NO853394L - Anordning for aa sperre et borehull ved boring etter oljekilder e.l. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en anordning for å lukke et borehull i grunnen, særlig en utblåsningsstopper (BOP) av det slaget som er angitt i innledningen til patentkrav 1.

Oppfinnelsens bakgrunn:

Borerigger som brukes ved oljeutvinning, gruvedrift og geologiske undersøkelser bruker lange, hule rør som borestrenger, og disse kan strekke seg flere tusen meter ned i grunnen. Ved den nedre enden finnes et boreskjær for å bryte berg. Boreproduktene og varmen som dannes under boringen fjernes med borevæske som blir pumpet ned gjennom borestrengen, og som føres opp i ringrommet mellom borestrengen og hullveggen.

Det hydrostatiske presset som forårsakes av borevæske bør holdes i balanse med formasjonstrykket ("formation pressure"). En ubalanse i trykkene kan forårsake problemer under boringen. Overbalanse i formasjonstrykket kan sprenge svake formasjoner, mens underbalanse i formasjonstrykket kan forårsake utblåsning slik det er beskrevet nedenfor.

Når det hydrostatiske trykket er lavere enn formasjonstrykket, kan det skje en uttrengning fra formasjonen til boringen. Denne "uttrengningen" kalles en "kick". En alvorlig slik uttrengning kan forårsake såkalt "utblåsning". En utblåsning kan være farlig for mennesker, utstyr og for selve reservoaret.

Det er kjent utblåsningsstoppere (BOP) montert på overflata for å hindre utblåsning. Når den settes i virksomhet vil en slik stopper blokkere ringrommet for å styre trykket i brønnen. Formasjonstrykket balanseres dermed slik at en hindrer ytterligere uttrengning fra formasjonen.

Kjente utblåsningsstoppere etterlater brønnen som et lukket system hvor den hydrostatiske trykkfordelingen avvhenger av kjennetegnene til væska i borebrønnen. Med usikkerhet med hensyn til disse kjennetegnene er brønntrykket ukjent. I noen tilfeller blir derfor svake formasjoner sprengt under slike stoppeaksjoner. For å hindre risikoen for sprengning av svake formasjoner kan vanlige utblåsningsstoppere, som etterlater brønnen i en ustyrbar og farlig tilstand ikke brukes i noen tilfeller. Denne situasjonen foreligger når det bores i formasjoner med høyt trykk eller i grunne gassformasjoner.

For å unngå brudd i svake formasjoner og utblåsning bør uttrengningen stoppes så tidlig som mulig. Dette har ført til utviklingen av utblåsningsstoppere av det slaget som ble beskrevet i innledningen.

Når en uttrengning "kick" opptrer, vil utblåsningsstopperen bli aktivert slik at den stenger ringrommet mellom borestrengen og borebrønnen. En ytterligere uttrengning vil øke trykket i den avsperrete delen av brønnen. Når bunntrykket når nivået på formasjonstrykket vil uttrengningen stoppe. P.g.a. det store volumet av komprimerbar gass i boreslammet i ringrommet, kan uttrengning stoppes bare etter at en større mengde har trengt seg inn i borebrønnen etter stengningen, hvilket er uheldig. Men med en nedsenket utblåsningsstopper er det mulig å lukke borebrønnen like over formasjonen som forårsaker uttrengningen, hvilket begrenser ytterligere uttrengning i vesentlig grad. Med dette utgangspunktet er bruken av en nedsenket utblåsningsstopper letter enn bruken av de konvensjonelle.

Nedsenkete eller hullbaserte

utblåsningsstoppere har vært under utvikling i årevis og mange forslag foreligger. Kjente stoppere lider imidlertid av forskjellige svakheter, særlig i styringssystemet.

Hovedformålet med oppfinnelsen er å skape en anordning, særlig en nedsenkbar utblåsningsstopper, med et integrert konsept som omfatter et pakningselement ("packer"), en indre ventil og et styresystem. Denne anordningen bør være pålitelig og enkel, uten behov for ekstra styreutstyr.

Det er et særlig formål å skape en nedsenkbar utblåsningsstopper med et hydraulisk styresystem som kan aktiveres når det skulle være nødvendig. Det hydrauliske styresystemet bør utnytte energi som overføres fra borevæskepumpe og styres av trykkvariasjoner fra denne. Utblåsningsstopperen bør være en del av borestrengen som brukes for den vanlige boringen.

Oppfinnelsens prinsipp:

Ifølge oppfinnelsen kan hovedformålet oppnås vedw hjelp av en anordning som beskrevet i patentkrav 1.

