NO345315B1

NO345315B1 - Utløsersystem og fremgangsmåte som ikke påvirkes av rørtrykket

Info

Publication number: NO345315B1
Application number: NO20101467A
Authority: NO
Inventors: Darren E Bane; David Z Anderson; Aaron T Jackson; Gary Lake
Original assignee: Baker Hughes Holdings Llc
Priority date: 2008-04-07
Filing date: 2010-10-18
Publication date: 2020-12-07
Also published as: GB201016309D0; AU2009234075B2; WO2009126438A3; BRPI0911194A2; GB2472157A; US8176975B2; WO2009126438A2; AU2009234075A1; GB2472157B; BRPI0911194B1; NO20101467A1; US20090250206A1

Description

OMRÅDET FOR OPPFINNELSEN

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et aktuatorsystem som er ufølsomt for rørtrykk, og en fremgangsmåte for å redusere kraftbehov for en aktuator i et brønnhullsmiljø.

BAKGRUNN

Overflatestyrte brønnsikringsventiler (SCSSV, Surface Controlled Subsurface Safety Valves) er en vanlig del av de fleste brønnhull på hydrokarbonområdet.

Brønnsikringsventiler er generelt plassert under overflaten og tillater produksjon fra en brønn mens den kan lukkes øyeblikkelig hvis en ubalanse i brønnens drift blir detektert enten på overflaten eller på et annet sted. I de fleste konstruksjoner blir SCSSV-er aktivt operert og passivt lukket for å sikre at svikt i aktiveringssystemet tillater ventilen å være "sviktsikker" eller med andre ord, svikte i en lukket stilling. Brønnsikringsventiler har tradisjonelt blitt hydraulisk aktivert. Etterhvert som operatører har beveget seg ut på dypere vann, er bruken av hydraulikk som middel til aktivering av brønnsikringsventiler blitt mer teknisk utfordrene såvel som dyrere. De tekniske begrensningene til hydraulikk, omkostningene og pålitelighetsbegrensninger i forbindelse med hydraulikk samt miljøspørsmål, virker sammen til å øke kostnader ved produksjon som nødvendigvis resulterer i lavere lønnsomhet eller økte priser på de produserte fluidene. På bakgrunn av disse ulempene vil dette området gjerne motta alternative SCSSV-aktiveringssystemer som tar hensyn til disse problemene.

US6173785 beskriver et kontrollsystem for en underjords sikkerhetsventil. US2003/0019622 beskriver et brønnhullredskap som aktueres a elektrisk regulerbare fluider som for eksempel aktiveres med et magnetisk felt.

OPPSUMMERING

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et aktuatorsystem som omfatter et hus som inneholder en boring, kjennetegnet ved:

en kraftgiver som er tettende bevegbar inne i boringen, hvor kraftgiveren sammen med boringen definerer to fluidkamre, hvor de to fluidkamrene er i fluidkommunikasjon med hverandre, ett ved hver langsgående ende av kraftgiveren; og

en aktivator i det ene eller begge av de to fluidkammerene og som er operativt koblet til kraftgiveren; og

minst to pakninger som er tettende plassert mellom huset og kraftgiveren, hvor én av pakningene isolerer en ende av kraftgiveren fra rørtrykk og en annen av pakningene isolerer en annen ende av kraftgiveren fra rørtrykk, hvor huset, kraftgiveren og pakningene danner et lukket fluidsystem.

Ytterligere utførelser er angitt i underkravene 2-18.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører også et aktuatorsystem som er ufølsomt for rørtrykk for en elektrisk overflatestyrt brønnsikringsventil, kjennetegnet ved at systemet omfatter:

et hus for en brønnsikringsventil som understøtter et strømningsrør, en klaffventil og en drivfjær, idet huset inneholder en boring for en kraftgiver;

en kraftgiver tettende bevegbar inne i kraftgiverboringen, hvor kraftgiveren sammen med boringen definerer to fluidkamre, ett ved hver langsgående ende av kraftgiveren, hvor minst ett av kamrene inneholder en elektrisk aktivator i operativ kommunikasjon med kraftgiveren;

en mellomkobling ved kraftgiveren som er i kraftoverførende kontakt med strømningsrøret når mellomkoblingen er eksponert for rørtrykk under bruk; og minst to pakninger tettende posisjonert mellom huset og kraftgiveren, idet én av pakningene isolerer én ende av kraftgiveren fra rørledningstrykk, og en annen av pakningene isolerer en annen ende av kraftgiveren fra rørtrykk.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører også en fremgangsmåte for å redusere kraftbehovene til en aktuator i et brønnhullsmiljø, kjennetegnet ved at fremgangsmåten omfatter:

