NO317385B1

NO317385B1 - Styresystem for bronnsikringsventiler

Info

Publication number: NO317385B1
Application number: NO20012474A
Authority: NO
Inventors: Brian Shaw; Clifford H Beall
Original assignee: Baker Hughes Inc
Priority date: 2000-05-18
Filing date: 2001-05-18
Publication date: 2004-10-18
Also published as: AU4605701A; CA2347997C; AU784750B2; GB0112223D0; NO20012474L; US6427778B1; CA2347997A1; NO20012474D0; GB2362407B; GB2362407A

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et styresystem for en brønnsikrings-ventil.

Brønnsikringsventiler er prinsipielt konstruert rundt et konsept med et fjæraktivert strømningsrør som er hydraulisk drevet slik at når strømningsrøret forskyves nedover, forflytter det en klaff av et sete ved å rotere det 90° og etter-later den sentrale passasjen i strømningsrøret åpen. Reversering av disse bevegelsene tillater at den fjærbelastede klaffen roterer 90° mot setet og tetter strømningsveien. Styringssystemet for å aktivere strømningsrøret til en nedoverrettet bevegelse for å åpne undergrunnssikkerhetsvent.il er kommet i en rekke konfigurasjoner tidligere. En av konstruksjonsparameterne er åpenbart evnen til å forskyve strømningsrøret for å åpne undergrunns sikkerhetsventilen. En annen konstruksjonsparameter er å tillate at det hydrauliske styringssystemet har en sviktsikker drift i tilfelle feil i systemet. Enda et kriterium er å lage et slikt system lite og ukomplisert for å sikre at det er pålitelig i en lang tidsperiode der undergrunnssikkerhetsventilen er i drift i en brønn.

Et av problemene med styringssystemkonstruksjoner særlig i applikasjoner der undergrunnssikkerhetsventiler blir satt dypt eksempelvis en dybde under 3048 m (10.000 fot) fra overflaten er at kraftfjæren på strømningsrøret måtte bære det hydrostatiske trykket i styringsledningene til det dynamiske stemplet som beveger strømningsrøret. Siden det foreskrevne slaget av strømningsrøret er ganske langt, blir fjærer som kan motstå hydrostatikk ved slike dybder svært uhåndterlige. Følgelig, tilveiebringer den foretrukkede utførelsesformen et system for hydraulisk strømningsrørstyring der kraftfjærkravene er slik at det ikke er obligatorisk å være i stand til å bære styringsledningens hydrostatiske trykk i styringssystemet. Det er også ønskelig å eliminere ladete kammere vanligvis fylt med nitrogen hvilket har blitt brukt i enkelte tidligere konstruksjoner. Det er også ønskelig å tilby et forenklet system som lett kan modifiseres for en rekke dybder og kan tilveiebringe pålitelig service over en lang tidsperiode mens det samtidig er enkelt å konstruere og enkelt å operere.

Styringssystemer som er typiske for de tidligere brukt kan lett forstås fra en vurdering av U.S. patenter 5310004, 5906220, 5415237, 4341266,4361188, 5127477,4676307, 466646,4161219, 4252197, 4373587, 44448254, 5564501 så vel som U.K. patenter 2159193, 2183695, 2047304.

I henhold til den foreliggende oppfinnelsen, er det tilveiebrakt et styringssystem i henhold til krav 1 eller 13 som beskriver et styringssystem for en brønn-sikringsventil. Ventilen omfatter et dynamisk stempel i et første hus med en øvre og en nedre tetning og en returfjær (14) som virker derpå. Et isolasjonsstempel i et andre hus, der det andre huset har minst to innløp er forbundet med henholdsvis en første og en andre styringsledning. Isolasjonsstemplet omfatter ytterligere en lukkefjær som er i stand til å overvinne hydrostatisk trykk i minst en av styringsledningene. Bevegelse av isolasjonsstempelet av lukkefjæren forårsaker at trykket i det første huset over den andre tetningen utlignes med trykket under den nedre tetningen for å tillate at returfjæren forskyver det dynamiske stemplet.

