NO341360B1 - Aktueringssystem - Google Patents

Description

Kryssreferanse til beslektede søknader

Denne søknad krever prioritet fra foreløpig søknad 60/836.022, innlevert 7. august 2006, hvis hele innhold innlemmet heri som referanse.

Bakgrunn

US6567013B1 omtaler et brønnstyringssystem og tilhørende fremgangsmå-te for å styre brønnverktøy som tilveiebringer nedihullsbrønnverktøystyring uten å kreve bruken av elektrisitet eller komplekse trykkpulsdekodingsmekanismer. I en utførelse innbefatter et digitalt hydraulisk brønnstyringssystem flere brønnverktøy-sammenstillinger hvor hver sammenstilling innbefatter et brønnverktøy, en aktua-tor og en adresserbar aktueringsstyringsanordning. Flere hydraualiske ledninger er sammenkoblet til hver styringsanordning. De hydraualiske ledninger overfører adresser eller koder til respektive valgte styrningsanordninger, og derved velger de tilhørende respektive brønnverktøy for aktuering derav. Hydrauliske ledninger er også benytte for å aktivere de valgte brønnverktøy.

US2395150A angår hydrauliske systemer for å operere rørlegginsanord-ninger slik som skylleventil og lignende. Minst to skylleventiler er forbundet til en felles tilførselsledning og med individuelle utslippsutløp. Hver skylleventil har et bevegelig ventilelement anordnet for normalt å være anbrakt ved et holdetrykk som virker mot tilførselsledningstrykket som forsøker å åpne det samme og ope-rerbar til åpne og lukkede posisjoner for å utføre en skylleoperasjon av nevnte skylleventil når holdetrykket av skylleventilen er frigjort.

US5832996A angår en brønnkontroller for en strømningsstyringsanordning. Kontrolleren reagerer på kommandoer fra overflaten eller fra brønnen og styrer strømningsanordningen ved å benytte en fireveis solinoid-aktuert rundsleideventil og et hydraulisk aktivert stempelsystem forbundet til strømningsstyringsanord-ningen.

Hydraulisk styring av nedihulls systemer har lenge vært et tiltrodd og således allment utbredt valg for brønnoperatører. Hydrauliske styringsledninger er relativt små, er enkle å operere og overfører svært pålitelig trykk til fjerntliggende lokaliseringer hvor enten forekomsten av trykk brukes som et signal eller et fluid-volum med høyere trykk brukes til å aktuere en forflyttbar innretning nede i hullet.

I eldre brønnkompletteringer ble det brukt forholdsvis liten styring i nedihulls omgivelsen, og følgelig var det nødvendig å strekke få styringsledninger tilbake til overflaten. I lys av det forholdsvis små antall av ledninger, har det å hanskes med dem med åpninger gjennom pakninger (gjennomføringspakninger, osv) og lignende alltid vært akseptert og funksjonelt. Ettersom brønnboringers kompleksitet imidlertid har økt med et stadig stigende behov for styring relatert til forbedret produk-sjonskvalitet og -kvantitet, har et større antall av strømningsmodifiserende struktu-rer (eksempelvis ventiler) og annet nedihulls utstyr blitt plassert nede i hullet for å øke avkastningen på investeringene. Med de ytterligere innretninger nede i hullet kommer det et krav om å tilveiebringe et styringsregime for slike innretninger. Selv om hydrauliske styringsledninger fremdeles er ganske godt foretrukket som et sty-ringsmiddel, forårsaker mangfoldet av styrbare innretninger at antallet av styringsledninger som er påkrevd med dagens teknologi overstiger den plass som er til-gjengelig for å kjøre dem. I mange typiske kompletteringer i dag vil antallet av styringsledninger være lik antallet av innretninger pluss 1. Under betraktning av at det er mulig at 4.572 m av brønnboringen kanskje har 40 ventiler eller andre reguler-bare innretninger, er det enkelt å se for seg at de nødvendige 41 styringsledninger vil ha vanskelig for å passe inn i ringrommet på 244,5 mm rundt en komplette-ringsstreng.

I lys av det foregående vil teknikken med sikkerhet ønske velkommen et middel for å redusere antallet av styringsledninger som er nødvendig for individuell styring av en flerhet av innretninger nede i hullet.

