elementet å bevege seg forbi den ønskede posisjon. Dette kan resultere i uønskede strømnings-begrensninger.

[0005]Den foreliggende oppfinnelse overvinner de ovennevnte ulemper ved kjent teknikk ved å tilveiebringe et system og en fremgangsmåte for å overvinne den statiske friksjon samtidig som oversvingeffekten i betydelig grad reduseres. Ytterligere fordeler i forhold til kjent teknikk vil være åpenbare for én som har fagkunnskap innen teknikken.

SAMMENFATNING AV OPPFINNELSEN

[0007]Hovedtrekkene ved den foreliggende oppfinnelse fremgår at det selvstendige patentkrav. Ytterligere trekk ved oppfinnelsen er angitt i de uselvstendige krav. I et aspekt, er det eksemplifisert et system for styring av en nedihulls strømnings- reguleringsinnretning og som inkluderer en strømningsreguleringsinnretning ved en nedihulls lokalisering i en brønn, hvor strømningsreguleringsinnretningen har et bevegelig element for regulering av en nedihulls formasjonsstrøm. Det bevegelige element har en hydraulisk tetning som er tilknyttet til dette. Tetningen er konstruert slik at et maksimumtrykk i en påført trykkpuls er tilstrekkelig til å overvinne en statisk friksjonskraft som er tilknyttet tetningen, og hvor et minimumstrykk i en påført trykkpuls er utilstrekkelig til å overvinne en dynamisk friksjonskraft som er tilknyttet tetningen.

[0008]I et annet aspekt er det angitt en fremgangsmåte for styring av en strømnings-reguleringsinnretning og innbefattende overføring av en trykkpuls fra en overflate-lokalisert hydraulikk-kilde til strømningsreguleringsinnretningen ved en nedihulls lokalisering. En karakteristikk av trykkpulsen styres for inkrementelt å bevege et bevegelig element i strømningsreguleringsinnretningen til en ønsket posisjon. En eksemplifiserende styrt karakteristikk av trykkpulsen omfatter pulsstørrelse og pulsvarighet.

[0009]Selv om den foregående søknad er rettet mot de foretrukne utførelser av oppfinnelsen, vil forskjellige modifikasjoner som faller innenfor patentkravene, være åpenbare for de som har fagkunnskap innen teknikken. Det er meningen av alle variasjoner innenfor omfanget av de vedføyde krav omfattes av søknaden. Det vil imidlertid være åpenbart for en med fagkunnskap innen teknikken at mange modifikasjoner og forandringer av den utførelse som er fremsatt ovenfor, er mulige uten å avvike fra oppfinnelsens omfang definert av patentkravene. Det er således meningen at de følgende krav skal tolkes til å omfatte alle slike modifikasjoner og forandringer.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

[0010]For en detaljert forståelse av den foreliggende oppfinnelse skal det vises til den følgende detaljerte beskrivelse av den foretrukne utførelse, sett i sammenheng med de ledsagende tegninger, hvor like elementer har blitt gitt like talltegn, hvor: Fig. 1 viser skjematisk et produksjonsbrønn-strømningsreguleringssystem i henhold til en utførelse av den foreliggende oppfinnelse; Fig. 2 er en graf som viser vedvarende bevegelse av et bevegelig element i en strømningsreguleringsinnretning på grunn av effektene av statisk og dynamisk friksjon; og Fig. 3 er et diagram over pulset hydraulikktrykk i relasjon til det trykk som er påkrevet for å overvinne statisk og dynamisk friksjon og den relaterte bevegelse av et bevegelig element i en strømningsreguleringsinnretning.

DETALJERT BESKRIVELSE AV OPPFINNELSEN

[0011]Som det er kjent, kan en gitt brønn oppdeles i en flerhet av separate soner, hvilket er påkrevet for å isolere spesifikke områder av en brønn for formål som inkluderer, men ikke er begrenset til, produsering av valgte fluider, forebygging av utblåsinger og å hindre vanninntak.

