BRPI0718659B1

BRPI0718659B1 - Sistema de controle insensível à pressão de tubulação

Info

Publication number: BRPI0718659B1
Application number: BRPI0718659-2A
Authority: BR
Inventors: E. Bane Darren; Z. Anderson David; T. Jackson Aaron
Original assignee: Baker Hughes Incorporated
Priority date: 2006-11-09
Filing date: 2007-11-06
Publication date: 2018-06-12
Also published as: CN101646839A; EP2079899A2; WO2008060892A3; AU2007319498B2; BRPI0718659A2; GB2456443B; US7591317B2; US20080110611A1; GB0907406D0; RU2408776C1; CN101646839B; AU2007319498A1; GB2456443A; WO2008060892A2; NO20091863L

Description

(54) Título: SISTEMA DE CONTROLE INSENSÍVEL À PRESSÃO DE TUBULAÇÃO (51) Int.CI.: E21B 34/10 (30) Prioridade Unionista: 09/11/2006 US 11/595,607 (73) Titular(es): BAKER HUGHES INCORPORATED (72) Inventor(es): DARREN E. BANE; DAVID Z. ANDERSON; AARON T. JACKSON

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para SISTEMA DE CONTROLE INSENSÍVEL À PRESSÃO DE TUBULAÇÃO.

Campo da Invenção

O campo dessa invenção é para sistemas de controle para vál5 vulas de furo de poço e, mais particularmente, para válvulas de segurança de subsuperfície onde o sistema é insensível à pressão de tubulação. Antecedentes da Invenção

As válvulas de segurança de subsuperfície são utilizadas em poços para fechar os mesmos no caso de uma condição descontrolada para garantir a segurança do pessoal de superfície e impedir danos à propriedade e poluição. Tipicamente, essas válvulas compreendem um flapper, que é o elemento de encerramento é articuladamente montado para girar por 90 graus entre uma posição aberta e uma posição fechada. Um tubo oco chamado de tubo de fluxo é acionado descendentemente contra o flapper para girar o mesmo para uma posição atrás do tubo e fora de seu assento. Isso é descrito como a posição aberta. Ouando o tubo de fluxo é retraído o flapper é empurrado por uma mola montada em sua haste articulada para girar para posição fechada contra um assento de formato similar.

O tubo de fluxo é operado por um sistema de controle hidráulico que inclui uma linha de controle a partir da superfície para um lado de um pistão. A pressão crescente na linha de controle move o pistão em uma direção e muda o tubo de fluxo com o mesmo. Esse movimento ocorre contra uma mola de encerramento que é geralmente dimensionada para desviar a pressão hidrostática na linha de controle, as perdas de fricção nas vedações do pistão e o peso dos componentes a serem movidos em uma direção oposta para mudar o tubo de fluxo para cima e para longe do flapper de forma que o flapper possa balançar e fechar.

Normalmente, é desejável se mover o flapper para a posição fechada no caso de modos de falha no sistema de controle hidráulico e du30 rante a operação normal mediante perda ou remoção da pressão na linha de controle. A necessidade de se corresponder às exigências de modo normal e de falha em um sistema de controle insensível à pressão de tubulação, parti2 cularmente em uma aplicação de válvula de segurança profunda, tem apresentado um desafio no passado. Os resultados representam uma variedade de abordagens que adicionaram complexidade ao desenho incluindo características para garantir que o posicionamento seguro contra falhas fosse ob5 tido independentemente de quais vedações ou conexões falhassem. Alguns desses sistemas possuem sobreposições de pistões piloto e vários reservatórios de gás pressurizado enquanto outros exigem múltiplas linhas de controle da superfície em parte para desviar a pressão da pressão hidrostática da linha de controle. Alguns exemplos recentes desses esforços podem ser observados em USP 6.427.778 e 6.109.351.

Independentemente desses esforços um sistema de controle insensível à pressão de tubulação para válvulas de segurança profundas que apresentavam maior simplicidade, confiabilidade melhorada e menor custo de produção continuou a ser um objetivo a ser alcançado. A presente invenção oferece um sistema que caracteriza uma única linha de controle que age em um pistão que se estende através de blocos espaçados de forma que esteja substancialmente em equilíbrio de pressão com relação à pressão de tubulação. Cada bloco possui uma vedação de pressão de tubulação enquanto o pistão transporta uma vedação de pressão de linha de controle no bloco superior. Uma passagem entre as vedações no bloco superior se estende preferivelmente através do pistão para um reservatório mantendo um gás compressível preferivelmente perto da pressão atmosférica. O movimento do pistão comprime o fluido no reservatório e comprime uma mola de encerramento agindo no tubo de fluxo. Opcionalmente, uma mola e/ou equivalente pode agir no pistão diretamente para mover o tubo de fluxo para perto da válvula. Um sistema redundante pode ser fornecido de modo que quando o sistema primário falha e é equalizado por pressão devido a tal falha, o acesso a um sistema redundante a partir da mesma linha de controle ou linha de controle separada pode ser obtido para a operação con30 tinuada da válvula.