Sammenfatning

Målene med foreliggende oppfinnelse oppnås ved et aktueringssystem, kjennetegnet ved at det omfatter: en første styringsledning;

et flertall av styringsventiler forbundet til den første styringsledning, hver ventil blir adressert og kondisjonert for selektivt å tilføre hydraulisk fluidtrykk individuelt til hver av en anordning og en annen én av flertallet av styringsventiler;

et flertall av anordningene hver i driftsmessig kommunikasjon med én av flertallet av styringsventiler;

en andre styringsledning i kommunikasjon med flertallet av anordninger og driftsmessig anordnet for trykksetting av flertallet av anordninger motsatt med hensyn til den første styringsledningen;

hvori det hydrauliske trykket for å aktuere flertallet av anordninger er tilført av den første styringsledningen inn i aktueringssystemet gjennom kun én første ventil av flertallet av ventiler.

Foretrukne utførelsesformer av aktueringssystemet er utdypet i krav 2 og 3.

Det er videre omtalt en styringsventil. Som inkluderer et hus, en innløpsport i huset, en innretningsport i huset, en ventilport i huset og en spole anordnet i huset, idet spolen initialt forbinder innløpsporten til innretningsporten og deretter til

en trykkhendelse som forbinder innløpsporten til ventilporten.

Det er også omtalt et aktueringssystem som inkluderer en flerhet av styringsventiler, idet hver ventil er adresserbar og kondisjonerbar for å kommunisere med det ene av en innretning og en annen styringsventil, og en flerhet av innretninger som hver er i funksjonsdyktig kommunikasjon med en i flerheten av styringsventiler.

Kort beskrivelse av tegningene

Fig. 1 er et skjematisk riss av en utførelse av en styringsventil som her of-fentliggjøres; Fig. 2 er en skjematisk illustrasjon av fire styringsventiler og fire hydraulisk aktuerbare innretninger som representerer en utførelse av et hydraulisk styrings-system; Fig. 3 er illustrasjonen på fig. 2 i en forskjellig posisjon; Fig. 4 er illustrasjonen på fig. 2 i en annen forskjellig posisjon; Fig. 5 er illustrasjonen på fig. 2 i en annen forskjellig posisjon;

Fig. 6 er illustrasjonen på fig. 2 i en annen forskjellig posisjon; og

Fig. 7 er illustrasjonen på fig. 2 i en annen forskjellig posisjon.

Detaljert beskrivelse

Initialt påpekes det at selv om beskrevne utførelser av styringsventilen og systemet som her fremlegges kan beskrives i form av nedihulls utstyr eller anven- deise, kan det hydrauliske aktiveringssystem anvendes på ethvert felt hvor det ville være fordelaktig å styre flere innretninger med kun tre styringsledninger.

Med henvisning til fig. 1, vises en styringsventil 10 skjematisk. Ventilen 10 inkluderer et hus 1 som bærer en spole 12. Spolen 12 responderer på trykk ved en innløpsport 14 både i form av overføringen av hydraulisk fluidtrykk og i form av den direkte aktivering av selve spolen. Styringsventilen 10 virker slik at den enten tilveiebringer hydraulisk trykk til en innretning eller fører hydraulisk trykk til en neste styringsventil i en serie av to eller flere ventiler. Det skal imidlertid forstås at styringsventilen som her beskrives også kan brukes uten en annen eller et annet antall av ventiler. En enkelt av de styringsventiler som her offentliggjøres kan velges til bruk for ethvert antall av applikasjoner hvor et første og et annet strømningsløp eller trykkløp er påkrevd eller ønsket.

For å effektuere ventilens evne til å tilveiebringe de to kommunikasjonsløp (trykk- eller strømningsløp), kan spolen 12 opereres syklisk mellom to posisjoner. Bevegelse fra en første posisjon til en annen posisjon skjer automatisk ved en første påføring og utslipp av trykk til ventilen enten initialt eller etter en tilbakestilling, og bevegelse fra den annen posisjon til den første posisjon kan oppnås ved påføring av trykk på en separat port i styringsventilen, omtalt videre herunder. Det skal forstås at automatisk bevegelse fra den første til den annen posisjon kan skje som allerede angitt, og kan også skje samtidig med den annen trykkhendelse etter initial bruk eller tilbakestilling for applikasjoner hvor det er ønskelig at det første kommunikasjonsløp blir værende forbundet inntil den annen trykkhendelse. Dette kan for eksempel være tilfelle der hvorfinjustering av innretningen som blir aktuert er ønskelig, og en tilbakestrøm av fluid derigjennom er virkningsfull for det ønskede resultat.

