NO343640B1

NO343640B1 - Direct proportional surface control system for downhole throttle valve

Info

Publication number: NO343640B1
Application number: NO20075946A
Authority: NO
Inventors: Timothy R Tips
Original assignee: Welldynamics Inc
Priority date: 2005-04-20
Filing date: 2007-11-19
Publication date: 2019-04-15
Also published as: NO20075946L

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører generelt utførte operasjoner og benyttet utstyr i forbindelse med en undergrunnsbrønn og, i en heri beskrevet utførelsesform, mer spesifikt et direkteproporsjonalt overflatestyringssystem for en nedihulls strupeventil. The present invention generally relates to operations performed and equipment used in connection with an underground well and, in an embodiment described herein, more specifically to a directly proportional surface control system for a downhole choke valve.

Mange styringssystemer er tilgjengelige for styring av aktuering av nedihulls brønnverktøy. Uheldigvis er disse eksisterende styringssystemene typisk svært kompliserte og derfor kostbare og utsatt for feil i et ugjestmildt, korrosivt, høytemperaturs brønnmiljø mettet med rusk og rask. Many control systems are available for controlling the actuation of downhole well tools. Unfortunately, these existing control systems are typically very complicated and therefore expensive and prone to failure in an inhospitable, corrosive, high-temperature well environment saturated with debris and fast.

Videre etterlater de fleste eksisterende styringssystemer en operatør på overflaten usikker om den faktiske posisjonen til en nedihulls aktuator. Operatøren kan bli gitt en indikasjon på om nedihullsaktuatoren skal være basert på trykknivåer, antall trykkpåføringer etc., men ingen direkte fysisk indikator blir gitt operatøren om aktuatorens faktiske posisjon. Furthermore, most existing control systems leave a surface operator unsure of the actual position of a downhole actuator. The operator may be given an indication of whether the downhole actuator should be based on pressure levels, number of pressure applications, etc., but no direct physical indicator is given to the operator of the actual position of the actuator.

US 2002/014338 A1 beskriver en hydraulisk operert fluidmåleanordning tilveiebringer utslipp av et kjent fluidvolum til en aktivator for et brønnverktøy. I en beskrevet utførelsesform er fluidmåleanordningen koplet til en hydraulisk inngang av en brønnverktøyaktivator. Utslipp av kjent fluidvolumet til aktivatorinngangen får et stempel i aktivatoren til å forskyves en kjent lengde, som dermed frembringer et kjent tilvekst av aktivering av brønnverktøyet. Utslippet av det kjente fluidvolumet kan bli gjentatt for å frembringe en ønsket total aktiveringsgrad av brønnverktøyet. US 2002/014338 A1 describes a hydraulically operated fluid measuring device providing discharge of a known fluid volume to an activator for a well tool. In a described embodiment, the fluid measuring device is connected to a hydraulic input of a well tool activator. Discharge of the known volume of fluid to the activator inlet causes a piston in the activator to move a known length, thereby producing a known increase in activation of the well tool. The release of the known fluid volume can be repeated to produce a desired total activation degree of the well tool.

I typiske åpen-sløyfe-hydraulikkstyringssystemer blir hydraulikkfluid levert til en side av et stempel av en pumpe, og fluid blir sluppet ut fra den andre siden av stempelet til et reservoar, vanligvis ved atmosfærisk trykk. En ulempe med et slikt åpen-sløyfehydraulikkstyringssystem er at gassen medrevet i fluidet ved lave trykk (f.eks. ved atmosfærisk trykk) forårsaker ikke-lineære volumendringer når trykket blir øket (f.eks. ved bruk av en pumpe). Slike ikke-lineære fluidvolumendringer gir usikkerhet ved den resulterende forflytningen av stempelet. In typical open-loop hydraulic control systems, hydraulic fluid is delivered to one side of a piston by a pump, and fluid is released from the other side of the piston into a reservoir, usually at atmospheric pressure. A disadvantage of such an open-loop hydraulic control system is that the gas entrained in the fluid at low pressures (e.g. at atmospheric pressure) causes non-linear volume changes when the pressure is increased (e.g. when using a pump). Such non-linear fluid volume changes provide uncertainty in the resulting displacement of the piston.

Derfor kan det sees at forbedringer trengs i systemer for styring av operasjon av fjernplasserte verktøy. Det er et formål med den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe slike forbedringer. Therefore, it can be seen that improvements are needed in systems for managing the operation of remotely located tools. It is an object of the present invention to provide such improvements.

