NO882100L - Roerstreng-innsnevringsventil. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse har generell befatning med plugg-overvåkingssystemer som anvendes i forbindelse med sementerings-prosesser i brønner, og vedrører nærmere bestemt nye og forbedrede innsnevringsventiler for indikering, ved overflaten, av den nøyaktige plassering av en sementfortrengingsplugg i et brønn-hull.

Som detaljert beskrevet i US-patentsøknad 773.616, inngitt 9. september 1985, og det motsvarende US-patentskrift 4.674.573 av 23. juni 1987, kan sementplugger plasseres i brønner i ulike øyemed, f.eks. når en brønn skal avstenges, eller når en brønn-kanal skal "startes", under boring, langs en avvikende retnings-bane. En kjent mengde av sementslam tvinges nedad gjennom en rørstreng av et etterfølgende fortrengningsfluid, idet en plugg fungerer som grenseflate for å adskille slammet fra fortreng-ningsf luidet. Etter at slammet er innpumpet i ringkanalen i sonen rundt rørets nedre seksjon, trekkes røret tilbake, hvorved det ved bunnen av brønnkanalen etterlates en slamsøyle som skal størkne og herdne til en massiv plugg som overspenner og avtetter brønnkanalen.

Når en tilstrekkelig og kontrollert slammengde skal brukes for fremstilling av en sementplugg av spesiell høyde blir det vanligvis innført en beregnet slammengde i røret, hvoretter det anbringes en fluid-fortrengingsplugg (iblant benevnt "pil") ovenpå slamsøylen. Ved anvendelse av et fortrengingsfluid under trykk drives pluggen deretter nedad gjennom røret, med slammet foran seg, til pluggen inntrenger i en "oppfanger"-seksjon i den nedre ende av rørstrengen. Når dette inntreffer, vil det praktisk talt ikke være etterlatt slam innvendig i borstrengen, da denne vil være rengjort for slam av pluggen som passerer nedad gjennom rørstrengen.

Det kreves fagkyndighet i forbindelse med sementpluggings-prosessen, for å kunne vite nøyaktig når pumpene skal stoppes for at fortrengingspluggen eller pilen skal plasseres i en kjent sone i rørstrengen. Det har vært anvendt forskjellige innsnevrings-anordninger for fremkalling av en observerbar trykkbølge ved overflaten når en plugg passerer gjennom disse. En anordning består av en rørnippel med et halsparti av redusert diameter. En trykkøkning vil registreres ved overflaten når pluggen inntrenger i den øvre ende av halspartiet, og trykket synker når pluggen passerer ut gjennom halspartiets nedre ende. Prosessen for fremstilling av denne anordning kan bli relativt kostbar, og er langtrukken. En annen, kjent innsnevringsanordning består av en elastomerhylse som er fastlimt i en innvendig forsenkning i en rørseksjon. Hvis det som fortrengingsfluid benyttes vannbaserte boreslamtyper, vil det ved overflaten leveres en pålitelig indikasjon på passeringen av en fortrengingsplugg. Ved anvendelse av oljebasert slam vil imidlertid hylsen bli såvidt glatt, at pluggen vil kunne passere uten at en betydelig økning i pumpetrykk lar seg observere. Samme problem oppstår når en elastomerplugg av typisk piltype nedpumpes gjennom en metallinn-snevring som dannes av innerkanalen i en rørseksjon, eller av en separat metallhylse som er fastgjort i kanalen.

Det er et formål ved oppfinnelsen å frembringe en ny og forbedret innsnevringsventil av ovennevnte type som vil kunne avgi en tydelig indikasjon til overflaten, uten hensyn til de karakteristiske egenskaper hos fortrengingsfluidet som brukes eller hos andre, tilstedeværende fluider i brønnkanalen.