[0012]Med henvisning til fig. 1, en brønn 1 inkluderer to eksemplifiserende soner, nemlig sone A og sone B, hvor sonene er atskilt av en ugjennomtrengelig barriere. Hver av sonene A og B har blitt komplettert på en kjent måte. Fig. 1 viser komplette-ringen av sone A ved bruk av pakninger 15 og en glidehylseventil 20 som bæres på en rørstreng 10 i en brønnboring 5. Pakningene 15 tetter av ringrommet mellom brønnboringen og en strømningsreguleringsinnretning, så som en glidehylseventil 20, hvilket tvinger formasjonsfluid til å strømme kun gjennom den åpne glidehylseventil 20. Alternativt kan strømningsreguleringsinnretningen være en hvilken som helst strømningsreguleringsinnretning som har minst ett bevegelig element for regulering av strømming, inkludert, men ikke begrenset til, en nedihulls struper og en nedihulls sikkerhetsventil. Som det er kjent innen teknikken anvender en alminnelig glidehylseventil et ytre hus med spalter, også kalt åpninger, og en indre spole med spalter. Spaltene kan innrettes og skjevinnrettes med aksial bevegelse av den indre spole i forhold til det ytre hus. Slike innretninger er kommersielt tilgjengelige. Rørstrengen 10 er ved overflaten tilkoplet til brønnhodet 35.

[0013]I en utførelse, styres glidehylseventilen 20 fra overflaten ved hjelp av to hydrauliske kontroll-ledninger, åpningsledning 25 og lukkingsledning 30, som opererer et ballansert, dobbeltvirkende hydraulikkstempel (ikke vist) i glidehylsen 20. Hydraulikkstempelet forflytter et bevegelig element, så som en indre spole 22, også kalt en hylse, for å innrette eller skjevinnrette strømningsspalter, eller åpninger, hvilket tillater at formasjonsfluid strømmer gjennom glidehylseventilen 20. Flere konfigurasjoner av det bevegelige element er kjent innen teknikken, og blir her ikke omtalt i detalj. En slik innretning er kommersielt tilgjengelig som HCM Hydraulic Sliding Sleeve fra Baker Oil Tools, Houston, Texas. I operasjon, trykksettes led ningen 25 for å åpne glidehylseventilen 20, og ledningen 30 trykksettes for å stenge glidehylseventilen 20. Under en trykksetting av enten ledningen 25 eller 30 kan den motsatte ledning på en styrt måte ventileres til overflatereservoartanken 45 ved hjelp av ventilmanifolden 65. Ledningen 25 og 30 er forbundet til pumpen 40 og retur-reservoaret 45 gjennom ventilmanifolden 65 som styres av prosessoren 60. Pumpen 40 tar hydraulikkfluid fra reservoaret 45 og tilfører det under trykk til ledningen 41. Trykksensoren 50 overvåker trykket i pumpeutstrømmingsledningen 41 og tilveiebringer et signal til prosessoren 60 som er relatert til det detekterte trykk. Syklushastigheten eller hastigheten til pumpen 40 overvåkes av pumpesyklussensoren 55 som sender et elektrisk signal til prosessoren 60 som er relatert til antallet pumpesykluser. Signalene fra sensorene 55 og 50 kan være en hvilken som helst passende type av signal, inkludert, men ikke begrenset til, optisk, elektrisk, pneumatisk og akustisk. Ved hjelp av sin design, avgir en fortrengningspumpe etfluidvolum som kan bestemmes for hver pumpesyklus. Ved bestemmelse av antallet av pumpesykluser, kan volumet av pumpet fluid bestemmes og følges. Ventilmanifolden 65 virker slik at den leder pumpens utgangsstrøm til den passende hydraulikkledning 25 eller 30 for å bevege spolen 22 i ventilen 20 i en åpningsretning, henholdsvis en stengingsretning, slik dette styres av prosessoren 60. Prosessoren 60 inneholder passende grensesnitt-kretser og prosessorer, som virker under programmerte instruksjoner, for å tilveiebringe effekt til og motta utgangssignaler fra trykksensor 50 og pumpesyklus-sensor 55; for å danne grensesnitt med og styre aktueringen av manifolden 65 og syklushastigheten til pumpen 40, og for å analysere signalene fra pumpesyklussensoren 55 og trykksensoren 50, 170, 171, og for å sende ut kommandoer til pumpen 40 og manifolden 65 for å styre posisjonen til spolen 22 i glidehylseventilen 20 mellom en åpen posisjon og en stengt posisjon. Prosessoren tilveiebringer ytterligere funksjoner som beskrevet nedenfor.