Ved utføring av prinsippene i henhold til den foreliggende oppfinnelse er et styringssystem tilveiebrakt som løser i det minste ett problem innen området. Et eksempel er beskrevet under, i hvilket et stempel hos styringssystemet på et fjernt sted forflyttes for å forflytte et stempel hos en aktuator for et verktøy. Forflytningen av stemplene er proporsjonale med hverandre, slik at ved å motta en indikasjon på fjernstyringssystemstempelforflytningen kan aktuatorstempelforflytningen bli kjent. By carrying out the principles according to the present invention, a control system is provided which solves at least one problem within the area. An example is described below, in which a remote control system piston is moved to move a tool actuator piston. The displacement of the pistons are proportional to each other, so that by receiving an indication of the remote control system piston displacement, the actuator piston displacement can be known.

I ett aspekt av oppfinnelsen er et system for styring av operasjon av et verktøy, hvilket system er innbefatter: en aktuator for verktøyet, hvilken aktuator inkluderer et aktuatorelement som forflyttes med et stempel hos aktuatoren for å operere verktøyet, hvilket aktuatorstempel atskiller første og andre kamre hos aktuatoren; et styringssystemelement anordnet på et sted fjernt fra aktuatoren, idet en forflytning av styringssystemelementet med et styringssystemstempel forårsaker en forflytning av aktuatorelementet, og at styringssystemelementforflytningen er proporsjonal med aktuatorelementforflytningen, og at styringssystemstempelet atskiller første og andre kamre hos et styringssystem på det fjerne stedet, og at stempelet er eksponert for trykk i hvert av de første og andre styringssystemkamre; og en første ledning som tilveiebringer kommunikasjon mellom styringssystemets første kammer og aktuatorens første kammer, og en andre ledning som samtidig tilveiebringer kommunikasjon mellom styringssystemets andre kammer og aktuatorens andre kommer, hvori forflytting av styringssystemstempelet i en retning slipper væske inn i et av de første og andre kamrene i aktuatoren og derved forårsaker forflytting av aktuatorstemplet i en første retning, og forflytting av tyringssystemstempelet i motsatt retning slipper væske inn i den andre av aktuatorens første og andre kamre og derved forårsake forflytting av aktuatorstemplet i en retning motsatt den første retning. In one aspect of the invention is a system for controlling operation of a tool, which system includes: an actuator for the tool, which actuator includes an actuator element that is moved by a piston of the actuator to operate the tool, which actuator piston separates first and second chambers at the actuator; a control system element arranged at a location remote from the actuator, wherein a movement of the control system element by a control system piston causes a movement of the actuator element, and that the control system element movement is proportional to the actuator element movement, and that the control system piston separates first and second chambers of a control system at the remote location, and that the piston is exposed to pressure in each of the first and second control system chambers; and a first line providing communication between the first chamber of the control system and the first chamber of the actuator, and a second line simultaneously providing communication between the second chamber of the control system and the second chamber of the actuator, wherein movement of the control system piston in one direction admits fluid into one of the first and second the chambers of the actuator thereby causing movement of the actuator piston in a first direction, and movement of the steering system piston in the opposite direction allows fluid into the second of the actuator's first and second chambers thereby causing movement of the actuator piston in a direction opposite to the first direction.

Disse og andre trekk, fordeler og formål med den foreliggende oppfinnelse vil fremgå for fagmannen innen området ved gjennomgang av den detaljerte beskrivelse av representative utførelsesformer av oppfinnelsen gitt nedenfor, og de medfølgende tegninger. These and other features, advantages and purposes of the present invention will be apparent to the person skilled in the art by reviewing the detailed description of representative embodiments of the invention given below, and the accompanying drawings.

Figur 1 er et skjematisk, delvis tverrsnittsriss av et brønnstyringssystem i henhold til den foreliggende oppfinnelse; Figure 1 is a schematic, partial cross-sectional view of a well control system according to the present invention;

Figur 2 er et skjematisk hydraulisk kretsdiagram av en første konfigurasjon av systemet i figur 1; Figure 2 is a schematic hydraulic circuit diagram of a first configuration of the system of Figure 1;

Figur 3 er skjematisk hydraulisk kretsdiagram av en andre konfigurasjon av systemet i figur 1; og Figure 3 is a schematic hydraulic circuit diagram of a second configuration of the system of Figure 1; and

Figur 4 er et skjematisk hydraulisk kretsdiagram av en tredje konfigurasjon av systemet i figur 1. Figure 4 is a schematic hydraulic circuit diagram of a third configuration of the system of Figure 1.