Dette og andre formål er ifølge foreliggende oppfinnelse oppnådd ved frembringelse av en innsnevringsventil omfattende en stort sett rørformet del med en innvendig forsenkning som er dimensjonert og plassert for opptakelse av et ringformet innsnevringselement hvorigjennom fortrengingspluggen vil passere under sin nedadgående bevegelse gjennom en rørstreng hvori innsnevringsventilen er innkoplet. I en utførelsesform består det ringformede innsnevringselement av en korrugert hylse av aluminium e.l. metall med en innadrettet korrugering av valgt lengde i ventilkanalen. Et metallisk forstykke, likeledes helst av aluminium, er fastgjort til fortrengingspluggens forside og innbefatter et innadhellende konisk ytterflateparti som kan bringes i anlegg mot innsnevringshyIsens korrugering, for å deformere denne og utvide dens opprinnelige innerdiameter i tilstrekkelig grad til at forstykket og pluggen kan passere gjennom hylsen. I en annen versjon er innsnevringshylsen tilvirket av rørformet fjærstål og er utstyrt med minst to motsatt beliggende fliker hvis frie ender er innadbøyd og strekker seg inn i ventilens innerkanal. På tilsvarende måte er en metallring med en nedad- og innadskrånende ytterflate fastgjort til fortrengingspluggens forstykke og ligger an mot flikene som derved vil fjære utad når ringen passerer gjennom. Da mekanisk deformering eller bøying av metall er nødvendig i begge tilfeller, for at pluggen skal passere, vil det ved overflaten oppstå en tydelig trykkøkning som angir pluggens passering og følgelig dens nøyaktige plassering, motsvarende oversiden av sementslamsøylen, i rørstrengen. Typen av tilstedeværende brønnfluider vil ikke innvirke nevneverdig på indikasjonen.

Oppfinnelsen er nærmere beskrevet i det etterfølgende under henvisning til de medfølgende tegninger, hvori: Figur 1 viser et skjematisk sideriss, delvis i snitt, av en brønninstallasjon omfattende en pluggutstøter, en rørstreng, en innsnevringsventil og en pluggfanger. Figur 2 viser et snitt av en versjon av insnevringsventilen ifølge oppfinnelsen, med en innført og nedadgående fortrengingsplugg. Figur 3 viser et delsnitt av innsnevringshylsen ifølge figur 2, etter at pluggen har passert gjennom. Figur 4 viser et snitt av en annen versjon av innsnevringsventilen ifølge oppfinnelsen. Figur 5 viser et lengdesnitt av en pluggutstøteranordning med en fortrengingsplugg av piltype som passerer gjennom en innsnevringshylse av type som vist i figur 4.

Det er i figur 1 vist et brønnfelt eller en brønninstalla-sjon 10 med en brønnkanal 11 som kan være foret med et brønnrør 12, og hvori det skal innføres en sementplugg for avtetting av brønnkanalen for stenging, "starting" eller annet formål. En pluggutstøteranordning 13 er ved brønnens øvre ende sammenkoplet med en rørstreng 14 som er nedført i brønnkanalen 11. En pluggfangeranordning 15 og en stråle/sirkulasjonsvender-hylse 18 er fastgjort til den nedre ende av strengen 14, og pluggfangeranordningen er forsynt med utløpsåpninger 16 hvorigjennom sementslam som pumpes gjennom rørstrengen 14, strømmer inn i ringkanalen 17 og oppad rundt den nedre rørseksjon. En innsnevringsventil 20 ifølge oppfinnelsen er innkoplet i rørstrengen 14 i valgt avstand, eksempelvis 90 meter, over pluggfangeranordningen 15.

Pluggutstøteranordningen 13 er forsynt med øvre og nedre innsnevringer i soner 21 og 22, og er forbundet med et deksel 23 som fjernes for innføring av plugger i anordningens indre kanal. I rørledninger 27-29 som står i forbindelse med en tilførsels-kilde 30 er det innkoplet ventiler 24-26 for selektiv innpumping av fluider i en sone av anordningen 13 ovenfor den øvre innsnevring 21, en sone mellom innsnevringene 21 og 22 og en sone under den nedre innsnevring 22. En tilførselsledning 30 er forbundet med et pumpeutløp (ikke vist) for at sementslam og fortrengingsfluider skal kunne innpumpes under trykk i den øvre ende av rørstrengen 14. En trykkmåler (ikke vist) er koplet til led-ningen 30 på egnet sted, slik at strømningstrykk og brå trykkfor-andringer kan observeres av pumpeoperatøren.