Os versados na técnica apreciarão melhor os detalhes da invenção a partir da descrição da modalidade preferida e dos desenhos que apa3 recem abaixo enquanto reconhecem que o escopo total da invenção é indicado pelas reivindicações.

Sumário da Invenção

Um sistema de controle pode ser utilizado com uma única linha 5 de controle para uma válvula de segurança de subsuperfície. O pistão operacional é exposto ao tubo de fluxo entre dois blocos com vedações quase idênticas para tornar o pistão insensível à pressão da tubulação. Uma vedação do sistema de controle é realizada pelo pistão no bloco superior e uma passagem entre a vedação do sistema de controle e a vedação de pressão de tubulação no bloco superior se comunica com um reservatório de fluido compressível no bloco inferior que também é isolado da pressão de tubulação por uma vedação de pressão de tubulação. O movimento do pistão comprime o fluido no reservatório. O reservatório também pode inclui uma mola para retornar o pistão e o tubo de fluxo para uma posição para perto da válvula. Um sistema redundante pode ser acionado se o sistema primário falhar.

Breve Descrição dos Desenhos

A figura 1 é um diagrama de sistema ilustrativo do sistema de controle proposto.

Descrição Detalhada da Modalidade Preferida

A figura 1 ilustra um sistema de controle para um equipamento de dentro do furo do poço e preferivelmente uma válvula de segurança de subsuperfície (SSSV). Uma linha de controle única 10 se estende a uma primeira conexão 12 no bloco superior 14 que é parte do alojamento SSSV (não ilustrado). Um pistão 16 transporta uma vedação 18 para definir um volume variável 20 que é, em parte, definido pela superfície interna 22 no bloco superior 14. A superfície 22 define um orifício de vedação 24 no qual uma vedação 26 é localizada. A vedação 26 cria uma ponte para o espaço 28 da superfície 22 para o pistão 16. O pistão 16 possui um ombro 30 para apoiar o tubo de fluxo 32 para empurrar o mesmo para baixo contra um dispositivo de encerramento, tipicamente uma mola e ilustrado de forma esquemática em um local como a seta 34. O tubo de fluxo 32 deve se referir geralmente a um mecanismo de operação em uma ferramenta de furo de poço e a um tubo de fluxo em uma modalidade específica de uma SSSV. Os versados na técnica saberão que quando o tubo de fluxo 32 é empurrado para baixo, um flapper (não-ilustrado) é empurrado para ser aberto na

SSSV. Se a mola de encerramento 34 estiver suportada diretamente no tubo de fluxo 32, então um único ombro 30 no pistão 16 é suficiente para mudar o tubo de fluxo 32 para baixo sob a pressão aplicada a partir da linha de controle 10 e para mudar o tubo de fluxo 32 de volta para cima com a remoção da pressão na linha de controle 10 de forma que a mola de encerramento ou equivalente, empurre diretamente para cima no tubo de fluxo 32 para permitir que o flapper se feche.

O pistão 16 se estende para dentro de um bloco inferior 36 que define uma câmara 38 possuindo uma parede 40 na qual uma vedação 42 está localizada no orifício de vedação 44 para abranger o espaço 46. Uma passagem 48 do espaço 28 entre as vedações 18 e 26 se estende até a câmara 38. Preferivelmente, essa passagem atravessa o pistão 16, mas pode atravessar a tubulação do corpo de válvula, ou algum outro percurso alternativo para conectar o espaço 28 à câmara 38.

O tamanho das vedações 26 e 42 é preferivelmente quase idên20 tico de forma que os efeitos da pressão a partir da pressão de tubulação na área 50 tenham pouco ou nenhum efeito na movimentação do pistão 16 em qualquer direção. Nesse contexto, o termo quase idêntico pode ser definido como o fato de uma diferença nos diâmetros de vedação de tubulação não ser suficiente para produzir um aumento prejudicial na pressão de abertura ou fechamento de mais de 25%. Devido à passagem 48, as vedações 26 e 42 observam um diferencial bem alto da pressão de tubulação 50 menos a pressão na câmara 38 que é preferivelmente muito menor. O diferencial de pressão ajuda a vedação a funcionar nos espaços 26 e 48.