[0014]I operasjon, blir glidehylseventilen 20 i alminnelighet operert slik at ventil-åpningene plasseres i fullt åpen eller fullt stengt tilstand. Som tidligere påpekt, er det imidlertid ønskelig å være i stand til proporsjonalt å aktuere en slik innretning for å tilveiebringe mellomliggende strømningstilstander som kan brukes til å strupe strømmen av reservoarfluidet. Ideelt sett kan pumpen opereres for å tilføre et kjent volum av fluid, hvilket ville bevege spolen 22 en avstand som kan bestemmes. Effektene av statisk og dynamisk friksjon som er tilknyttet bevegelige elementer i strømningsreguleringsinnretningen, så som spolen 22, når de kombineres med fluid-lagringskapasitetfor hydraulikkledningene 25 og 30, kan imidlertid forårsake betydelig oversving i posisjoneringen av spolen 22. Disse effektene kan ses på fig. 2, som viser bevegelsen 103 av spolen 22 når fluid pumpes for å bevege spolen 22. Pumpe-trykk bygges opp langs kurven 100. I en utførelse, blir eventuelle pulsasjoner som forårsakes av pumpen 40 dempet ut ved overføring gjennom tilførselsledningen. Trykk bygges opp til trykk 101 for å overvinne den statiske friksjon til tetninger (ikke vist) i glidehylseventilen 20. I et ideelt hydraulikksystem, så snart spolen 22 begynner å bevege seg, reduseres tilførselsledningstrykket til ledning 102 og ytterligere fluid kan tilføres ved det lavere trykk for å bevege spolen 22 til en ønsket posisjon 108. Imidlertid blir hele hydraulikktilførselsledningen 25, 30 trykksatt til det høyere trykk 101, og utvidelse av tilførselsledningen 25, 30 resulterer i et betydelig volum av fluid ved trykk 101. Istedenfor at fluidtrykket er ved nivå 102, reduseres det gradvis langs ledning 107, hvilket tvinger spolen 22 til posisjon 109, og oversvinger den ønskede posisjon 108.

[0015]For å redusere problemet med oversvinging, se fig. 3, tilveiebringer den foreliggende oppfinnelse i en utførelse trykkpulser 203 som beveger spolen 22 i inkrementene trinn til den ønskede posisjon. Ved å bruke pulser 203 blir effektene av utvidelse av til tilførselsledningen betydelig redusert. Hver puls 203 genereres slik at pulstopptrykket 207 overstiger det trykk 201 som er nødvendig for å overvinne den statiske friksjonskraft som motvirker bevegelse av spolen 22, og pulsminimums-trykket 208 er mindre enn det trykk 202 som er påkrevet for å overvinne den kraft som er påkrevet for å overvinne den dynamiske friksjonskraft som motvirker bevegelse. I en utførelse blir trykkpulser 203 påført oppå et basistrykk 205. Bevegelsen 206 av spolen 22 er i hovedsak en trappetrinnsfunksjon for å nå den ønskede posisjon 210. Selv om spolen 22 har blitt omtalt, skal det forstås at spolen 22 kun er et illustrativt bevegelig element. Andre bevegelige elementer og deres tilknyttede statiske og dynamiske friksjoner kan også benyttes på den ovenfor beskrevne måte.

[0016]Som vist på fig. 1, i en utførelse, er en trykk-kilde 70, som kan være en hydraulikksylinder, hydraulisk koplet til ledningen 41. Stempelet 71 aktueres ved hjelp av et hydraulikksystem 72 gjennom en ledning 73 som beveger stempelet 71 på en forhåndsbestemt måte for å påtrykke pulser 203 på ledningen 41. Slike pulser overføres ned tilførselsledningene 25, 30 og forårsaker inkrementell bevegelse av spolen 22. Hydraulikksystemet 72 kan styres av prosessoren 60 for å endre maksi-mums- og minimumspulstrykk og pulsbredde W, også kalt pulsvarighet, for å tilveiebringe ytterligere styring av den inkrementene bevegelse av spolen 22. Alternativt kan pumpen 40 være en fortrengningspumpe som har tilstrekkelige evner til å gene-rere pulser 203.