En innsnevringsventil 20 av annen utførelsesform er vist i snitt i figur 2. Ventilen 20 innbefatter en rørformet overgangsseksjon 35 som gjennom yttergjenger 36 er forbundet med rørenden 37 og gjennom innergjenger 38 med rørenden 39. I overgangsseksjonen 35 er det anordnet en innvendig, ringformet forsenkning 40 som danner en oppadrettet støtteflate 41. Den nedre endeflate 42 av rørenden 39 danner et nedadrettet skulderparti, og en ringformet, korrugert innsnevringshylse 44 er delvis innmontert i forsenkningen 40, med sin nedre ende 45 i anlegg mot støtteflaten 41 og sin øvre ende 46 plassert under skulderpartiet 42. Som det fremgår, er hylsen 44 utstyr med tre korrugeringer 47-49, hvor innerveggene 51, 51' av de øvre og nedre korrugeringer 47 og 49 har en noe større innerdiameter enn røret 14. Den midtre korrugering 48 har imidlertid en innervegg 52 av betydelig mindre diameter enn innerdiameteren av røret 14, og strekker seg derfor innad og danner en vesentlig innsnevring i kanalen.

Hylsen 44 er fortrinnsvis fremstilt av et materiale såsom aluminium og har en forutbestemt veggtykkelse, sett i snitt, som gir en valgt motstand mot deformering.

En fortrengingsplugg av egnet elastomermateriale har en midtseksjon 51 og en rekke utadragende tetningsflenser 52 som ligger glidbart an mot innerveggen av røret 14, for å danne et skille mellom sementslam og fortrengingsfluider. En forplate 53 er fastgjort til den nedre endeflate 54 på pluggen 50, f.eks. med et epoksylim, og har en øvre, sylindrisk vegg 54 og en nedre, konisk vegg 55 som heller nedad og innad. Undersiden 56 av platen 53 kan være plan, som vist, og platens underkant 57 har en diameter som er noe mindre enn innerdiameteren av korrugeringen 48.

Når pluggen 50 nedskyves gjennom røret 14 ved hjelp av trykkfluid, vil skråflaten 58 møte korrugeringen 48 i hylsen 44, som må deformeres for at pluggen skal kunne passere gjennom hylsen. En nedadrettet kraft som utvikles på grunn av trykkfor-skjellen over pluggen 50, vil bevirke at det overføres nedadrettede og radialtrettede krefter mot korrugeringen 48 som derved deformeres og bøyes nedad til den stilling som er vist i figur 3, hvor korrugeringens innerdiameter er øket tilstrekkelig til at platen 53 og pluggen 50 kan passere gjennom. Trykkdifferansen som kreves for at korrugeringen 48 skal deformeres og dens innerdiameter utvides, vil ved overflaten forårsake en tydelig økning i strømningstrykk som lett kan avleses på måleren.

En annen versjon av innsnevringshylsen er vist i figur 4. Den rørformede overgangsseksjon 60 er i dette tilfelle forsynt med øvre og nedre gjenger 61, 62 for sammenkopling til rør-strengen 14, og en innvendig forsenkning 63 som opptar en hylse 64 av fjærstål. Hylsen 64 har en veggtykkelse som tilsvarer radialdybden av forsenkningen 63, slik at hylsens innervegg 65 har samme diameter som innerveggen 66 av overgangsseksjonen 60. Diametralt motsatte par av U-formede fliker 67 og 68 er utformet i hylsens 64 vegger og hver flik er svakt krummet innad slik at avstanden mellom flikenes frie ender er betydelig mindre enn diameteren av overgangsseksjonsveggen 66.

Selv om en fortrengingsplugg av den type som er vist i figur 2, kan komme til anvendelse, er en annen pluggtype som vanligvis benevnes "pil", vist i figur 4 umiddelbart innen den passerer gjennom innsnevringshylsen 64. Pilen 72 er også tilvirket av elastomermateriale, og omfatter en midtseksjon 73 og en rekke oppadrettede skåler 74 som ligger tettende an mot innerveggen av røret 14. Den nedre ende 75 av pilen 72 er stort sett konisk med en avrundet, nedre endeflate 76, og den nedre endes øvre endeparti innbefatter en sylinderflate 77. På sylinderflaten 77 er det montert en metallring 78 med et rørformet, øvre parti 79 og et skrånende, nedre parti 80. Når pilen 72 fremføres gjennom innsnevringshylsen 64, vil den nedad- og innadhellende ringflate 81 på det nedre parti av ringen 78 bringes i anlegg mot flikene 67, 68 som derved tvinges fjærende utad i tilstrekkelig grad til at ringen 78 og de etterfølgende tetningsskåler 74 kan passere gjennom flikene.