Med hensyn på den illustrerte utførelse og mer spesifikt med henvisning til fig. 1, vil spolen 12, ved en første påføring av hydraulisk fluidtrykk fra en fjerntliggende lokalisering (ikke vist) til innløpsporten 14, overføre dette trykket gjennom spoleløpet 16 til en innretningsport 18. Ved en reduksjon av trykk ved innløpspor-ten 14, opereres spolen 12 syklisk for å tillate en fluidforbindelsesevne deri, for å tilveiebringe slik forbindelse gjennom et spoleløp 20 mellom innløpsporten 14 og en ventilport 22. Det er viktig å merke seg at i denne utførelse skjer denne syklus kun ved et aller første trykk og utslipp eller etter en tilbakestilling av styringsventi len 10. Etterfølgende påføring av hydraulisk trykk fra den fjerntliggende lokalisering til innløpsporten 14 er rettet gjennom spolen 12 til ventilporten 22, idet spolen forblir i denne annen posisjon inntil tilbakestilling ved påføring av trykk på en tilba-kestillingsport 24, hvoretter den neste etterfølgende trykkhendelse igjen vil bli overført gjennom spolens løp 16 til innretningsporten 18. Styringsventilen 10 er valgbart posisjonerbar mellom de to posisjoner ethvert antall av ganger simpelthen ved velging av hvilken port som skal få trykkoppbygging fra den fjerntliggende lokalisering.

Med fortsatt henvisning til fig. 1 vil det forstås at spolen 12 inkluderer en flerhet av tetninger 26, som i en utførelse er o-ringer, som illustrert. Hver o-ring er posisjonert til å lokaliseres på den ene eller den andre side av et fluidstrømnings-løp, for å sette strømningsløpene i stand til å holde trykk. En med ordinær fag-kunnskap innen teknikken vil forstå dette av figuren. På spolen er det videre inklu-dert utsparinger 28 og 30. Utsparingene er posisjonert med omhu i forhold til hver-andre og i forhold til stempelsammenstillinger R og Q, slik at den ønskede operasjon av styringsventilen kan oppnås. Utsparingene 28 og 30 må posisjoneres slik at så snart utsparingen 28 blir frigjort fra sammenstillingen R, beveger spolen 12 seg, under press fra trykkfjæren 32, i den retning som er vist til venstre på figuren. Spolens bevegelse til venstre vil bli begrenset av sammenstillingen Q, men er util-strekkelig til å forhindre fornyet inngrep med sammenstillingen R inntil tilbakestilling av styringsventilen 10.

Når man ser på sammenstillingene R og Q i detalj, kan hver sammenstilling utsettes fortrykk ved innløpsporten 14, som illustrert på figuren, gjennom R sin forgrening 34 henholdsvis Q sin forgrening 36. Det vil av figuren forstås at sammenstillingene blir trykkaktuert ved aksialt forskjellige ender. En låseskyttel 38 er anordnet mellom sammenstillingene R og Q og konfigurert til selektivt inngrep med disse.

Ved påføring av trykk på innløpet 14, overfører forgreningen 34 og forgreningen 36 trykk og volum til sammenstillingene R og Q. Når trykk påføres på sammenstillingen R, beveger stemplet 40 seg mot forbelastningen fra fjæren 42, mot den øvre kant av figuren. Denne bevegelse frigjør pinnen 44 fra utsparingen 28. Samtidig beveger stemplet 46 av sammenstillingen Q seg mot den nedre kant av figuren mot forbelastningen fra fjæren 48, for å bringe pinnen 50 i inngrep med utsparingen 30. Det skal forstås at fjærkonstantene mellom fjæren 42 og fjæren 48 er forskjellige. Fjæren 48 har lavere fjærkonstant for å sørge for at pinnen 50 går i inngrep i utsparingen 30 før pinnen 44 løsgjøres fra utsparingen 28. Dette, som det er åpenbart fra den foregående drøftelse og tegningsfigur, er nødvendig for å hindre spolen 12 i å bevege seg til den annen posisjon for tidlig. Som det tidligere ble påpekt, posisjoneringen av utsparingene 28 og 30 forhindrer at pinnen 44 går i fornyet inngrep med utsparingen 28 så snart den er løsgjortfra utsparingen 28 (inntil tilbakestilling). Skyttelen 38 beveger seg automatisk inn i sammenstilling Q ved den samtidige bevegelse av sammenstillingene, og låses der. Skyttelen 38 forblir låst i sammenstillingen Q inntil trykk tappes av fra forgreningene 34 og 36. For at skyttelen skal låses opp fra sammenstillingen Q, må sammenstillingen R bevege seg til en posisjon hvor skyttelen kan bevege seg inn i den. Dette skjer når pinnen 44 hviler på en utvendig overflate 52 av spolen 12, hvilket klargjør spolen 12 til dens forflytning til den annen posisjon under kraften fra fjæren 32. Så snart pinnen 44 når den utvendige overflate, blir pinnen 44 selv presset mot en fjær 45 inne i et hulrom 47 i stemplet 40, og skyttelen er bevegelig inn i sammenstillingen R, hvilket løsgjør sammenstillingen Q. Fordi sammenstillingen Q forbelastes av fjæren 48, beveger sammenstillingen Q seg til en posisjon hvor den er frigjort fra utsparingen 30. Så snart pinnen 50 er frigjort fra utsparingen 30, og husk at pinnen 44 hviler på overflaten 52, i motsetning til å være i inngrep i utsparingen 28, er spolen fri til å bevege seg til venstre på figuren, for å posisjonere spolen i den annen posisjon. Tilbakestilling av styringsventilen krever trykk ved tilbakestillingspor-ten 24, hvilket presser spolen 12 mot fjæren 32 inntil pinnen 44 på ny kommer i inngrep i utsparingen 28 under forbelastningen fra fjæren 42. Det vil forstås at skyttelens 38 inngrep med stemplet 40 er en løs pasning for å tillate stemplet 40 og pinnen 44 å bevege seg inn i inngrep med utsparingen 28 selv under inngrep med skyttelen 38.