I figur 1 er det representativt vist et brønnstyringssystem 10 i henhold til den foreliggende oppfinnelse. I den etterfølgende beskrivelse av systemet 10 og andre anordninger og fremgangsmåter beskrevet heri blir retningsbetegnelser, slik som ”over”, ”under”, ”øvre”, ”nedre” etc., benyttet for enkelhets skyld ved henvisning til de medfølgende tegninger. I tillegg skal det forstås at de ulike utførelsesformer av den foreliggende oppfinnelse beskrevet heri kan benyttes i ulike orienteringer, slik som på skrå, snudd opp/ned, horisontalt, vertikalt etc., og i ulike klonfigurasjoner uten å fravike fra prinsippene ved den foreliggende oppfinnelse. Utførelsesformene er beskrevet bare som eksempler på nyttige anvendelser av prinsippene ved oppfinnelsen, som ikke er begrenset til noen spesifikke detaljer av disse utførelsesformer. Figure 1 shows a representative representation of a well control system 10 according to the present invention. In the subsequent description of the system 10 and other devices and methods described herein, directional designations, such as "above", "below", "upper", "lower" etc., are used for simplicity when referring to the accompanying drawings. In addition, it should be understood that the various embodiments of the present invention described herein can be used in various orientations, such as at an angle, upside down, horizontal, vertical, etc., and in various clone configurations without deviating from the principles of the present invention . The embodiments are described only as examples of useful applications of the principles of the invention, which are not limited to any specific details of these embodiments.

Slom vist i figur 1 er en rørstreng 12 (slik som en produksjons-, injeksjons-, bore-, service-, kveilrørs- eller annen type rørstreng) blitt installert i et brønnhull 14. Et brønnverktøy 16 er sammenkoplet i rørstrengen 12. Brønnverktøyet 16 inkluderer en strømningsstyreinnretning 18 og en aktuator 20 for operasjon av strømningsstyreinnretningen. As shown in Figure 1, a tubing string 12 (such as a production, injection, drilling, service, coiled tubing, or other type of tubing string) has been installed in a wellbore 14. A well tool 16 is coupled into the tubing string 12. The well tool 16 includes a flow control device 18 and an actuator 20 for operation of the flow control device.

For eksempel kan strømningsstyreinnretningen 18 være en ventil eller struper for styring av strømmen mellom en innside av rørstrengen og et ringrom 22 dannet mellom rørstrengen 12 og brønnhullet 14. Aktuatoren 20 kan operere for å forflytte et lukkeelement 24 hos strømningsstyreinnretningen 18 for dermed å regulere strømmen gjennom strømningsstyreinnretningen. Imidlertid skal det klart forstås at strømverktøyet 16 kan være en hvilken som helst type brønnverktøy, og ikke nødvendigvis inkludere en strømningsstyreinnretning, i henhold til prinsippene ved oppfinnelsen. For example, the flow control device 18 can be a valve or throttle for controlling the flow between an inside of the pipe string and an annulus 22 formed between the pipe string 12 and the wellbore 14. The actuator 20 can operate to move a closing element 24 of the flow control device 18 to thereby regulate the flow through the flow control device. However, it should be clearly understood that the power tool 16 may be any type of well tool, and not necessarily include a flow control device, according to the principles of the invention.

Aktuatoren 20 er i fluidforbindelse med et fjernstyringssystem 26 via en eller flere fluidledninger 28 forløpende derimellom. Fluidtrykk påført ledningene 28 får aktuatoren 20 til å forflytte lukkeelementer 24 for å øke og/eller redusere strømmen gjennom strømningsstyreinnretningen 18. For eksempel kan øket eller redusert trykk påført en av ledningene 28 få aktuatoren 20 til å forflytte lukkeelementet 24 i en retning, og øket eller redusert trykk påført den andre av ledningene kan få aktuatoren til å forflytte lukkeelementet i en motsatt retning. Andre fremgangsmåter for styring av operasjon av aktuatoren 20 kan benyttes inennfor prinsippene for oppfinnelsen. The actuator 20 is in fluid connection with a remote control system 26 via one or more fluid lines 28 running between them. Fluid pressure applied to the conduits 28 causes the actuator 20 to move closure elements 24 to increase and/or decrease the flow through the flow control device 18. For example, increased or decreased pressure applied to one of the conduits 28 can cause the actuator 20 to move the closure element 24 in one direction, and increased or reduced pressure applied to the other of the wires may cause the actuator to move the closure element in an opposite direction. Other methods for controlling the operation of the actuator 20 can be used within the principles of the invention.

Ved nå i tillegg å henvise til figur 2 er et skjematisk hydraulisk kretsdiagram vist for systemet 10. I dette diagrammet kan det sees at et stempel 30 hos fjernstyringssystemet 26 er i fluidforbindelse med et stempel 32 hos aktuatoren 20. Stempelet 30 atskiller to kamre 34, 38, og stempeelt 32 atskiller to kamre 36, 40. By now additionally referring to Figure 2, a schematic hydraulic circuit diagram is shown for the system 10. In this diagram it can be seen that a piston 30 of the remote control system 26 is in fluid communication with a piston 32 of the actuator 20. The piston 30 separates two chambers 34, 38, and stem area 32 separates two chambers 36, 40.