Anordningen ifølge oppfinnelsen kan brukes for forskjellige formål slik det er angitt nedenfor.

1. Som utblåsningsstopper

Med en slik stopper kan sprengingen av svake formasjoner unngås og dermed skade på reservoaret. En uttrengning fra formasjonen kan styres på et tidlig stadium slik at uttrengningen ikke vil utvikle seg til en utblåsning. Anordningen ifølge opfinnelsen vil derfor øke sikkerheten både for reservoaret og for utstyret.

2. Lekkasjetesting

Når anordningen plasseres i en borestreng kan det foretas lekkasjetester på enhver dybde, ikke bare ved det punktet i brønnen hvor foringsrøret er festet. Ved undersøkelsesboring kan kontinuerlige lekkasjetester standardiseres.

3. Som midlertid plugg

Når det foreligger alvorlige sjøforhold eller ulykker, kan anordningen brukes som en midlertidig plugg, etterlatt i brønnen mens borefartøyet forlater stedet. Dette verktøyet er bedre enn vanlige plugger. Fordi det er plassert i borestrengen kan det hurtig bringes på plass og senere hentes lettvindt ut igjen. 4. Som utblåsningsstopper i forbindelse med vedlikeholdsarbeid.

Ved vedlikeholdsarbeid, når en vanlig utblåsningsstopper er tatt bort, kan anordningen ifølge oppfinnelsen brukes for å hindre utblåsning. 5. Som pakningselement ved innsprøyting under produksjon Det er et alternativt hjelpemiddel for dette formålet. Når det anvendes kan en hurtigere utløsning oppnås enn når det brukes en såkalt "go-devil".

Ytterligere trekk ved oppfinnelsen vil bli beskrevet i de uselvstendige kravene.

Eksempel:

Oppfinnelsen vil nedenfor bli beskrevet nærmere under henvisning til tegningen, hvor: Fig. 1 viser et lengdesnitt gjennom en anordning ifølge oppfinnelsen med et pakningselement, en sekvensstyring og en ventil,

fig. 2 viser mer detaljert pakningselementet i fig. 1, fig. 3 viser mer detaljert ventilen i fig. 2, mens fig. 4A-D viser i dlengdesnitt forskjellige driftsstilstander av apparatet i figurene foran.

I fig. 1 er det vist en fullstendig, delvis skjematisk gjengivelse av en anordning ifølge oppfinnelsen, beregnet for innføring i en borestreng. Anordningen i fig. 1 har tre hovedkomponenter: Et trykkstyrt pakningselement (I), en hydraulisk sekvensstyring (II) og en hydrulisk betjent kuleventil (III). Disse komponentene vil bli beskrevet i samme rekkefølge.

Pakningselementet som skal brukes i en nedsenkbar utblåsningsstopper bør være et omstillbart pakningselement som kan styres enkelt og nøyaktig. I eksempelet er det brukt et pakningselement som utvides med olje.

Fig. 2 viser trykkstyrt pakningselement og tilhørende deler. Pakningselementet er utformet av deler som danner en sentral boring 11 for borevæske. Ved den øvre enden av et generelt rørformet hus 12 finnes en innvendig gjenget stuss for innkobling av pakningselementet i en borestreng (ikke vist). Et gummirør 14 er utspent koaksialt i et kammer 15 som danner en utvidelse av boringen 11 i den nedre delen av pakningselementet. Den avstengte delen av kammeret 15 står i forbindelse med en sekvensventil 16 som tilfører trykkmedium til et pakningsorgan 17.

Pakningsorganet 17 har form av et rør som er tett forbundet ved den øvre enden til ei øvre hylse 18, som omgir den øvre delen av huset 12, under stussen 13, og ved den nedre enden til en ringformet sokkel 19, som også omgir huset 12. Pakningsorganet 17 er tilvirket av en passende elastomer.

Den sentrale delen av pakningselementet 17 og den tilstøtende delen av huset 12 danner et ringkammer 20 som er koblet for å motta trykkmedium fra ventilen 16. Ventilen 16 er kortsluttet av en tilbakeslagsventil.

Banen fra ventilen 16 består av ei boring 22 i huset 12 som med sin åpning står overfor ei boring 23 i sokkelen 19 i sin nedre stilling, idet boringa 23 er forbundet med kammeret 20.

Trykket av borevæske i boringa 11 overføres gjennom gummirøret 14 slik at det overfører trykk til oljen i kammeret 5.