Videre defineres et styringssystem for en brønnsikringsventil som omfatter et dynamisk stempel i et første hus med en returfjær som virker derpå. Det dynamiske stemplet omfatter en øvre og en nedre tetning og returfjæren er svakere enn hydrostatisk trykk på det dynamiske stemplet som virker over den øvre tetningen. Et isolasjonsstempel i et andre hus med to styringsledninger er forbundet med dette og isolasjonsstemplet påvirkes av en lukkefjær som overvinner hydrostatisk trykk i en av styringsledningene. Det andre huset er i fluid-kommunikasjon med det første huset, og isolasjonsstemplet er bevegelig fra en første stilling hvor trykket i det første huset over den øvre tetningen blir utlignet med trykket under den nedre tetningen, og en andre stilling der påført trykk i en av styringsledningene kan sette en ubalansert kraft på det dynamiske stemplet i det første huset og over den øvre tetningen.

Det hydrauliske styringssystemet for å drive et strømningsrør i en under-grunnssikkerhetsventil er vedlagt.

Et isolasjonsstempel blir brukt sammen med en driftstyringsledning og en inngrepsstyringsledning. Begge styringsledningene går fra overflaten. Isolasjonsstemplet er fjærbelastet for å utligne trykket tvers over et dynamisk stempel for å tillate at strømningsrøret forskyves av en kraftfjær for, i sin tur å tillate at undergrunns sikkerhetsventilen lukkes. Påføringen av trykk på inngrepsstyrings-ledningen letter trykket påført gjennom driftstyringsledningen til toppen av det dynamiske stemplet og forskyver følgelig strømningsrøret nedover for å åpne brønnsikringsventilen. I en utførelsesform kan det være tilveiebrakt en styringsledning som har atskilte passasjer for forbindelse med det første og andre innløpet i det andre huset. Passasjene kan være koaksiale. I et annet arrangement, retter en koaksial styringsledning fluidet mot toppen av det dynamiske stemplet og i tillegg til en parallell vei som fører til bunnen av det dynamiske stemplet hvor en styringsventil er montert. Styringsventilen kan aktiveres hydraulisk, elektronisk eller på andre måter slik at når den er lukket omlegger det påførte trykket på det dynamiske stemplet strømmen til å åpne undergrunnssikkerhetsventilen. Et tap av signal til styringsventilen utligner det dynamiske stemplet og tillater at strømnings-røret forskyves.

Forskjellige utførelsesformer av den foreliggende oppfinnelse sammen med andre arrangementer, kun gitt som illustrasjon, vil nå bli beskrevet med henvisning til de vedlagte tegninger der: Figur 1 er et skjematisk riss av den foretrukne utførelsesformen av den foreliggende oppfinnelsen som viser undergrunnssikkerhetsventilen i den lukkede stillingen. Figur 2 er et skjematisk riss av et annet arrangement som viser brønn-sikringsventilen i den åpne stillingen. Figur 1 illustrerer et strømningsrør 10 med en sirkulær flens 12 på sin ytre periferi og som kraftfjæren 14 leverer en oppoverrettet kraft til. Brønnsikrings-ventilen antas å være kjent for de som kjenner fagområdet. Den er ikke avbildet på figur 1. De som kjenner fagområdet vet allerede at bevegelse av strømningsrøret 10 i en nedoverrettet stilling som trykker sammen kraftfjæren 14 åpner undergrunnssikkerhetsventilen. Den motsatte bevegelsen lukker undergrunnssikkerhetsventilen.

Strømningsrøret 10 blir aktivert nedover av et dynamisk stempel 16 som har en øvre tetning 18 og en nedre tetning 20. Det dynamiske stemplet 16 har en tapp (tab) 22 som hviler på flensen 12 slik at når det dynamiske stemplet 16 drives nedover, trykker det kraftfjæren 14 sammen mens det beveger strømningsrøret 10 nedover.