Som tidligere beskrevet, vil ringen 78, under ekspanderingen av de elastiske fliker 67, 68, utøve en virkning som i seg selv er mekanisk og en funksjon av flikenes stivhet som avhenger av deres tykkelse, form og andre faktorer. Den nedadrettede kraft som skyldes trykkdifferansen over pilen 72 og som er nødvendig for at ringen 78 skal kunne passere gjennom flikene 67, 68, er således praktisk talt uavhengig av det omgivende fluid og hvorvidt de angjeldende flater er smurt, og ved overflaten vil det derfor observeres en markert trykkøkning som indikerer nøyaktig plassering av pilen 72 og følgelig av den øvre eller den nedre ende av sementslamsøylen.

En annen fordel ved innsnevringshylsen 64 er at flikene 67 og 68 vil gjeninnta sin opprinnelige form etter at pilen 72 har passert gjennom, og derved motvirke oppadgående bevegelse av pilen i røret 14. Derved forebygges en "U-røreffekt" som vil medføre at sementslam tilbakeføres til kanalen i røret 14, når pumpingen opphører.

Figur 5 viser en pluggutstøteranordning 13 som er utstyrt med innsnevringshylser ifølge oppfinnelsen, f.eks. hylser av en konstruksjon som vist i figur 4. Utstøteranordningen 13 omfatter en langstrakt rørseksjon 100 som i sin nedre ende er forsynt med gjenger 101 for sammenkopling med den øvre ende av røret 14, og i den øvre ende med innegjenger 102 for sammenkopling med et deksel 103 som kan fjernes og atter påsettes ved innføring av én eller flere piler 72 i kanalen 104 i seksjonen 100. En pakningsring 105 forhindrer fluidlekkasje langs dekselet 103. En øvre innsnevringshyIse 106 og en nedre innsnevringshyIse 107 er innmontert i kanalen i seksjonen 100, idet den nedre hylse hviler mot en støtteflate 108 og den øvre hylse 106 er plassert og fastholdt i stilling ved hjelp av avstandsrør 109 og 110. Hvert avstandsrør har gjennomløpsåpninger 111 i nivå med sidekanaler 112 og 113 som står i forbindelse med de respektive rørledninger 27 og 28 (figur 1). Nedenfor innsnevringshylsen 107 står rørkanalen 104 i forbindelse med rørledningen 29 gjennom en nedre sidekanal 114.

En første pil 72 er vist innen den pumpes eller tvinges gjennom den nedre innsnevringshylse 107, og en andre pil (ikke vist) kan innføres i kanalen 104 hvor den først vil innta en lignende posisjon ovenfor den øvre innsnevringshylse 106. To piler 72 benyttes, i tilfelle av at operatøren velger å plassere en sementplugg med piler både ved den nedre og den øvre ende av slamsøylen.

Under drift er pluggfangerseksjonen 15 og stråle/venderhyl-sen 18 forbundet gjennom gjenger med den nedre ende av den første rørskjøt som skal nedføres, og seksjoner eller ledd av rør-strengen 14 sammenkoples ende mot ende mens strengen senkes i brønnkanalen 11. En innsnevringshylse 20 av type som vist i figur 2 eller figur 4, innkoples i rørstrengen i valgt avstand, eksempelvis 90 meter, over pluggfangeranordningen 15. Innsnevringshylsen 20 plasseres vanligvis ett eller to ledd nedenfor sementpluggens planlagte, øvre ende. Rørstrengen 14 nedføres til bunnen (eller nesten til bunnen) og utstøteranordningen 13 forbindes gjennom gjenger 101 med den øvre ende av rørstrengen. Deretter løsgjøres rørstrengen 14 eller holdes opphengt i kilene i rotasjonssporet. De to fortrengingsplugger eller -piler 72 anbringes deretter i utstøteren 13, og dekselet 103 fastgjøres i den øvre ende av seksjonen 100.