Visto que a vedação 18 move com o pistão 16 mais para perto da vedação 26 quando mudando o tubo de fluxo 32 para baixo para abrir a válvula, a presença da passagem 48 levando à câmara 38 permite que esse movimento ocorra visto que a passagem 48 e a câmara 38 contêm, preferi5 velmente, pelo menos em parte, um fluido compressível e preferivelmente a pressões bem baixas em comparação com a pressão de tubulação 50 que pode exceder facilmente 138 mPa (20.000 psi). Além da resistência da vedação ao movimento do pistão 16, a força necessária na linha de controle 10 para mover o pistão 16 é principalmente para superar o dispositivo de encerramento 34 que age diretamente no tubo de fluxo, como uma opção. Alternativamente, o encerramento pode ser realizado com uma mola ou equivalente 52 localizada dentro da câmara 38 e agindo diretamente no pistão 16 ao invés de mola ou equivalente 34 agindo no tubo de fluxo 32. Em outra opção, ambas as localizações podem ter molas ou dispositivos equivalentes de forma que as forças de encerramento ajam no tubo de fluxo 32 e no pistão 16. Uma mola ondulada é preferida para a mola 52, mas dispositivos de armazenamento de energia equivalentes também podem ser utilizados. A pressão preferida na camada 38 é a pressão atmosférica ou uma pressão próxima à mesma, mas tal pressão pode ser maior e alta o suficiente para agir como uma força de encerramento total ou parcial no pistão 16. Isso é uma troca visto que também é desejável se ter diferenciais de pressão maiores através das vedações 26 e 42 o máximo possível para melhorar o desempenho da vedação através dos espaços 28 e 46. Até onde qualquer força de encerra20 mento para o tubo de fluxo 32 é proveniente da câmara 38 outro ombro 54 pode ser utilizado para empurrar o tubo de fluxo 32 para cima para permitir que a válvula se feche.

A operação normal não é nada mais do que a aplicação de pressão à linha de controle 10 para mover o pistão 16 contra uma força de encer25 ramento, seja 34 ou 52 ou ambos ou a pressão de dentro da câmara 38. O movimento do pistão 16 simplesmente reduz o volume da câmara 38 e comprime o fluido dentro da mesma. Para se fechar a válvula normalmente, a pressão é simplesmente reduzida na linha de controle 10 e os dispositivos de encerramento assumem e revertem o movimento do pistão 16 e do tubo de fluxo 32.

A falha da vedação 26 ou 42 coloca a pressão de tubulação na câmara 38 em oposição à pressão de linha de controle na linha de controle

10. A pressão de linha de controle nas aplicações com pressão de tubulação muito alta 50 geralmente não combinarão na câmara 20 e do pistão moverá para cima sob uma força maior da câmara 38 ou simplesmente da força de encerramento da mola 34 ou 52. Uma vez equalizada em torno do pistão 16 devido a uma falha de vedação da vedação 26 ou 42, a aplicação adicional da pressão de linha de controle não reabrirá a válvula. Se a vedação 18 falhar, a pressão da linha de controle 10 equaliza entre as câmaras 20 e 38 e a válvula fecha em virtude da mola 34 ou 52 e não pode ser reaberta.

No caso de uma falha de vedação dos tipos descritos acima, é 10 vantajoso se ter um sistema redundante ilustrado esquematicamente como 56 que seja preferivelmente idêntico ao sistema ilustrado e funcione da mesma forma. O sistema 56 pode ser conectado à linha de controle 10 ou através de uma linha de controle independente através de um disco de ruptura 58 que é configurado mais alto do que as pressões normais esperadas para a operação do sistema de controle previamente descrito. Um filtro 60 pode ser utilizado opcionalmente para conter quaisquer partes de disco de ruptura depois que o mesmo é partido pela elevação da pressão na linha de controle 10. De acordo, se o sistema de controle principal falhar das formas descritas acima, o disco de ruptura 58 pode ser partido e o sistema 56 as20 sumirá depois de o sistema inicial ser desativado. Nenhuma quantidade de pressão para o sistema operacional inicial na verdade moverá o pistão 16 devido à equalização que já ocorreu para alcançar o ponto de ter que romper o disco de ruptura 58 para ser capaz de manter a operação da válvula. Alternativamente, o disco de ruptura 58 e o filtro 60 podem ser eliminados e os sistemas redundantes podem operar durante todo o tempo em conjunto a partir de uma única linha de controle 10 que ramifica para servir as unidades redundantes. Aiternativamente, outra opção pode ser rodar uma segunda linha de controle separada a partir da superfície do disco de ruptura 58, para o filtro 60 e o sistema operacional redundante 56. Se um sistema falhar, co30 mo descrito acima e se tornar inoperante, os outros sistemas podem ser ativados e podem continuar a operar de forma normal.

Os versados na técnica apreciarão que o sistema é simples e caracteriza um pistão insensível às pressões de tubulação 50. Enquanto é insensível às pressões de tubulação, apresenta um reservatório de fluido compressível em um desenho simples com apenas 3 vedações. Fornece adicionalmente uma opção de ter um dispositivo de encerramento agindo no pistão 16 ao invés de o tubo de fluxo 32 tornando o desenho mais compacto e possivelmente permitindo um orifício maior na válvula independentemente das classificações de pressão que podem ir acima de 138 mPa (20.000 psi). A compacidade do desenho deixa espaço para um sistema redundante que pode ser desenvolvido seletivamente se o sistema inicial apresentar uma falha de vedação.