å forsegle en kraftgiver inne i et hus for å isolere ender av kraftgiveren fra rørtrykk under bruk; hvor respektive ender er i kommunikasjon med fluidkammerene fluidmessig koblet med hverandre; og

å igangsette en aktivator for å tvinge kraftgiveren i en retning som stemmer overens med aktivering av et brønnhullsverktøy, hvor aktivatoren genererer nok kraft til å aktivere brønnhullsverktøyet uten å overvinne rørtrykk.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

Det vises nå til tegningene hvor like elementer er nummerert likt på de flere figurene, hvor:

Fig. 1 er en skjematisk skisse av en elektrisk aktivert brønnsikringsventil som er isolert fra rørtrykk (SCSSV) og aktiveringsutforming;

fig. 2 er en skjematisk oversikt over en alternativ elektrisk aktivert brønnsikringsventil som er isolert fra rørtrykk (SCSSV) og aktiveringsutforming; og

fig. 3 er en skjematisk skisse av en annen alternativ utførelse av en elektrisk aktiverbar brønnsikringsventil som er isolert fra rørtrykk (SCSSV) og aktiveringsutforming.

DETALJERT BESKRIVELSE

Blant utfordringene ved utvikling av et aktuatorsystem for, f.eks., en elektrisk sikkerhetsventil eller et annet verktøy som er ment å operere i et uvennlig miljø slik som et brønnhullsmiljø, er isolasjon av en drivanordning for aktuatoren fra brønnhullsfluid under bruk og tema vedrørende kraftgenereringsdensitet. For å unngå forvirring under lesning av den foreliggende fremstillingen, blir uttrykket "aktuator" bruk for å referere til systemnivået, mens "aktivator" (eller drivanordning) blir brukt for å referere til et grunndrivnivå. Når det gjelder førstnevnte, er isolering av aktivatormekanismen fra de miljømessige faktorene som er problematiske for aktivatoren, ønskelig. Mange brønnhullsfluidet kan ikke bringes i kontakt med elektriske aktivatorer på grunn av de ødeleggende virkningene som de har. Med hensyn til sistnevnte, krever kraftgenerering i en elektrisk aktivator som konkurrerer med den kraftgenererende kapasiteten til hydrauliske aktivatorer, en betydelig økning i størrelsen av aktivatoren i forhold til hydrauliske aktivatorer. Plassen i borehull er alltid en mangelvare slik at det er ønskelig å holde aktivatorstørrelsen så liten som mulig. For å realisere dette målet er det viktig å minimalisere effekten av rørledningstrykk på det verktøyet som blir elektrisk drevet. Dette vil minimalisere de kreftene som den elektriske aktuatoren må overvinne ved aktivering av verktøyet. Selv om dette klart vil lette bruken av aktuatorer som har mindre kraftgenererende kapasitet ved å gjøre en kraftgiver i en ventil ufølsom for rørtrykk, er nyttig for en hvilken som helst type aktuator, innbefattende hydrauliske aktuatorer.