Gjennom kanalen 114 og ventilen 26 innpumpes deretter et brønnfluid i rørstrengen 14, for å rense og klargjøre brønnen på vanlig måte. Deretter utstøtes den nedre pilen 72 ved innpumping av sementslam under trykk gjennom kanalen 113 og ventilen 25. Pilen 72 danner en grenseflate mellom slam og brønnfluider, og forhindrer sammenblanding av disse.

Sementslam i ønsket mengde som innpumpes i røret 14, driver pilen 72 nedad, hvoretter den øvre pil 72' utstøtes ved stenging av ventilen 26 og innpumping av et fortrengingsfluid i utstøteren 13 gjennom den øvre kanal 112 og ventilen 24. Det angis på pumpetrykkmåleren at den enkelte plugg 72 faktisk er utstøtt, når ringen 78 ekspanderer de elastiske fliker 67 og 68. Den øvre plugg 72' danner likeledes en grenseflate som forhindrer at sementslammet forurenses av fortrengingsfluider. Under sin nedadgående bevegelse vil pilene renskrape innerveggen av røret 14, praktisk talt uten å etterlate sement på rørets innervegg.

Sementslammet innpumpes til det gjenstår ca. 120 liter i innsnevringsventilen 20 i brønnhullet, og pumpingsmengden reduseres til ca. 120 l/min. En tydelig og momentan økning i pumpetrykk angir ved overflaten at den nedre pil 72 passerer gjennom innsnevringshylsen. En andre indikasjon avgis når den øvre pil 72 passerer gjennom innsnevringshylsen, hvoretter pumpingen opphører umiddelbart. Oversiden av sementslammet i ringkanalen vil befinne seg like over innsnevringsventilen 20.

Rørstrengen 14 løftes deretter ca. 90 meter ved overflaten mens den øvre pilen 72' pumpes nedad, for å tømme rørstrengen og pluggfangerseksjonen 15 for slam. Begge pilene 72 og 72' vil da ha trengt inn i og blitt oppfanget i anordningen 15, og utblås-ings-sperreventilene stenges ved overflaten. Rørstrengen 14 kan rengjøres ved omvendt sirkulering av fluider nedad langs ringkanalen og inn i rørstrengen gjennom hylsen 18. Sementsøylen som har en høyde av ca.90meter, får herdne til en massiv plugg i brønnkanalen 11.

Ved behov for flere sementplugger kan disse formes på den øvre ende av den allerede herdnede pluggen, under anvendelse av samme fremgangsmåte som tidligere beskrevet.

Det vil fremgå, at det i det ovenstående er beskrevet nye og forbedrede innsnevringsventiler for anvendelse i forbindelse med sementpluggingsprosesser. Da innsnevringsventilenes virkemåte hovedsakelig er basert på deformering av én eller flere metall-deler ved hjelp av en annen metalldel, vil det ved overflaten avgis en meget pålitelig indikasjon av den nøyaktige posisjon i et brønnhull av piler eller plugger som avgrenser slamsøylens øvre og/eller nedre ende. De beskrevne utførelsesformer vil kunne endres eller modifiseres uten at det avvikes fra oppfinnel-sens ramme som er definert i de etterfølgende krav.

Claims (14)

1. Innsnevringsventil for anvendelse ved overføring til overflaten av en indikasjon som angir posisjonen i brønnhullet av et pluggelement i en rørstreng, karakterisert ved at den omfatter en rørseksjon med ender som er utstyrt med midler for innkopling av seksjonen i en rørstreng, og med en kanal og en innvendig, ringformet forsenkning, hvor kanalen har en første innerdiameter og forsenkningen har en andre innerdiameter som er større enn den første innerdiameter, og hvor det i forsenkningen er innmontert en hylse med øvre og nedre endeflater og med innadragende innsnevringsdeler som danner en fjærende hindring for medføring av pluggele-mentet gjennom rørseksjonskanalen og som i sin helhet befinner seg mellom hylsens øvre og nedre endeflate og utgjør en integre-rende del av hylsen.

2. Ventil i samsvar med krav 1, karakterisert ved at innsnevringsdelene innbefatter minst én hylsekorrugering med en innerdiameter som opprinnelig er mindre enn seksjonskanalens innerdiameter.