I dette eksemplet kopler en av ledningene 28 kammeret 34 til kammeret 36, og en annen av ledningene kopler kammeret 38 til kammeret 40. Ledningene 28 kan være tilkoplet ved bruk av hurtigkoplinger 42 i overflaten. Ventiler 44 kan benyttes for å isolere fjernstyringssystemet 26 fra aktuatoren 20 når dette er ønskelig, slik som når aktuatoren ikke blir operert. Ytterligere ledninger 28, hurtigkoplinger 42 og ventiler 44 kan være tilveiebrakt for styring av operasjon av ytterligere brønnverktøy. In this example, one of the wires 28 connects the chamber 34 to the chamber 36, and another of the wires connects the chamber 38 to the chamber 40. The wires 28 can be connected using quick connectors 42 in the surface. Valves 44 can be used to isolate the remote control system 26 from the actuator 20 when this is desired, such as when the actuator is not operated. Additional lines 28, quick connectors 42 and valves 44 may be provided for controlling the operation of additional well tools.

Det vil enkelt forstås av fagmannen innen området at når stempelet 30 blir forflyttet til høyere som vist i figur 2, vil fluid bli sluppet ut fra kammeret 38 og inn i en av ledningene 28. Dette vil få stempelet 32 til å forflyttes oppover, som vist i figur 2, og dermed slippe fluid ut fra kammeret 36 og inn i kammeret 34 via en annen av ledningene 28. Tilsvarende vil forflytning av stempelet 30 til venstre få aktuatorstempelet 32 til å forflyttes nedover, som vist i figur 2. Aktuatorstempelet 32 kan for eksempel være koplet til lukkeelementet 24 til strømningsstyreinnretningen 18 via et element 72, slik at slik forflytning av stempelet kan bli benyttet for å forflytte lukkeelementet. It will be readily understood by those skilled in the art that when the piston 30 is moved higher as shown in Figure 2, fluid will be released from the chamber 38 into one of the lines 28. This will cause the piston 32 to be moved upwards, as shown in Figure 2, thus releasing fluid from the chamber 36 into the chamber 34 via another of the lines 28. Similarly, moving the piston 30 to the left will cause the actuator piston 32 to move downwards, as shown in Figure 2. The actuator piston 32 can for example, be connected to the closing element 24 of the flow control device 18 via an element 72, so that such movement of the piston can be used to move the closing element.

Det vil også forstås at stemplene 30, 32 og deres respektive kamre 34, 36, 38, 40 alle er en del av en toveis balansert fluidsylinder, som vist i figur 2. Dette betyr at stempelet 30 og dets tilknyttede kamre 34, 38 er en del av en toveis balansert fluidsylinder hos fjernstyringssystemet 26, og at stempelet 32 og dets tilknyttede kamre 36, 40 er en del av en toveis balansert fluidsylinder hos aktuatoren 20. It will also be understood that the pistons 30, 32 and their respective chambers 34, 36, 38, 40 are all part of a two-way balanced fluid cylinder, as shown in Figure 2. This means that the piston 30 and its associated chambers 34, 38 are a part of a two-way balanced fluid cylinder at the remote control system 26, and that the piston 32 and its associated chambers 36, 40 are part of a two-way balanced fluid cylinder at the actuator 20.

Fluidvolumet som slippes ut grunnet forflytning av stempelet 30 er det samme som fluidvolumet som forårsaker forflytning av aktuatorstempelet 32. Derfor er forflytningene av stemplene 30, 32 direkteproporsjonale. Forholdet mellom stempel-30-forflytningen og stempel-32-forflytningen er lik forholdet mellom stempel-32-arealet og stempel-30-arealet. Imidlertid kan andre konfigurasjoner benyttes innenfor prinsippene for oppfinnelsen, for eksempel kan bruk av en trykkforsterker mellom stemplene 30, 32 endre forflytningsforholdet etc. The volume of fluid discharged due to displacement of the piston 30 is the same as the volume of fluid which causes displacement of the actuator piston 32. Therefore, the displacements of the pistons 30, 32 are directly proportional. The ratio between the piston-30 displacement and the piston-32 displacement is equal to the ratio between the piston-32 area and the piston-30 area. However, other configurations can be used within the principles of the invention, for example the use of a pressure booster between the pistons 30, 32 can change the displacement ratio etc.