Driftstyringsledning 24 og inngrepstyringsledning 26 går fra kilden med hydraulisk fluidtrykk fra overflaten. Begge ledningene 24 og 26 går inn i et hus 28 i hvilket det er plassert et isoleringsstempel 30 som er fjærbelastet av fjær 32. En tetning 34 tetter inngrepstyringsledningen 26 slik at trykket påført i ledning 26 vil forskyve isolasjonsstemplet 30 nedover og sammenpresse fjær 32. Driftstyringsledningen 24 går inn i huset 28 ved innløpet 36. Isolasjonsstemplet 30 har en øvre overflatetetning 38 (upper face seal) og en nedre overflatetetning 40 (lowerface seal). I stillingen vist på figur 1 presser forspenningen av fjær 32 den øvre overflatetetningen 38 mot huset 28 slik at tetningen sitter mot huset. Størrelsen på tetningsarealene for den øvre overflatetetningen 38 og tetningen 34 er omtrent like og setter isolasjonsstemplet 30 i trykkbalanse fra de påførte trykkene ved port 36 fra driftstyringsledningen 24 i stillingen vist på figur 1. Huset 28 har også utløp 42 og 44. Utløp 42 er i fluidmessig kommunikasjon med dynamisk stempel 16 over tetningen 18 mens utløpet 44 er i fluid kommunikasjon med det dynamiske stemplet 16 under tetningen 20. Det er en kanal 46 som forgrenes inn i kanalene 48 og 50. Kanal 48 fører til dynamisk stempel 16 under tetning 20. Kanal 50 strekker kanal 46 mot en spole 52. Spolen 52 har et filter 54 og er ellers åpen ved et utløp 56 til det omgivne ringrommet (ikke vist). Filter 54 holder partikkelformig materie ute av spolen 52 og kanal 50.

De vesentlige komponentene av den foretrukne utførelsesformen har nå blitt beskrevet, og dens drift vil bli behandlet i større detalj. For å forskyve strømningsrøret 10 nedover mot forspenningen av kraftfjæren 14 blir trykk først påført inngrepstyringsledningen 26 som forskyver isolasjonsstemplet 30 nedover mot forspenningen av fjær 32. Denne nedoverrettede bevegelsen av isolasjonsstemplet 30 bringer den øvre overflatetetningen 38 vekk fra huset 28 og åpner følgelig opp en strømningsvei fra innløpet 36 til utløpet 42. Den nedoverrettede bevegelsen av isolasjonsstemplet 30 avslutter når den nedre overflatetetningen 40 kommer i kontakt med huset 28 og stenger av utløpet 44 effektivt. Deretter kommuniseres påført trykk i driftstyringsledningen 24 gjennom utløpet 42 til det dynamiske stemplet 16 over tetningen 18 som dytter nedover og sammen med tapp 22. Tapp 22 hviler i sin tur mot flens 12 som i sin tur dytter strømningsrøret 10 ned mot kraftfjæren 14. Brønnsikringsventilen er nå åpen. Den nedoverrettede bevegelsen av det dynamiske stemplet 16 med den nedre overflatetetningen 40 mot huset 28 vil også resultere i fortrengning av fluid i kanalene 50 gjennom spole 52 og ut av filteret 54 gjennom utløpet 56 til ringrommet (ikke vist).

For å lukke brønnsikringsventilen, fjernes trykket på inngrepstyringsledningen 26. Fjær 32 som er tilstrekkelig sterk til å motstå det hydrostatiske trykket i inngrepstyringsledningen 26 løfter isolasjonsstemplet 30 oppover slik at det beveger den nedre overflatetetningen 40 vekk fra huset 28 som i sin tur tillater utløpet 42 og 44 å kommunisere gjennom huset 28 hvilket har som virkning å utligne trykket på det dynamiske stemplet 16 henholdsvis over og under tetningene 18 og 20. Når dette oppstår, kan kraftfjær 14 så bevege strømningsrøret 10 oppover for å tillate at brønnsikringsventilen lukkes.