[0017]I en utførelse blir effektene av de ettergivende tilførselsledninger 25, 30 tatt hånd om ved å sammenligne signaler fra trykksensoren 50, ved overflaten, med signaler fra trykksensorene 170 og 171, som er lokalisert ved den nedihulls lokalisering på tilførselsledninger 25, henholdsvis 30. Signaler fra sensorene 170 og 171 overføres langs signalledningene (ikke vist) til prosessoren 60. Sammenligningene av slike signaler kan brukes til å bestemme en transferfunksjon F som relaterer den overførte trykkpuls til den mottatte puls. Transferfunksjon F kan programmeres i prosessoren 60 for å styre ett eller flere karakteristika av den genererte trykkpuls, så som f.eks. pulsstørrelse og pulsvarighet, slik at den mottatte trykkpuls er av en valgt størrelse og varighet for nøyaktig å posisjonere spolen 22 ved den ønskede posisjon. Som her brukt, er pulsstørrelse differansen mellom maksimumspulstrykket 207 og minimumspulstrykket 208. Som her brukt er pulsvarighet den tid hvor trykkpulsen er i stand til faktisk å bevege spolen 22.

[0018]I en annen utførelse er posisjonssensoren 173 anordnet i glidehylseventilen 20 for å bestemme posisjonen til spolen 22 inne i glidehylseventilen 20. Her kan transferfunksjonen F' bestemmes ved å sammenligne den genererte puls med den faktiske bevegelse av spolen 22. Posisjonssensoren 173 kan være en hvilken som helst egnet posisjonssansende teknikk, så som f.eks. det posisjonssansingssystem som er beskrevet i US-patentsøknad med serienr. 10/289,714, innlevert 7. november, 2002, og som er overdratt til rettsetterfølgeren for den foreliggende søknad.

[0019]Selv om systemene og fremgangsmåtene ovenfor er beskrevet med henvisning til produksjonsbrønner, vil én med fagkunnskap innen teknikken innse at det system og de fremgangsmåter som her er beskrevet er like anvendbare på regule-ringen av strøm i injeksjonsbrønner. I tillegg, vil én med fagkunnskap innen teknikken innse at det system og de fremgangsmåter som her er beskrevet er like anvendbare på brønnhodelokaliseringer på land og på havbunnen.

[0020]Den foregående beskrivelse er rettet mot bestemte utførelser av den foreliggende oppfinnelse med henblikk på illustrasjon og forklaring. Det vil imidlertid være åpenbart for én med fagkunnskap innen teknikken at modifikasjoner og forandringer definert av de etterfølgende krav, er mulige. Det er således meningen at de etterfølgende krav skal tolkes til å omfatte alle slike modifikasjoner og forandringer.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte for regulering av strøm av fluid i en brønnboring (5), omfattende: posisjonering av en strømningsreguleringsinnretning (20) ved en nedihulls lokalisering i brønnboringen (5), idet strømningsreguleringsinnretningen (20) har et bevegelig element (22) som regulerer en fluidstrøm i brønnboringen (5); inkrementell bevegelse av det bevegelige element (22) mellom en åpen posisjon og en stengt posisjon ved påføring av et flertall av trykkpulser (203) som har en kontrollert eller styrt størrelse og varighet for det bevegelige element (22), og overføring av de påførte trykkpulser (203) til strømningsregulerings- innretningen (20) med en hydraulikk-kilde (40),karakterisert vedat: trykkpulsene (203) overføres, slik at et maksimumstrykk av de påførte trykk pulser (203) nede i hullet overvinner en statisk friksjonskraft som er tilknyttet det bevegelige element (22), og hvor et minimumstrykk av de påførte trykkpulser (203) nede i hullet ikke kan overvinne en dynamisk friksjonskraft som er tilknyttet det bevegelige element (22), og trykkpulsene (203) påføres oppå et basistrykk (205).

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert vedat den videre omfatter: styring av hydraulikk-kilden (40) med en prosessor (60) for å styre den minst ene styrte karakteristikk av de overførte trykkpulser (203).

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 2, karakterisert vedat den videre omfatter: måling av minst én parameter av interesse av de påførte trykkpulser (203) slik de er overført av hydraulikk-kilden (40); måling av minst én parameter av interesse av de påførte trykkpulser (203) slik de er mottatt ved det bevegelige element (22); og styring av hydraulikk-kilden (40) basert på de målte parametere av interesse.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 3, karakterisert vedat den videre omfatter: justering av pulsstørrelsen av den overførte puls basert på en beregnet pulstransferfunksjon for inkrementelt å bevege det bevegelige element (22) i strømningsreguleringsinnretningen (20).

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 2, karakterisert vedat den videre omfatter: måling av en posisjon av det bevegelige element (22); måling av minst én parameter av interesse av de påførte trykkpulser (203) slik de er overført av hydraulikk-kilden (40); og styring av hydraulikk-kilden (40) basert på de målte parametere av interesse.