Når oljetrykket når et forutbestemt nivå, vil sekvensventilen 16 åpne slik at olje slippes inn i kammeret 20. Tilbakeslagsventilen 21 brukes for å hindre olje i å strømme fritt inn i pakningsorganet 17, men lar den i stedet gå tilbake til kammeret 15 når trykket i borevæske er lavbere enn oljetrykket bak pakningsorghanet 17.

Pakningsporganet 17 med dets bæreelementer, hylsa 18 og sokkelen19 kan forskyves på en forsenket del av huset 12.

For å holde pakningsorganet 17 ekspandert føres huset 12 nedover slik at forbindelsen mellom boringene 22 og 23 stenges. Dermed holdes oljetrykket i pakningskammeret 20 for å avlaste pakningsorganet blir huset 12 løftet. Forbindelsen vil da bli gjenopprettet og olje strømme tilbake til kammeret 15 gjennom entilen 21, forutsatt at pumpingen er stoppet.

I huset 12 finnes en konsentrisk, ringformet kanal 24 som danner en bane over paknignselementet når huset og pakningselementet er i normalstilling. Den ringformete banen 24 er ved sin nedre ende forbundet med ei åpning 25 sideveis ut av huset 12. Ved sin øvre ende er den koblet til ei andre åpning 26 i sida av huset 12. Denne åpninga 26 er plassert i det området som omsluttes av hylsa 18. I den nedre stillingen av huset 12 kommuniserer åpninga 26 med en radialt plassert boring 27 gjennom hylsa 18. I øvre stilling, kommuniserer åpningen 27 med det indre av huset 12, dvs. boringa 11 gjennom ei boring 28. For å kortslutte pakningselementet blir huset 12 skjøvet nedover ei strekning hvilket betyr at åpninga 26 lukkes og det dannes en forbindelse gjennom boringa 28.

Den hydrauliske sekvensstyringa

Anordningen omfatter i sitt midtparti ei hydraulisk sekvensstyring angitt med II i fig. 1. Dens hus 31 er en forlengelse av huset 12 til pakningselementet I. Ved den øvre enden har pakningselementets sentralboring 11 en kort forlengelse 32, som er forgrenet i tre forbiføringskanaler 33, som går forbi et sentralt kammer 34, beregnet for en styreanordning 35 som skal styre driften av anordningen. Denne styreanordningen 35 er ikke beskrevet nærmere, idet den kan forskjellig kjent utforming.

Forbiføringskanalene 33 er forenet ved underkanten av styreanordningen til ei sentral boring 34, som går over i ei tilsvarende boring 40 i ventilenheten III (fig. 1 og 3).

Kuleventilen

I fig. 3 er det vist en kuleventil som drives av en hydraulisk sylinder. Kuleventilen som kan brukes i det nedsenkbare utblåsningsstopperen, kan plasseres i enhver stilling mellom helt åpen og helt lukket. Den skiller seg dermed fra den som blir brukt ved vanlig oljeutvinning. Stillingen bør bare forandres når ventilen er uten trykkforskjell.

I boringa 40 er det plassert et første, øvre ringkammer 41 som opptar ei skruefjør, og et andre, nedre ringkammer 43 opptil det første og ihed større diameter enn disse, hvilket danner sylinder for et stempel 44.

Stempelet 44 har en øvre, rørformet stang 45 som strekker seg opp i boringa 40, og en nedre, rørformet stang 46 med en utvidet ende 47. Stempelet 44 med de to stengene 45 og 46 danner en kanal som forbinder den øvre boringa 40 og den nedre boringa 48, idet den siste er et ventilkammer som beskrevet nedenfor. Den nedre enden av boringa 48 opptar ei hylse 49 som bærer en kuleventil 50 med ei sentral boring. Kuleventilen eller ventilorganet 50 ligger an mot et ventilsete 51 ved den nedre enden av boringa 48. Ventilorganet 50 er innrettet slik at det kan lukke ei boring 52 som er en fortsettelse av boringa 48. Den nedre enden av ventilhuset 53 er forsynt med en utvendig gjenget stuss 54.

På en aksel 55 som bærer ventilorganet 50 og som er opplagret i ei hylse 49 finnes et tannhjul 56, som er forbundet med akselen 55 ved hjelp av en ikke vist frihjulsmekanisme. Når tannhjulet 56 roteres i en retning vil det drive ventilorganet 50 mens det kan løpe fritt i det andre.

Tannhjulet 56 drives av ei tannstang 57 festet til eller integrert med den nedre enden av stempelstanga 46. Når tannhjulet drives i en retning av tannstanga 57, vil det ikke påvirke ventilorganet, mens det i den andre retningen vil rotere ventilorganet 90°. Når styringssystemet II forbinder kanalen 56 med en lavtrykks-tank bygget inn i styringssystemet vil stempelet 44 bli ført oppover av trykket i borevæska. Tannhjulet 56 vil da ikke dreie ventilorganet 50. Når pumpinga av borevæske stopper vil stempelet 44 bli ført tilbake til sin utgangsstilling av fjøra 42. Tannhjulet vil da dreie ventilorganet 50 90° og forandre dets stilling.