Åpenbart vil, hvis trykket forsvinner på grunn av lekkasje eller andre over-flatesystemfeil i inngrepstyringsledningen 26, strømningsrøret 10 forskyves oppover ettersom trykket utlignes tvers over det dynamiske stemplet 16 på grunn av at fjær 32 forskyver isolasjonsstemplet 30 oppover. En lekkasje rundt den nedre overflatetetningen 40 vil utligne trykket på det dynamiske stemplet 16 hvilket vil tillate at strømningsrøret 10 beveger seg oppover. Som tidligere hevdet, vil en lekkasje forbi tetningen 34 hindre bevegelse av isolasjonsstemplet 30 mot fjæren 32 og skulle resultere i en lukning av brønnsikringsventilen ved bevegelse oppover av strømningsrøret 10.

En lekkasje rundt tetning 18 vil, når strømningsrøret 10 er i den nedoverrettede stillingen, mest sannsynlig lekke hydraulisk fluid fra utløpet 42 inn i rør-strengen som brønnsikringsventilen ble montert på. En lekkasje rundt tetningen 20 kan tillate at ringrommet lekker inn i røret gjennom utløpet 56 hvis ringromstrykket overgår rørtrykket. I motsatt fall, vil rørtrykk lekke forbi tetning 20 og inn i ringrommet gjennom filteret 54.1 tilfelle av lekkasje rundt tetning 18, vil hydraulisk fluid i systemet som kommer fra driftstyringsledningen 24 lekke inn i røret som tidligere hevdet. Imidlertid, så lenge trykket opprettholdes i inngrepstyringsledningen 26, kan strømningsrøret 10 ikke beveges oppover under kraften av fjæren 14 hvis fjæren 14 er for svak til å overvinne det hydrostatiske trykket i driftstyringsledningen 24. Fjær 14 trenger ikke å være dimensjonert for å motvirke det forventede hydrostatiske trykket for den gitte dybden i driftstyringsledningen 24 fordi ved utligning rundt det dynamiske stemplet 16, trenger kraftfjæren 14 kun å overvinne friksjonskrefter og vekten av strømningsrøret 10, for å være i stand til å bevege dette oppover. Ved dype plasseringer av brønnsikringsventilen og i lys av det lange slaget påkrevet for strømningsrøret 10 med en kraftfjær 14 og som er tilstrekkelig sterk til å motstå det hydrostatiske trykk i en styringsledning eksempelvis en driftstyringsledning 24 ville være vanskelig å sette sammen i en kompakt design. På den annen side, er slaget til isolasjonsstemplet 40 svært kort og følgelig, er det mye lettere å utstyre en fjær 32 passende for å motstå det hydrostatiske trykk i inngrepstyringsledningen 26 og holde størrelsen av fjæren 32 rimelig.

Konstruksjonen beskrevet på figur 1, har den fordel at den ikke trenger et trykkammer, men har i sin tur ulempen med fortrengning av hydraulisk fluid inn i ringrommet når det dynamiske stemplet 16 slår nedover for å åpne brønnsikrings-ventilen. I tillegg, hvis det utvikler seg visse typer lekkasjer, vil innretningen på figur 1 ikke nødvendigvis gå til sin sviktsikre stilling med mindre trykket fjernes fra inngrepstyringsledningen 26. Eksempelvis, vil lekkasje forbi tetning 18 fra utløpet 42 holde strømningsrøret i den nedoverrettede stillingen inntil lekkasjen blir katastrofalt stor eller inntil trykket fjernes fra inngrepstyringsledningen 6.

De som kjenner fagområdet vil anerkjenne at kraftfjærens 14 størrelse i konstruksjonen på figur 1 er uavhengig av dybde. På den annen side, må fjæren 32 være tilstrekkelig stiv til å være i stand til å motstå det hydrostatiske trykk i inngrepstyringsledningen 26. Fjæren 32 er vesentlig mindre og kan lett forandres for å konfigurere et spesielt styringssystem til en dybde den skal installeres i.