Det vises til fig.1 hvor den første utførelsesform av et aktuatorsystem som er ufølsomt for rørtrykk, er utformet som en elektrisk aktivert SCSSV ("ESCSSV") 10, er illustrert. ESCSSV 10 innbefatter et hus 12 med en boring 14. En kraftgiver 16 som kan være et stempel, en kulemutter, en stang, osv., er glidende og tettende anordnet inne i boringen 14. Huset 12 innbefatter to sett med pakninger 18 og 20 som vekselvirker med kraftgiveren 16 for å tilveiebringe en fluidtett pakning med denne. Pakningene tillater bevegelse av kraftgiveren i hver langsgående retning basert på påført fluiddifferensialtrykk over kraftgiveren 16, og hindrer også rørtrykk fra å virke på kraftgiveren på en måte som vil frembringe et differensialtrykk på denne. Fordi rørtrykk ikke virker på hver ende av kraftgiveren, er kraftgiveren mer spesielt ufølsom for rørtrykk selv om kraftgiveren blir eksponert for rørtrykk langs sin lengde. Dette er ønskelig fordi den kraft som er nødvendig for å aktivere ventilen under bevegelse av kraftgiveren, blir redusert på grunn av å ikke måtte overvinne rørtrykk. Kraftgiveren frembringer to forholdsvis store fluidkamre 22 og 24 inne i huset 12. Et fluidkammer 22 inneholder hydraulisk fluid som er trykksatt ved hjelp av en trykk-kilde 26, mens det andre kammeret 24 er fylt med et komprimerbart fluid slik som luft, som kan være ved atmosfæretrykk. I illustrasjonen på fig.1 er trykk-kilden 26 en pumpe og et hydraulisk fluidreservoar for å forsyne pumpen. I en utførelsesform er pumpen en elektrisk pumpe og vil dermed innbefatte en kraftkabel 28 som kan strekke seg til et fjerntliggende sted slik som et sted på overflaten, eller kan strekke seg bare til en lokal kraftkilde (ikke vist). Trykk levert av kilden 26 til kammeret 22 vil få kraftgiveren 16 til å bli forskjøvet inne i huset 12 mot kammeret 24. En ringpakning 30 for kraftgiveren sikrer at hydraulisk fluid fra kilden 26 ikke unnslipper omkring kraftgiveren 16.

Kraftgiveren 16 selv definerer en gjennomgående fluidledning 32 som strekker seg fra en ende 34 av kraftgiveren 16 hovedsakelig aksialt til en klokobling 36 hvor ledningen 32 blir dirigert til et ringrom 38 definert mellom kraftgiveren 16, boringen 14, pakningen 20 og ringpakningen 30 til kraftgiveren. Dette ringrommet 38 er forseglet og vil derved frakte eventuelt fluid i ledningen 32 uten å blir tilført ekstra kraft. Den er derved usynlig funksjonell med hensyn til en åpningsoperasjon for ESCSSV. Formålet med ledningen 32, ledningknekken 34 og ringrommet 38 er å sikre at kraftgiveren blir forspent til en lukket tilstand for ventilen hvis én eller flere av pakningene 20 svikter. Sagt på en annen måte, ringrommet 38 blir bare en funksjonell del av ESCSSV hvis og når pakningen 20 blir brutt av påført rørtrykk. Denne funksjonen vil bli nærmere beskrevet nedenfor.

Kraftgiveren 16 er videre i operativ kommunikasjon med et strømningsrør 40 i ESCSSV 10 slik at strømningsrøret 40 blir presset mot en klaffventil 42 for å åpne denne under aktivering av ESCSSV 10. En hvilken som helst anordning for å få strømningsrøret 40 til å bevege seg med kraftgiveren kan aksepteres. I en utførelsesform kan en mellomkobling 44 ganske enkelt være en tapp på kraftgiveren 16 som vist, som er tilstrekkelig sterk til å opprettholde strukturell integritet mot en drivfjær 46 og et eventuelt differensialtrykk over en klaffventil 48.

I denne utførelsesformen er kammeret 24 fylt med et komprimerbart fluid ved et trykk som lett kan overvinnes ved øket hydraulisk trykk i kammeret 22 eller ved hjelp av en elektrisk aktivator som virker direkte på kraftgiveren. I en utførelsesform er trykket i kammeret 24 atmosfærisk trykk. Fluidet kan være f.eks. luft, men som i alle fall vil være valgt for å ha kjemiske egenskaper som ikke er i motsetning til den type aktivator som benyttes og som er i kontakt med denne.

Ved trykksetting av kammeret 22 fra kilden 26 beveges kraftgiveren 16 lenger inn i kammeret 24 enn det som er skissert på fig.1, og tvinger til slutt strømningsrøret 40 mot klaffventilen 42 og får denne til å åpne. ESCSSV vil forbli i denne åpne stillingen mens trykk på kammeret 22 blir opprettholdt. Ved tap av dette trykket, vil ventilen lukke på grunn av virkningen av en drivfjær 44 på en måte som er kjent på området.