I konfigurasjonen som vist i figur 2 kan således posisjonen til aktuatorstempelet bli kjent hvis posisjonen til overflatestempelet 30 er kjent, siden forflytningene av stemplene er direkteproporsjonale. For å gjøre det mulig for posisjonen til overflatestempelet 30 å bli kjent er et indikatorelement 46 festet til stempelet. Som vist i figur 2 er elementet 46 en viser som er synlig for en operatør i overflaten, idet en posisjon for viseren i forhold til en gradert skala indikerer posisjonen til overflatestempelet 30. Imidlertid kan en hvilken som helst annen type indikasjonselement benyttes i henhold til prinsippene for oppfinnelsen. In the configuration shown in Figure 2, the position of the actuator piston can thus be known if the position of the surface piston 30 is known, since the movements of the pistons are directly proportional. To enable the position of the surface stamp 30 to be known, an indicator element 46 is attached to the stamp. As shown in Figure 2, the element 46 is a pointer visible to an operator in the surface, a position of the pointer relative to a graduated scale indicating the position of the surface stamp 30. However, any other type of indicating element may be used according to the principles for the invention.

For å forflytte overflatestempelet 30 inkluderer fjernstyringssystemet 26 et annet stempel 48 koplet til overflatestempelet 30. Stempelet 30 forflyttes med stempelet 48. Stempelet 48 blir forflyttet ved hjelp av en trykkilde 50 (slik som en pumpe etc.) og en manuelt operert skifteventil 52, som styrer påføring av trykk fra trykkilden til et valgt av to kamre 54, 56 atskilt av stempelet 48. To move the surface piston 30, the remote control system 26 includes another piston 48 coupled to the surface piston 30. The piston 30 is moved with the piston 48. The piston 48 is moved by means of a pressure source 50 (such as a pump, etc.) and a manually operated shift valve 52, which controls the application of pressure from the pressure source to a selected one of two chambers 54, 56 separated by the piston 48.

Når øket trykk blir påført kammeret 54 vil stemplene 48, 30 forflyttes til høyre, som får aktuatorstempelet 32 til å forflyttes oppover. Når øket trykk blir påført det andre kammeret 56 vil stemplene 48, 30 forflyttes til venstre, som får aktuatorstempelet 32 til å forflyttes nedover. When increased pressure is applied to the chamber 54, the pistons 48, 30 will move to the right, which causes the actuator piston 32 to move upwards. When increased pressure is applied to the second chamber 56, the pistons 48, 30 will move to the left, which causes the actuator piston 32 to move downwards.

Siden fluidet i ledningene 28 og kamrene 34, 36, 38, 40 vil være i det minste litt komprimerbart, er det ønskelig å være i stand til å komprimere fluidet før forflytning av stempelet 30. På denne måte vil forflytning av stempelet 30 ikke forårsake vesentlig ytterligere komprimering av fluidet, og slik vil forflytning av stempelet 30 i overflaten mer nøyaktig reflekterer forflytningen av stempelet 32 nedi hullet. Since the fluid in the conduits 28 and the chambers 34, 36, 38, 40 will be at least slightly compressible, it is desirable to be able to compress the fluid before moving the piston 30. In this way, moving the piston 30 will not cause significant further compression of the fluid, and so movement of the piston 30 in the surface will more accurately reflect the movement of the piston 32 down the hole.

For initialt å komprimere fluidet i ledningene 28 og kamrene 34, 36 før forflytning av stempelet 30 inkluderer systemet en trykksetter 58 i overflaten. Trykksetteren 58 kan være en akkumulator ladet med nitrogengass eller en pumpe, eller en annen type trykkilde. To initially compress the fluid in the lines 28 and the chambers 34, 36 before moving the piston 30, the system includes a pressure setter 58 in the surface. The pressurizer 58 can be an accumulator charged with nitrogen gas or a pump, or another type of pressure source.

Trykksetteren 58 er koplet til kamrene 34, 38 (og således til ledningene 28 og kamrene 36, 40) via ventiler 60. Før forflytning av stempelet 30 blir ventilene 44, 60 åpnet, som dermed tillater fluid i ledningene 28 og kamrene 34, 36, 38, 40 å bli komprimert til et øket trykk ved hjelp av trykksetteren 58. Straks fluidet er ved det økede trykket blir ventilene 60 lukket, og så blir stempelet 30 forflyttet for å forårsake forflytning av aktuatorstempelet 32. The pressure setter 58 is connected to the chambers 34, 38 (and thus to the lines 28 and the chambers 36, 40) via valves 60. Before moving the piston 30, the valves 44, 60 are opened, which thus allows fluid in the lines 28 and the chambers 34, 36, 38, 40 to be compressed to an increased pressure by means of the pressure setter 58. As soon as the fluid is at the increased pressure, the valves 60 are closed, and then the piston 30 is moved to cause the actuator piston 32 to move.

