NO343640B1 - Direkteproporsjonalt overflatestyringssystem for nedihulls strupeventil - Google Patents

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Figur 1 er et skjematisk, delvis tverrsnittsriss av et brønnstyringssystem i henhold til den foreliggende oppfinnelse;

Figur 2 er et skjematisk hydraulisk kretsdiagram av en første konfigurasjon av systemet i figur 1;

Figur 3 er skjematisk hydraulisk kretsdiagram av en andre konfigurasjon av systemet i figur 1; og

Figur 4 er et skjematisk hydraulisk kretsdiagram av en tredje konfigurasjon av systemet i figur 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.).

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.

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.

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.

Claims (9)

Patentkrav

1. System for styring av operasjon av et verktøy (16), hvilket system er k a r a k t e r i s e r t v e d å innbefatte:

en aktuator (20) for verktøyet, hvilken aktuator inkluderer et aktuatorelement som forflyttes med et stempel (32) hos aktuatoren for å operere verktøyet, hvilket aktuatorstempel (32) atskiller første (36) og andre kamre (40) hos aktuatoren (20); et styringssystemelement anordnet på et sted fjernt fra aktuatoren, idet en forflytning av styringssystemelementet med et styringssystemstempel (30) forårsaker en forflytning av aktuatorelementet, og at styringssystemelementforflytningen er proporsjonal med aktuatorelementforflytningen, og at styringssystemstempelet atskiller første og andre kamre (334, 38) hos et styringssystem (26) på det fjerne stedet, og at stempelet er eksponert for trykk i hvert av de første og andre styringssystemkamre; og en første ledning (28) som tilveiebringer kommunikasjon mellom styringssystemets første kammer og aktuatorens første kammer, og en andre ledning (28) som samtidig tilveiebringer kommunikasjon mellom styringssystemets andre kammer og aktuatorens andre kommer, hvori forflytting av styringssystemstempelet (30) i en retning slipper væske inn i et av de første og andre kamrene (36, 40) i aktuatoren (20) og derved forårsaker forflytting av aktuatorstemplet (32) i en første retning, og forflytting av tyringssystemstempelet (30) i motsatt retning slipper væske inn i den andre av aktuatorens første og andre kamre (36, 40) og derved forårsake forflytting av aktuatorstemplet (32) i en retning motsatt den første retning.

2. System i henhold til krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at aktuator- og styringssystemstemplene er inkludert i en lukket-sløyfe fluidkrets.

3. System i henhold til krav 2, k a r a k t e r i s e r t v e d at hvert av aktuator- og styringssystemstemplene er inkludert i en toveis balansert fluidsylinder.

4. System i henhold til krav 2, k a r a k t e r i s e r t v e d at konservering av energi og masse blir bibeholdt under forflytningene av aktuator- og styringssystemstemplene.

5. System i henhold til krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at fluid verken tilføres eller fjernes fra noen av de første og andre ledninger, de første og andre kamre hos aktuatoren og de første og andre kamre hos styringssystemet under forflytning av aktuator- og styringssystemstemplene.

6. System i henhold til krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at verktøyet er minst ett av et brønnverktøy, en strupeventil, et undervannsverktøy og et rørledningsverktøy.

7. System i henhold til krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at det fjerne stedet er enten et overflatested, et havbunnssted, et undervannssted og et nedihullssted.

8. System ifølge krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at aktuator- og styringssystemelementene er inkludert i en lukket-sløyfe elektrisk krets.

9. System i henhold til krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at systemet inkluderer multiple aktuatorer for operasjon av multiple korresponderende verktøy, og at forflytning av styringssystemelementet forårsaker proporsjonal forflytning av aktuatorelementet hos en utvalgt, i det minste én av aktuatorene.