I det tilfellet at pakningen 20 svikter mens ventilen 10 er i brønnhullsmiljøet, vil rørtrykket komme inn i ringrommet 38. Trykket i ringrommet 38 blir overført gjennom koblingen 36 og ledningen 32 til kammeret 24. Trykk i dette kammeret vil få ventilen 10 til å lukke ved svikt. Hvis pakningen 18 alternativt svikter, blir trykket direkte overført til kammeret 24 med det samme resultatet med forspenning av ventilen 10 til en lukket stilling. En svikt i begge pakningene 18 og 20 vil også resultere i en forspenning av ventilen til en lukket stilling.

I en annen utførelsesform, det vises til fig.2, er trykk-kilden 26 på fig.1 eliminert til fordel for en aktivator eller drivanordning 50 som befinner seg inne i kammeret 22 eller kammeret 24. Fluidet i begge kamre 22 og 24 må være av en beskaffenhet som gjør at dets volum kan endres uten en særlig endring i trykket. Komprimerbare fluider slik som luft kan brukes, såvel som andre fluider med identifiserte egenskaper. Aktuatoren 50 kan være en elektromekanisk anordning slik som en ledeskrue, en solenoid, osv., og vil bli utformet som en skyv- eller trekkaktivator avhengig av hvilket kammer som rommer aktivatoren 50. I det tilfellet at aktivatoren 50 befinner seg i kammeret 22 i den illustrerte utførelsesformen, vil den være utformet som en skyvaktivator, og hvis aktivatoren 50 skal være i kammeret 24, vil den være utformet som en trekkaktivator. Man vil videre forstå at dobbeltaktivatorer også kan brukes i denne utførelsesformen hvor én er en trekkaktivator og den andre er en skyvaktivator. På andre måter er fig.2 maken til fig.1.

Det vises til fig.3 hvor en annen utførelsesform er illustrert. I denne utførelsesformen forblir pakningene 18 og 20, men ringpakningen 30 til kraftgiveren er blitt eliminert. Dette er gunstig ved at færre pakninger fører til lavere motstand på kraftgiveren 16 under bevegelse av denne. I denne utførelsesformen er det også tydelig at en kanal 52 strekker seg aksialt gjennom kraftgiveren 16 for direkte å forbinde fluidmessig kammeret 22 med kammeret 24. På grunn av kanalen 52 er trykket i kamrene 22 og 24 alltid likt. Rørtrykket blir isolert ved hjelp av pakninger 18 og 20 som i de tidligere angitte utførelsesformene. I denne utførelsesformen, blir rørtrykket hvis én av pakningene svikter, umiddelbart overført til begge ender av kraftgiveren 16 slik at den fremdeles opprettholder en balanse mellom trykk og dermed er upåvirket av dette. Denne utførelsesformen vil innbefatte én eller flere aktivatorer i én av eller begge kamrene 22 og 24, som kan skyve eller trekke etter behov for å forspenne kraftgiveren mot drivfjæren 46 og eventuelt differensialtrykk over klaffventilen 48. I tillegg skal det bemerkes at i utførelsesformen på fig.3 behøver fluidet i kamrene 22 og 24 ikke å være av en type som kan endres volumetrisk uten en betydelig økning i trykk, noe som er nødvendig i minst ett av kamrene på hver av fig.1 og 2, men utførelsesformen på fig.3 tillater også bruk av ukomprimerbare fluider på grunn av systemets evne til å bevege fluid fra kammer til kammer. Som i de foregående utførelsesformene befinner aktivatoren seg inne i fluidet og er dermed beskyttet fra potensielt ødeleggende brønnhullsfluider. Det skal videre bemerkes at i det tilfellet at en åpningsholderanordning skal brukes i ventilen 10, kan den også være anordnet inne i ett eller begge kamrene 22 og 24 for å beskytte den samme fra brønnhullsfluider.

Med utførelsesformen på fig.3 vil man også forstå at et antall av de illustrerte systemene kan brukes i forbindelse med et enkelt strømningsrør for å ha reserveaktiveringskapasitet. Dette er fordi aktuatorsystemet på grunn av utbalanseringen, som ikke virker, ikke skaper noen særlig belastning på ventilen 10, men i stedet vil virke bare som en støtdemper i en viss grad. Flere slike systemer kan også brukes sammen om nødvendig eller ønskelig for spesielle formål.