Selvfølgelig forflyttes elementet 46 med stemplet 30. En måling av forflytningen av elementet 46 vil således tillate forflytningen av stempelet 32 å bli kjent. Alternativt, eller i tillegg, kan en posisjon for elementet 46 relateres til en posisjon for stempelet 32 ved bruk av andre typer målinger, slik som prosentandel av et fullt slag i hver retning etc. Of course, the element 46 is moved with the piston 30. A measurement of the movement of the element 46 will thus allow the movement of the piston 32 to be known. Alternatively, or in addition, a position of the element 46 can be related to a position of the piston 32 using other types of measurements, such as percentage of a full stroke in each direction, etc.

En mulighet er å forflytte stempelet 30 i en retning inntil det er kjent at stempelet 32 har slått fullstendig oppover eller nedover, og så markere den resulterende posisjonen til elementet 46 (stempelet 30 kan, men trenger ikke, bli fullstendig slått samtidig som stempelet 32 blir fullstendig slått). Stempelet 30 blir så forflyttet i den motsatte retning inntil det er kjent at stempelet har fullstendig slått i sin korresponderende oppover- eller nedoverretning, og posisjonen til elementet 46 blir igjen markert. De to merkene indikerer nå fullslagsposisjonene hos stempelet 32, og stempelet 32 kan nå bli forflyttet til en kjent posisjon mellom dens fullslagsposisjoner ved å forflytte overflatestempelet 30 slik at elementet 46 er i den korresponderende posisjon mellom de to merkene. One possibility is to move the piston 30 in one direction until it is known that the piston 32 has fully stroked up or down, and then mark the resulting position of the element 46 (the piston 30 may, but need not, be fully stroked at the same time as the piston 32 is completely beaten). The piston 30 is then moved in the opposite direction until it is known that the piston has completely struck in its corresponding upward or downward direction, and the position of the element 46 is again marked. The two marks now indicate the full stroke positions of the piston 32, and the piston 32 can now be moved to a known position between its full stroke positions by moving the surface piston 30 so that the element 46 is in the corresponding position between the two marks.

Ved nå i tillegg å henvise til figur 3 er en annen konfigurasjon av systemet 10 vist i hvilken stempelet 48, pumpen 50 og skifteventilen 52 ikke blir benyttet for å forflytte stemplene 30 i overflaten. I stedet blir stempelet 30 forflyttet ved hjelp av en motor 62 som roterer en gjengeaksel 64 via et reduksjonsgir 66. Rotasjon av akselen 64 forårsaker forflytning av en gjenget spindel 68 som er koplet til stempelet 30. By now additionally referring to figure 3, another configuration of the system 10 is shown in which the piston 48, the pump 50 and the changeover valve 52 are not used to move the pistons 30 in the surface. Instead, the piston 30 is moved by a motor 62 which rotates a threaded shaft 64 via a reduction gear 66. Rotation of the shaft 64 causes movement of a threaded spindle 68 which is connected to the piston 30.

Motoren 62, reduksjonsgiret 66, akselen 64 og spindelen 68 kan være inkludert i en kommersielt tilgjengelig forflytningsinnretning 70, eller de kan bli bygget for formålet og sammenstilt for en bestemt anvendelse. Denne konfigurasjonen av systemet 10 demonstrerer at en hvilken som helst type forflytningsinnretning kan benyttes for å forflytte stempelet 30. The motor 62, reduction gear 66, shaft 64 and spindle 68 may be included in a commercially available transfer device 70, or they may be purpose built and assembled for a particular application. This configuration of the system 10 demonstrates that any type of moving device can be used to move the piston 30.

Bemerk at det ikke er nødvendig i forhold til prinsippene for oppfinnelsen at styringssystemet 26 er anordnet på jordoverflaten i noen av utførelsesformene av systemet 10 beskrevet heri. For eksempel kan styringssystemet 26 være anordnet på et hvilket som helst sted fjernt fra aktuatoren 20, slik som på et annet nedihullssted, på havbunnen, i et undersjøisk brønnhode, på en undersjøisk rørledning etc. Prinsippene for oppfinnelsen er altså ikke begrenset til plasseringen av aktuatoren 20 i et nedihullsmiljø, siden aktuatoren i stedet kan bli benyttet for å styre aktuering av for eksempel undervanns strupeventiler, undervanns gassløfteutstyr, borestrengtestutstyr, nødfrakoplingssystemer, overflate- og undervannsrørledningsutstyr etc. Note that it is not necessary in relation to the principles of the invention that the control system 26 is arranged on the earth's surface in any of the embodiments of the system 10 described herein. For example, the control system 26 can be arranged at any location remote from the actuator 20, such as at another downhole location, on the seabed, in an underwater wellhead, on an underwater pipeline, etc. The principles of the invention are thus not limited to the location of the actuator 20 in a downhole environment, since the actuator can instead be used to control the actuation of, for example, underwater throttle valves, underwater gas lift equipment, drill string test equipment, emergency disconnect systems, surface and underwater pipeline equipment, etc.