Figur 2 representerer en alternativ utførelsesform som skjematisk illustrerer en koaksial styringsledning 58 som samtidig kan føre fluidtrykk inn i kanalen 60 og føre en leder som er optisk elektromagnetisk eller til og med hydraulisk eller elektrisk 62. Kanal 60 forgrenes inn i kanaler 64 og 66. Kanal 64 fører til sylinder 68 i hvilket et stempel 70 med en periferisk tetning 72 er plassert. Stempel 70 er forspent av en kraftfjær 74. Oppoverrettet bevegelse av stemplet 70 beveger et strømningsrør (ikke vist) som i sin tur tillater at brønnsikringsventilen lukker. Nedoverrettet bevegelse av stemplet 70 presser sammen fjær 74 og dytter strømningsrøret nedover hvilket åpner brønnsikringsventilen på en kjent måte. Kanal 66 strekker seg til en styringsventil 76 som i hovedsak fungerer i to stillinger, åpen og lukket. Signalet for å åpne eller lukke kommer fra kanal 78 gjennom en leder 62, hvis brukt, til styringsventilen 76. Kanal 80 strekker seg fra styringsventil 76 til sylinderen 68 under stempel 70. De som kjenner fagområdet kan lett anerkjenne at når styringsventilen 76 er lukket og hydraulisk trykk bringes til å trykke i kanalen 64, blir stemplet 70 drevet ned og presser sammen fjær 74, og åpner følgelig brønnsikringsventilen. For å lukke brønnsikringsventilen, blir styringsventilen 76 åpnet fra et signal gjennom kanal 78 hvilket som tidligere anført, kan være en hvilken som helst av en rekke foreskjellige signaler. Med styringsventilen 76 i den åpne stillingen utlignes trykket mellom kanal 66 og 80 og tillater følgelig at fjær 74 beveger stemplet 70 oppover for å tillate at brønnsikrings-ventilen lukker seg. Den alternative utførelsesformen vist på figur 2 er igjen en annen forenklet prosess som bruker kjent koaksial teknologi for å tillate at en kanal for kommunikasjon av et hydraulisk signal blir ført koaksialt eller samtidig med en signalledning som kan være optisk, elektromagnetisk, elektrisk, hydraulisk eller en annen type signal for å operere en omløpsventil mellom en åpen og lukket stilling. De som kjenner fagområdet vil anerkjenne at hvis signalet til ventilen 76 blir borte går den tilbake til en åpen stilling hvilket vil lukke brønnsikringsventilen. I tillegg, vil tap av trykk i kanalen 58 også lukke ventilen under normal drift.

De som kjenner fagområdet vil anerkjenne at det er alternativer selv i den foretrukne utførelsesformen vist på figur 1 til isolasjonsstempelarrangementet. Mens isolasjonsstemplet 30 har blitt vist å være hydraulisk aktivert, kan det aktiveres på en rekke forskjellige måter. Husenheten 28 og isolasjonsstemplet 30 kan byttes ut av ekvivalente konstruksjoner som tillater normal drift av strømningsrøret 10. Følgelig, er andre typer ventilarrangementer som selektivt tillater trykksetting av det dynamiske stemplet 16 og utligning rundt det dynamiske stemplet 16 for normal og nød drift også innenfor forhåndsvisningen av oppfinnelsen.

Claims

1. Styringssystem for en brønnsikringsventil omfattende: et dynamisk stempel (16) i et første hus med en øvre og en nedre tetning (18, 20) og en returfjær (14) som virker derpå;karakterisert ved at systemet videre omfatter: et isolasjonsstempel (30) i et andre hus, der det andre huset har minst to innløp forbundet med henholdsvis en første og en andre styringsledning (24, 26); der isolasjonsstemplet (30) ytterligere omfatter en lukkefjær (32) som er i stand til å overvinne hydrostatisk trykk i minst en av styringsledningene (24, 26); og hvorpå bevegelse av isolasjonsstempelet (30) av lukkefjæren forårsaker at trykket i det første huset over den andre tetningen utlignes med trykket under den nedre tetningen (40) for å tillate at returfjæren (14) forskyver det dynamiske stemplet.