Styringsventilen(e) 10 som beskrevet ovenfor muliggjør hydraulisk aktuering og styring av fra én til mange nedihulls innretninger, samtidig som dette kun krever tre styringsledninger (illustrert som A, B og C her på tegningene) i enhver gitt posisjon av systemet og et antall av styringsledninger som er lik antallet av innretninger. Styringsventilene kan være en del av selve innretningene eller atskilt fra disse, etter ønske.

Det vises nå til fig. 2-7, hvor en utførelse av det hydrauliske aktiveringssystem er illustrert i forskjellige posisjoner når trykk kjøres syklisk for effektivt å pre-sentere leseren for systemets funksjonalitet. På figur 2 er en første styringsventil 10 i en posisjon hvor hydraulisk fluidtrykk som påføres gjennom styringsledningen 10 til port 14a sendes gjennom spolens løp 16a, innretningsporten 18a og derfra gjennom strømningsindikatoren 60 til en innretning 100. Trykkoppbyggingshendel-sen kan brukes til å aktivere innretningen 100 eller kan alternativt brukes uteluk-kende til syklisk operasjon av ventilen 10a. På illustrasjonen blir innretningen 100 aktuert til den åpne posisjon. Uansett om innretningen 100 aktiveres eller ikke, vil ventilen 10a opereres syklisk fra den første posisjon hvor innløpsporten 14a er forbundet til innretningsporten 18a til den annen posisjon hvor innløpsporten 14a er forbundet til ventilporten 22a. Hvis det er ønskelig at denne trykkoppbyggingshendelse aktiverer innretningen 100, så må styringsledningen C være åpen mot et trykk som er lavere enn det som er påført på ledningen A. Hvis det alternativt ikke er meningen at innretningen 100 skal aktiveres av den bestemte trykkoppbyggingshendelse i ledning A, så må ledning C påsettes kappe eller på annen måte holdes ved et trykk som er lik det som er i ledningen A for derved hydraulisk å låse innretningen 100, hvilket hindrer aktivering av denne.

Etter den første trykkoppbygging og utslipp fra ledning A, forflyttes styringsventilen 10 automatisk til den annen posisjon. Dette illustreres skjematisk på fig. 3, hvor spolens løp 20a er illustrert idet det forbinder innløpsporten 14a til ventilporten 22a. En annen strømningsindikator 62 illustrerer det fluidløp som da tilveie-bringes fra ventilporten 22a til innløpsporten 14b i styringsventilen 10b.