Anordningens virkemåte

Anorndingens virkemåte skal beskrives i trinn med henvisning til fig. 4. I trinn l holdes kuleventilen åpen etter at boring er gjennomført. I trinn 2, etter at kuleventilen er blitt lukket, bygges det opp oljetrykk med slampumpa gjennom røret eller trykkomformeren 14. Når oljetrykket når en viss verdi blir sekvensventilen 16 åpnet, olje føres gjennom denne og kanalen 22 slik at pakningsorganet 17 utvides. Når pakningsorganet utvides slik at det stenger ringrommet, holdes forbiføringskanalen 24 fremdeles i forbindelse med hullet 27 i pakningselementet. Mens pakningselementet finnes det derfor fortsatt en kanal gjennom denne. Denne kanalen eliminerer fare p.g.a. eventuell vridning mellom pakningselemenet og brønnveggen. Etter at pakningselementet er på plass holdes den fast til formasjonen. Ved å føre borestrengen ned en strekning a, vil den innvendige kanalen 24 såvel som kanalen for olje 22 stenges og forbiføringsåpningen og borestrengen 28 blir ført på linje med hullet 27 i pakningselementet slik at utslipping kan startes. Fordi ringrommet er blitt lukket kan væsketransporten startes umiddelbart. Borevæska kan brukes for å føre ut medium som er trengt ut fra formasjonen.

Etter at det hydrostatiske trykket i ringrommet over pakningselementet er blitt oppbygd med belastet borevæske blir styresystemet brukt for å åpne kuleventilen. Borestrengen løftes så for å forbinde den innvendige kanalen 27 med hullet 27 i pakningselemenet, hvilket bryter forbiføringskanalen 28. Medium som trenger inn under pakningseelementet kan da pumpes gjennom kanalen 24.

I trinn fire etter behandling av all borevæske i brønnen, blir pumpingen stoppet. Trykkomformeren går tilbake til lavtrykkstilstand og oljen i pakningselementet kan går tilbake til trykkomformeren dersom kanalen 22 for hydrulisk olje er blitt forbundet med pakningselementet. Pakningselementet blir deretter avlastet og anordningen har vendt tilbake til normal boretilstand.

Claims (4)

1. Anordning for plassering i en borestreng for boring av oljebrønner, for å lukke brønnen i nedsenket stilling, omfattende et aksialt forløpende hus med en indre kanal, omfattende en ventil (III), en hydraulisk ekspansjonskrage eller pakningselement (I) med et ekspansjonskammer (20) og en hydraulisk styrekrets (II) for styring av aktiveringen og deaktiveringen av ventilen og pakningselementet, karakterisert ved at a) den omfatter en trykkomformer (14,15) som på en side er forbundet med den indre kanalen for borevæske og på den andre side forbundet med en ventil (16) som kommuniserer med pakningselementets ekspansjonskammer (20), b) at et pakningsorgan bæres på en gripemekanisme (18,19) som omslutter et hus (12) med ei sentral boring (11), idet glidemekanismen danner et ventilorgan for en ventil som forbinder pakningskammeret med dets trykkilde og brønnboringa over pakningselementet med brønnboringa under, eller med den sentral kanalen (11), samt c) at den sentral kanalen (11) er utformet for å oppta et stempel (44) for å aktivere ventilens ventilorgan (50).

2. Anordning i samsvar med krav 1, karakterisert ved at det mellom ventilorganet (50) aksel (55) og stempelet (44) finnes ei tannstangsmekanisme (57,56) og ei frihjulskobling.

3. Anordning i samsvar med krav 1 eller 2, karakterisert ved at omformeren omfatter et ekspanderbart rør (14) som er opphengt koaksialt i den sentrale kanalen (11) og danner skille mot et ringformet hydraulisk kammer (15).

4. Anordning i samsvar med et av kravene 1-3, karakterisert ved at glidemekanismen omfatter ei øvre hylse (18) og ei nedre hylse (19) som mellom seg bærer et pakningsorgan (17), idet den øvre hylsa (18) er forsynt med en åpning (27) til brønnen, mens den nedre hylsa (19) er forsynt med en kanal (23) som kan forbinde pakningskammeret (20) med en kanal (22) i huset (12) fra mateventilen (16).