A descrição acima é ilustrativa da modalidade preferida e várias alternativas e não pretende consubstanciar o escopo mais amplo da invenção que é determinado a partir das reivindicações em anexo abaixo, e que apresentam adequadamente seu escopo total literalmente e de forma equi15 valente.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema de controle para um mecanismo de operação em uma ferramenta de furo de poço a partir de uma única linha de controle (10) que se estende a partir da superfície, compreendendo:

5 um alojamento de ferramenta possuindo uma passagem (50) e pelo menos uma conexão de linha de controle (12) para comunicação fluida com a única linha de controle (10);

pelo menos um pistão (16) possuindo uma primeira parte (20, 22) em comunicação por fluido com a conexão de linha de controle (12),

10 uma segunda parte (30, 54) em equilíbrio de pressão a partir da exposição para a passagem (50) e caracterizado por uma terceira parte definindo, pelo menos em parte, uma câmara de volume variável (28, 38) isolada da passagem (50) e a partir de uma força hidrostática para desviar a pressão hidrostática na linha de controle e operando em torno da pressão

15 atmosférica.
2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que:

a segunda parte (30, 54) do pistão (16) compreende uma vedação superior (26) e uma vedação inferior (42) entre o pistão (16) e o

20 alojamento de ferramenta que são quase idênticas.
3. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que:

as vedações superior e inferior possuem um lado exposto à passagem (50) e outro lado exposto à câmara de volume variável (28, 38).

25
4. Sistema, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que:

a exposição de uma das vedações à câmara de volume variável (28, 38) se dá através do pistão.
5. Sistema, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado

30 pelo fato de que:

a exposição de uma das vedações à câmara de volume variável (28, 38) se dá através do alojamento de ferramenta.

Petição 870180032168, de 20/04/2018, pág. 6/14
6. Sistema, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que:

o pistão (16) compreende adicionalmente uma vedação de pistão (18), a exposição à câmara de volume variável (28, 38) se dá através

5 de uma passagem (50) que começa entre a vedação de pistão (18) e uma das vedações superior e inferior.
7. Sistema, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que:

a vedação de pistão (18) é montada no pistão (16) e mais perto

10 da vedação superior (26).
8. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que:

a câmara de volume variável (28, 38) compreende adicionalmente, pelo menos em parte, um fluido compressível.

15
9. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que:

a câmara de volume variável (28, 38) compreende adicionalmente um elemento de orientação agindo no pistão.
10. Sistema, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado

20 pelo fato de que:

o elemento de orientação compreende pelo menos uma mola (52).
11. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que:

25 o pistão (16) compreende pelo menos um ombro para apoiar um tubo de fluxo para mover o tubo de fluxo em pelo menos uma direção contra uma força de orientação.
12. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que:

30 a força de orientação se dá no tubo de fluxo.
13. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que:

Petição 870180032168, de 20/04/2018, pág. 7/14 a força de orientação se dá no pistão.
14. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que:

a força de orientação se dá no tubo de fluxo e no pistão.

5 15. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que:

a pelo menos uma conexão de linha de controle (12) compreende apenas uma conexão de linha de controle (12) e o pelo menos um pistão (16) compreende apenas um pistão.

10 16. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que:

o pelo menos um pistão (16) compreende pelo menos dois pistões com pelo menos um seletivamente em comunicação com a conexão de linha de controle (12).
15 17. Sistema, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que:

a comunicação seletiva compreende um elemento passível de quebra em resposta à pressão aplicada.
18. Sistema, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado 20 pelo fato de que compreende adicionalmente:

um filtro para capturar quaisquer pedaços do elemento passível de quebra.
19. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que:

25 o pelo menos um pistão (16) compreende pelo menos dois conjuntos de pistões em comunicação com a conexão de linha de controle (12) para operação em conjunto.
20. Sistema, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que:

30 o fluido compressível está sob pressão suficiente para mover o pistão (16) na direção da conexão de linha de controle (12) quando a pressão na conexão é reduzida para um valor predeterminado.

Petição 870180032168, de 20/04/2018, pág. 8/14
21. Sistema, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que:

a exposição de uma das vedações para a câmara de volume variável (28, 38) se dá através de uma passagem (50) fora do pistão.
22. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que:

o pelo menos um pistão (16) compreende pelo menos dois pistões, a pelo menos uma conexão de linha de controle (12) compreende pelo menos duas conexões de linha de controle (10), com cada pistão (16) em comunicação com uma conexão de linha de controle (12) respectiva.

Petição 870180032168, de 20/04/2018, pág. 9/14

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