Identisk til den handling som nettopp er beskrevet i styringsventilen 10a, blir styringsventilen 10b aktivert initialt (eller etter tilbakestilling) av en første trykkoppbygging i indikatoren 62. Det vil forstås at som første bruk av hele systemet, eller etter tilbakestilling, hvilket skjer i alle styringsventiler samtidig, blir trykk ved inn-løpsporten 14b kun oppnådd ved to ganger trykkoppbygging av ledningen A. Antallet av trykkhendelser for å aktivere en bestemt styringsventil ved initial bruk eller etter tilbakestilling er faktisk lik antallet av styringsventiler som er foran målventilen pluss én. Likeledes vil den første trykkoppbyggingshendelse som oppleves av hver ventil resultere i trykk ved innretningsporten 16, mens en annen eller etterføl-gende trykkopplevelse som oppleves av hver ventil vil bli overført til ventilporten 22 og således til den neste ventil i en serie av ventiler. En serie av ventiler kan være så lang som ønskelig uten skadelig effekt inntil friksjonskrefter som aktue-ringsfluidet utsettes for bygges opp i en slik grad at trykkforandring blir utilstrekke-lig til å operere innretninger eller kjøre styringsventilene syklisk. Med bruken av en alminnelig styringsledning på 6,35 mm og de styringsventiler som er konfigurert på figur 1, er det selvinnlysende at et stort antall av ventiler må brukes før friksjon påtvinger begrensning som påpekt.

Når man har å gjøre med styringsventil 10b som illustrert på fig. 3, er aktivering eller ikke av innretningen 110 (illustrert som aktuert åpen på figuren) oppnåelig gjennom strømningsindikatoren 64 på lignede måte som aktivering eller ikke av innretningen 110 som påpekt ovenfor.

Ved en etterfølgende trykkhendelse for styringsventilen 10b, føres trykk gjennom spoleporten 20b til ventilporten 22b gjennom en annen strømningsindika-tor 66 til innløpsporten 14c til styringsventilen 10c, hvilket er illustrert som adressert på fig. 4 (på figur 4 er innretningen 120 illustrert som ikke aktuert, og er derfor igjen i den stengte posisjon mens spoleventilen kjøres syklisk). Prosessen som beskrives gjentas for så mange ventiler som det er i serien.

Som det vil forstås av det foregående kan enhver eller alle innretningene 100, 110, 120 eller 130 selektivt posisjoneres som ønsket i den åpne eller stengte posisjon i samsvar med det passende antall av trykksykluser (1 pluss antallet av innretninger som er foran målinnretningen) og kondisjoneringen av ledning C for enten å tillate at trykk går ut derigjennom eller ikke tillate at trykk går ut derigjennom, hvilket tillater aktuering av innretningen henholdsvis forårsaker at innretningen forblir hydrolåst på plass.

I tillegg til den selektive aktuering fra en første posisjon til en annen posisjon av innretningene som offentliggjort ovenfor, muliggjør styringsventilen(e) og systemet som her beskrives også selektiv aktuering av målinnretninger fra den annen posisjon til den første posisjon.

For at målinnretningen skal kunne bevege seg fra den annen posisjon til den første posisjon, må innretningen allerede være i den annen posisjon, led-ningstrykket i ledning C må være større enn det som er i ledning A, og styringsventilen som er forbundet med målinnretningen må være i en posisjon som forbinder innløpsporten 14 av styringsventilen med innretningsporten 18 av styrings ventilen. Dette sett av betingelser tillater trykk fra ledning C å virke på målinnretningen mens trykk går utfra denne innretningen gjennom ledning A. Målinnretninger blir på denne måte adressert én om gangen, ettersom enhver innretning hvis styringsventil er satt i den posisjon som forbinder innløpsporten 14 til ventilporten 22 går tom ved innretningsporten 18, hvilket hydraulisk låser denne innretningen. I systemet som illustrert, går alle unntatt én av styringsventilene i hele systemet tom. Således, for enhver gitt posisjon av systemet, er kun én innretning funksjonsdyktig basert på en trykkoppbygging i ledning C. På grunn av dette er selektiv styring av hver individuelle innretning (eller grupper av innretninger hvis konfigurert på denne måte på en bestemt eller hver styringsventil) oppnåelig med det system som her fremlegges. Som et verste tilfelle scenario for tid påkrevd for å operere en spesifikk innretning, hvis styringsventilen av målinnretningen for det inneværende er i den annen posisjon, er en tilbakestilling og deretter en trykkopp-byggingssekvens lik antallet av forutgående ventiler påkrevd for å oppnå den på-krevde fluidforbindelse for en trykkoppbygging i ledning C for å aktuere målinnretningen fra den annen til den første posisjon.

Den styringsventil og det system som her er beskrevet byr med fordel på selektiv aktuering mellom første og andre posisjoner for en bestemt én i en flerhet av aktuerbare innretninger kun ved bruk av tre hydrauliske styringsledninger ved enhver gitt lokalisering inne i en brønnboring eller den andre installasjon som krever styring av flere innretninger ved bruk av et begrenset antall av styringsledninger.