Det vil enkelt forstås at fagmannen innen området av systemet 10 tilveiebringer en lukket-sløyfe fluidkrets mellom stemplene 30, 32 til fjernstyringssystemet 26 og aktuatoren 20. Dette betyr at når stemplene 30, 32 forflyttes er det ikke noe fluidtap eller fluidøkning i kamrene 34, 36, 38, 40 og ledningene 28 som sammenkopler kamrene. Begge sider av hvert av stemplene 30, 32 er således lukket for fluidtap og –økninger, slik at konservering av energi og masse blir bibeholdt mellom de to fjernstemplene, som dermed gjør deres forflytninger direkte proporsjonale. It will be easily understood that the expert within the area of the system 10 provides a closed-loop fluid circuit between the pistons 30, 32 of the remote control system 26 and the actuator 20. This means that when the pistons 30, 32 are moved there is no fluid loss or fluid increase in the chambers 34, 36 , 38, 40 and the wires 28 which connect the chambers. Both sides of each of the pistons 30, 32 are thus closed to fluid losses and increases, so that conservation of energy and mass is maintained between the two remote pistons, which thus makes their displacements directly proportional.

Dette er ikke tilfellet i typiske åpen-sløyfe-hydraulikkstyringssystemer, i hvilke fluid blir levert til én side av et stempel ved hjelp av en pumpe, og fluid blir sluppet ut fra den andre siden av stempelet til et reservoar, vanligvis ved atmosfærisk trykk. En ulempe ved et slikt åpen-sløyfe-hydraulikkstyringssystem er at gass meddrevet i strømmen ved lave trykk (f.eks. ved atmosfæretrykk) forårsaker ikke-lineære volumendringer når trykket blir øket (f.eks. ved bruk av en pumpe). This is not the case in typical open-loop hydraulic control systems, in which fluid is delivered to one side of a piston by a pump, and fluid is released from the other side of the piston into a reservoir, usually at atmospheric pressure. A disadvantage of such an open-loop hydraulic control system is that gas entrained in the flow at low pressures (e.g. at atmospheric pressure) causes non-linear volume changes when the pressure is increased (e.g. when using a pump).

En fordel ved bruk av et lukket-sløyfe fluidstyringssystem, slik som systemet 10, er at friksjon under forflytning av aktuatorstempelet 32 blir kompensert for. Initiell forflytning av fjernstyringssystemstempelet 30 forårsaker en trykkdifferanse over aktuatorstempelet 32, som igjen får aktuatorstempelet til å forflyttes. Hvis friksjon forhindrer en del av forflytningen av aktuatorstempelet 32, vil dette føre til en resttrykkdifferanse som forblir over aktuatorstempelet (dvs. grunnet konservering av arbeid i lukket-sløyfehydraulikkretsen). Denne resttrykkdifferansen vil bli kommunisert til fjernstyringsstempelet 30 som, som respons, vil forflyttes til en posisjon som mer nøyaktig indikerer posisjonen til aktuatorstempelet 32. An advantage of using a closed-loop fluid control system, such as system 10, is that friction during movement of the actuator piston 32 is compensated for. Initial movement of the remote control system piston 30 causes a pressure differential across the actuator piston 32, which in turn causes the actuator piston to move. If friction prevents part of the movement of the actuator piston 32, this will result in a residual pressure differential that remains across the actuator piston (ie, due to conservation of work in the closed-loop hydraulic circuit). This residual pressure difference will be communicated to the remote control piston 30 which, in response, will move to a position that more accurately indicates the position of the actuator piston 32.

Bemerk at det heller ikke er nødvendig i forhold til prinsippene ved den foreliggende oppfinnelse at elementet 46 er synlig for en operatør. For eksempel kan utstyr og instrumentering (slik som sensorer og telemetri etc.) benyttes for å kommunisere indikasjoner av posisjonen av stempelet 30 til en operatør på et fjernt sted, eller til andre fasiliteter (slik som datalagringsinnretninger eller automatisert brønnstyringssystemer etc.). Note that it is also not necessary in relation to the principles of the present invention that the element 46 is visible to an operator. For example, equipment and instrumentation (such as sensors and telemetry, etc.) may be used to communicate indications of the position of the plunger 30 to an operator at a remote location, or to other facilities (such as data storage devices or automated well control systems, etc.).

Selv om systemet 10 er blitt beskrevet ovenfor ved å benytte en lukket-sløyfe fluidkrets, skal det klart forstås at en slik krets ikke er begrenset til en hydraulisk krets. Andre typer fluider kan benyttes. For eksempel kan systemet 10 benytte en lukket-sløyfe pneumatisk krets. Although the system 10 has been described above using a closed-loop fluid circuit, it should be clearly understood that such a circuit is not limited to a hydraulic circuit. Other types of fluids can be used. For example, the system 10 may use a closed-loop pneumatic circuit.