3. Ventil i samsvar med krav 1, karakterisert ved at innsnevringsdelene innbefatter minst én elastisk flik som danner en del av hylseveggen og har et nedadragende, fritt endeparti som er krummet innad og derved strekker seg inn i rørseksjonskanalen.

4. Ventil i samsvar med krav 1, karakterisert ved at innsnevringsdelene innbefatter minst to diametralt motsatt plasserte fliker som danner deler av hylseveggen og som hver for seg er krummet nedad og innad med et fritt, nedre endeparti som strekker seg inn i rørseksjons-kanalen.

5. Ventil i samsvar med krav 4, karakterisert ved at hylsen og flikene er fremstilt av fjærstål, slik at flikene kan deformeres elastisk og gjeninnta sin opprinnelige form.

6. Ventil i samsvar med krav 1, karakterisert ved at hylsen har en midtseksjon og en rekke korrugeringer innbefattende en innsnevrings-korrugering som er beliggende ved midtseksjonen og som har en innerdiameter som opprinnelig er mindre enn innerdiameteren av rørseksjons-kanalen.

7. Anordning for utstøting av plugger i en rørstreng under en brønnsementeringsprosess, karakterisert ved at den omfatter en langstrakt rørseksjon som er løsgjørbart forbundet med et deksel i sin øvre ende og som avgrenser en aksialkanal med en første innerdiameter og en forsenkining med en andre innerdiameter som er større enn den første innerdiameter, og innbyrdes adskilte, øvre og nedre innsnevringsdeler som er innmontert i forsenkningen og som hver for seg innbefatter et ringformet element med fjærende deler som strekker seg inn i seksjonskanalen og som kan samvirke med en fluiddrevet plugg som derved vil kunne passere gjennom under påvirkning av et forutbestemt fluidtrykk.

8. Anordning i samsvar med krav 7, karakterisert ved at det ringformede element består av en metallhylse med en innadragende korrugering, hvor korrugeringens innerdiameter opprinnelig er mindre enn seksjonskanalens innerdiameter.

9. Anordning i samsvar med krav 7, karakterisert ved at det ringformede element består av en hylse av elastisk metall og med minst to diametralt motsatt plasserte fliker som utgjør deler av hylseveggen og som hver for seg har et fritt, nedre endeparti og er slik formet at flikenes frie endepartier har en innbyrdes avstand som er mindre enn innerdiameteren av seksjonskanalen.

10. Anordning i samsvar med krav 7, karakterisert ved at den innbefatter en sementplugg med en lengdeakse og en nedre forende som er forbundet med en ekspanderinnretning med en konisk ytterflate som heller nedad og innad i forhold til pluggens lengdeakse og som ligger an mot de elastiske deler for å tvinge disse utad i kanalen, slik at pluggen kan passere nedad gjennom innsnevringsdelene.

11. Anordning i samsvar med krav 8, karakterisert ved at den innbefatter en sementplugg med en lengdeakse og en nedre forende som er forbundet med en ekspanderplate som har en konisk ytterflate som heller nedad og innad i forhold til pluggens lengdeakse og som er slik dimensjonert og plassert at den bringes i anlegg mot korrugeringen og fremtvinger økning av dennes innerdiameter i tilstrekkelig grad til at ekspanderplaten og pluggen kan passere gjennom.

12. Anordning i samsvar med krav 9, karakterisert ved en ekspanderring som er fastgjort til pluggens fremre endeflate og har en konisk ytterflate som heller nedad og innad i forhold til pluggens lengdeakse og er slik dimensjonert og plassert at den bringes i anlegg mot flikene som derved fjærer utad i slik grad at deres innbyrdes avstand er tilnærmelsesvis lik innerdiameteren av seksjonskanalen, slik at ringen og pluggen kan passere gjennom hylsen.

13. Anordning i samsvar med krav 7, karakterisert ved en første åpning i rørseksjon-en, for innføring av trykkfluid i seksjonskanalen i en sone over de øvre innsnevringsdeler og under dekselet, og en andre åpning i rørseksjonen, for innføring av trykkfluid i seksjonskanalen i en sone mellom de øvre og de nedre innsnevringsdeler.

14. Anordning i samsvar med krav 13, karakterisert ved en tredje åpning i rørseksjon-en, for innføring av trykkfluid i seksjonskanalen, i en sone under de nedre innsnevringsdeler.