Claims

Patentkrav

1. Aktuatorsystem som er ufølsomt for rørtrykk, hvor systemet omfatter:

et hus (12) som inneholder en boring (14), karakterisert ved

en kraftgiver (16) som er tettende bevegbar inne i boringen (14), hvor kraftgiveren (16) sammen med boringen (14) definerer to fluidkamre (22, 24), hvor de to fluidkamrene (22, 24) er i fluidkommunikasjon med hverandre, ett ved hver langsgående ende av kraftgiveren (16); og

en aktivator (50) i det ene eller begge av de to fluidkammerene (22, 24) og som er operativt koblet til kraftgiveren (16); og

minst to pakninger (18, 20) som er tettende plassert mellom huset (12) og kraftgiveren (16), hvor én av pakningene (18, 20) isolerer en ende av kraftgiveren (16) fra rørtrykk og en annen av pakningene (18, 20) isolerer en annen ende av kraftgiveren (16) fra rørtrykk, hvor huset (12), kraftgiveren (16) og pakningene (18, 20) danner et lukket fluidsystem.

2. System ifølge krav 1, hvor huset er et hus for en brønnsikringsventil.

3. System ifølge krav 1, hvor huset videre definerer et antall kamre som er fluidmessig koblet til boringen.

4. System ifølge krav 1, hvor kraftgiveren videre innbefatter en ringpakning for kraftgiveren.

5. System ifølge krav 4, hvor den ene av de minst to pakningene og ringpakningen til kraftgiveren definerer, sammen med kraftgiveren og boringen, et ringrom, idet ringrommet er fluidmessig i kommunikasjon med en ende av kraftgiveren på motsatt side av en ende av kraftgiveren som er nærmest ringrommet.

6. System ifølge krav 1, hvor kraftgiveren innbefatter en mellomkobling for et strømningsrør.

7. System ifølge krav 1, hvor kraftgiveren innbefatter en kanal som strekker seg aksialt fra en kraftgiverende til en motsatt kraftgiverende gjennom kraftgiveren for derved å tillate fluidkommunikasjon fra et fluidkammer ved én ende av kraftgiveren til et fluidkammer ved den andre ende av kraftgiveren.

8. System ifølge krav 1, hvor huset videre inneholder en aktivator anordnet inne i et fluid som er isolert fra brønnhullsfluid.

9. System ifølge krav 8, hvor fluidet er et dielektrisk fluid.

10. System ifølge krav 9, hvor det dielektriske fluidet er luft.

11. System ifølge krav 1, hvor aktivatoren er i fluidkommunikasjon med kraftgiveren.

12. System ifølge krav 1, hvor aktivatoren er i lukket nærhet til huset.

13. System ifølge krav 1, hvor aktivatoren er festet til huset.

14. System ifølge krav 1, hvor aktivatoren er elektrisk.

15. System ifølge krav 1, hvor aktivatoren er elektrohydraulisk.

16. System ifølge krav 1, hvor aktivatoren er en motor og en ledeskrue.

17. System ifølge krav 1, hvor aktivatoren er en solenoid.

18. System ifølge krav 1, hvor aktivatoren er en pumpe og et fluidreservoar i fluidtrykk-kontakt med én ende av kraftgiveren.

19. Aktuatorsystem som er ufølsomt for rørtrykk i samsvar med krav 1, for en elektrisk overflatestyrt brønnsikringsventil, karakterisert ved at systemet omfatter: nevnte hus for en brønnsikringsventil som understøtter et strømningsrør, en klaffventil og en drivfjær, idet huset inneholder en boring for en kraftgiver;

nevnte kraftgiver tettende bevegbar inne i kraftgiverboringen, hvor kraftgiveren sammen med boringen definerer to fluidkamre, ett ved hver langsgående ende av kraftgiveren, hvor minst ett av kamrene inneholder en elektrisk aktivator i operativ kommunikasjon med kraftgiveren;

20. Fremgangsmåte for å redusere kraftbehov for en aktuator (50) i et brønnhullsmiljø, karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter:

å forsegle en kraftgiver (16) inne i et hus (12) for å isolere ender av kraftgiveren (16) fra rørtrykk under bruk; hvor respektive ender er i kommunikasjon med fluidkammerene (22, 24) fluidmessig koblet med hverandre; og

å igangsette en aktivator (50) for å tvinge kraftgiveren (16) i en retning som stemmer overens med aktivering av et brønnhullsverktøy, hvor aktivatoren (50) genererer nok kraft til å aktivere brønnhullsverktøyet uten å overvinne rørtrykk.