Det vil også forstås at konservering av energiprinsippene benyttet i systemet 10 også kan benyttes i forbindelse med andre typer lukket-sløyfekretser. For eksempel kan en elektrisk krets benyttes, i hvilken ledningene 28 er elektriske ledninger og stemplene 30, 32 og sylinderne 34, 36, 38, 40 er erstattet av elektriske solenoider (dvs. at aktuatoren 20 vil inkludere en solenoide, og fjernstyringssystemet 26 vil inkludere en annen solenoide). I det tilfellet ville forflytning av et solenoidelement få elektrisk strøm til å bli overført via ledningene 28 til en annen fjernplassert solenoide, som dermed forårsaker forflytning av et element hos den fjerne solenoiden. It will also be understood that conservation of the energy principles used in system 10 can also be used in connection with other types of closed-loop circuits. For example, an electrical circuit may be used in which the wires 28 are electrical wires and the pistons 30, 32 and cylinders 34, 36, 38, 40 are replaced by electrical solenoids (ie, the actuator 20 will include a solenoid, and the remote control system 26 will include another solenoid). In that case, movement of a solenoid element would cause electrical current to be transferred via the wires 28 to another remote solenoid, thereby causing movement of an element of the remote solenoid.

I figur 4 er det representativt vist en annen konfigurasjon av systemet 10, i hvilken multiple aktuatorer 20 er koplet til fjernstyringssystemet 26. Bemerk at en side av hvert av kammerne 36 til aktuatorene 20 er koplet til det samme kammeret 34 hos fjernstyringssystemet 26, men kammeret 38 til fjernstyringssystemene er koplet til utvalgte av kamrene 40 hos aktuatorene (via multiple ventiler 44 sammenkoplet mellom kammeret 38 og kamrene 40). På denne måten kan hver av aktuatorene 20 bli operert individuelt, eller at flere av aktuatorene kan bli operert samtidig. In Figure 4, another configuration of the system 10 is representatively shown, in which multiple actuators 20 are connected to the remote control system 26. Note that one side of each of the chambers 36 of the actuators 20 is connected to the same chamber 34 of the remote control system 26, but the chamber 38 to the remote control systems is connected to selected of the chambers 40 of the actuators (via multiple valves 44 interconnected between the chamber 38 and the chambers 40). In this way, each of the actuators 20 can be operated individually, or that several of the actuators can be operated simultaneously.

Claims

Patent claims

1. System for controlling the operation of a tool (16), which system is characterized by including:

an actuator (20) for the tool, which actuator includes an actuator element moved by a piston (32) of the actuator to operate the tool, which actuator piston (32) separates first (36) and second chambers (40) of the actuator (20); a control system element arranged at a location remote from the actuator, in that a movement of the control system element with a control system piston (30) causes a movement of the actuator element, and that the control system element movement is proportional to the actuator element movement, and that the control system piston separates the first and second chambers (334, 38) of a steering system (26) at the remote location, and that the piston is exposed to pressure in each of the first and second steering system chambers; and a first line (28) which provides communication between the first chamber of the control system and the first chamber of the actuator, and a second line (28) which simultaneously provides communication between the second chamber of the control system and the second comer of the actuator, wherein movement of the control system piston (30) in one direction releases fluid into one of the first and second chambers (36, 40) of the actuator (20) thereby causing movement of the actuator piston (32) in a first direction, and movement of the steering system piston (30) in the opposite direction releasing fluid into the second of the actuator's first and second chambers (36, 40) thereby causing movement of the actuator piston (32) in a direction opposite to the first direction.

2. System according to claim 1, characterized in that the actuator and control system pistons are included in a closed-loop fluid circuit.

3. System according to claim 2, characterized in that each of the actuator and control system pistons is included in a two-way balanced fluid cylinder.

4. System according to claim 2, characterized in that conservation of energy and mass is maintained during the movements of the actuator and control system pistons.

5. System according to claim 1, characterized in that fluid is neither supplied nor removed from any of the first and second lines, the first and second chambers of the actuator and the first and second chambers of the control system during movement of the actuator and control system pistons.

6. System according to claim 1, characterized in that the tool is at least one of a well tool, a choke valve, an underwater tool and a pipeline tool.

7. System according to claim 1, characterized in that the remote location is either a surface location, a seabed location, an underwater location and a downhole location.

8. System according to claim 1, characterized in that the actuator and control system elements are included in a closed-loop electrical circuit.

9. System according to claim 1, characterized in that the system includes multiple actuators for operation of multiple corresponding tools, and that movement of the control system element causes proportional movement of the actuator element in a selected, at least one of the actuators.