2. Styringssystem ifølge krav 1, ytterligere omfattende: et første og andre utløp fra det andre huset (28), der utløpene er i fluid-kommunikasjon med det første huset over og under henholdsvis øvre og nedre tetning; der isolasjonsstemplet (30) ytterligere omfatter motstående tetninger for selektiv utligning av det første og andre utløpet og for selektivt å isolere dem fra hverandre.

3. Styringssystem i henhold til krav 2, ytterligere omfattende: et avluftningsutløp til det andre utløpet slik at hydraulisk fluid fortrenges forbi avluftningsutløpet når det dynamiske stemplet (16) utsettes for et større trykk over den øvre tetningen (18) enn under den nedre tetningen (20).

4. Styringssystem i henhold til krav 1, 2 eller 3, ytterligere omfattende: en innløpstetning på isolasjonsstemplet (30) for å tillate trykkoppbygning i det andre innløpet for å forskyve isolasjonsstemplet (30) mot kraften av lukkefjæren.

5. Styringssystem i henhold til krav 4, hvor: det første innløpet er plassert i det andre huset mellom innløpstetningen og den motstående tetningen på isolasjonsstemplet (30); der isolasjonsstemplet (30) er i hovedsakelig trykkbalanse fra påført trykk fra det første innløpet.

6. Styringssystem i henhold til krav 5, hvor: de motstående tetningene omfatter en øvre og nedre overflatetetning (38, 40) der den øvre overflatetetningen (38) inngripes av en kraft påført av lukkefjæren (32), hvorpå den nedre overflatetetningen (40) deaktiveres for å utligne det første og andre utløpet.

7. Styringssystem i henhold til krav 6, hvor: den nedre overflatetetningen (40) energiseres i det andre huset av trykket i det andre innløpet som overvinner lukkefjæren (32), hvorpå det første innløpet innrettes med det første utløpet og isoleres fra det andre utløpet.

8. Styringssystem i henhold til et av de foregående krav, hvor: returfjæren (32) er svakere enn det hydrostatiske trykket i det første huset over den øvre tetningen (38).

9. Styringssystem i henhold til krav 3, ytterligere omfattende: en spole (52) og filter (54) forbundet med avluftningsutløpet.

10. Styringssystem i henhold til et av de foregående krav, ytterligere omfattende: to styringsledninger (24, 26) forbundet henholdsvis med de første og andre innløpene til det andre huset.

11. Styringssystem i henhold til et av de foregående krav, ytterligere omfattende: en styringsledning med atskilte passasjer for forbindelse med det første og andre innløp av det andre huset.

12. Styringssystem i henhold til krav 11, hvor: passasjene er koaksiale.

13. Styringssystem for en brønnsikirngsventil omfattende: et dynamisk stempel (16) i et første hus med en returfjær (14) som virker derpå, der det dynamiske stemplet (16) omfatter en øvre og en nedre tetning (18, 20) og der returfjæren (14) er svakere enn hydrostatisk trykk på det dynamiske stemplet (16) som virker over den øvre tetningen (18) karakterisert ved at systemet videre omfatter: et isolasjonsstempel (30) i et andre hus (28) der dette har to styringsledninger (24, 26) forbundet dertil der isolasjonsstemplet (30) virket på av en lukkefjær (32) som overvinner hydrostatisk trykk i en av styringsledningene; der det andre huset (28) er i fluid kommunikasjon med det første huset; der isolasjonsstemplet (30) er bevegelig fra en første stilling hvor trykket i det første huset over den øvre tetningen blir utlignet med trykket under den nedre tetningen, og en andre stilling der påført trykk i en av styringsledningene kan sette en ubalansert kraft på det dynamiske stemplet (16) i det første huset og over den øvre tetningen.

14. Styringssystem i henhold til krav 13, hvor: trykk må bli påført i begge styringsledningene (24, 26) for først å overvinne lukkefjæren (32) og så å rette trykk til det første huset over den øvre tetningen som et resultat av forskyving av isolasjonsstemplet (30).