BRPI0906707B1

BRPI0906707B1 - sistema de controle para operar uma ferramenta de fundo de poço

Info

Publication number: BRPI0906707B1
Application number: BRPI0906707A
Authority: BR
Inventors: Casciaro Dario; Gary, (Ben) B Lake; Rosenblatt Steve
Original assignee: Baker Hughes Inc
Priority date: 2008-01-24
Filing date: 2009-01-17
Publication date: 2019-02-05
Also published as: GB2485315C; GB201010809D0; BRPI0906707A2; US7743833B2; WO2009094308A3; GB201202484D0; GB2468984B; NO344691B1; NO20101021A1; US20090188662A1; WO2009094309A2; GB2485315A; GB2468984A; WO2009094308A2; GB2485315B; WO2009094309A3; AU2009206610A1; AU2009206610C1

Description

SISTEMA DE CONTROLE PARA OPERAR UMA FERRAMENTA DE FUNDO DE

POÇO

Campo da Invenção

O campo dessa invenção é o de sistemas de controle para operar válvulas de segurança de subsuperfície e mais particularmente o de sistemas de controle com um pistão em equilíbrio de pressão para o espaço anular adjacente.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

As válvulas de segurança de subsuperfície são operadas a partir da superfície, normalmente através de linhas de controle que se estendem fora da tubulação de produção. Essas válvulas são tipicamente do tipo chapeleta onde um sistema de controle, quando pressurizado a partir da superfície, supera uma mola de fechamento em um tubo de fluxo para empurrar a chapeleta em 90 graus para a posição aberta atrás do tubo de fluxo de deslocamento. A remoção da pressão a partir do sistema de controle permite que a mola de fechamento que anteriormente foi mantida em uma posição comprimida então empurre o tubo de fluxo para longe da chapeleta de modo que uma mola de torção pode induzir a mesma de volta contra a sua sede para impedir que o fluxo a partir da formação suba pela coluna de produção.

Esses sistemas têm que lidar com os problemas tais como falha em um modo de segurança se falhar uma ou mais vedações no sistema de controle. Eles também têm que lidar com a compensação da pressão hidrostática na linha de controle. Sistemas com uma única linha de controle para a válvula de segurança de subsuperfície têm, tipicamente, uma câmara pressurizada na válvula pré-regulada com pressão suficiente para a profundidade esperada da válvula para

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2/9 compensar a pressão hidrostática da linha de controle de modo que na remoção da pressão da linha de controle aplicada a partir da superfície, a mola de fechamento que atua sobre o tubo de fluxo não tem que superar a pressão hidrostática a partir da linha de controle. Um sistema de uma só linha de controle que trata dos modos de falha à prova de falha das várias vedações é USP 6.109.351. Alternativamente uma mola de fechamento é provida que é suficientemente forte para superar a pressão hidrostática da linha de controle particularmente em poços mais rasos. Outros sistemas simplesmente cancelam a pressão hidrostática da linha de controle com uma linha de equilíbrio a partir do lado oposto de um pistão de operação diferente da linha de controle principal. Um exemplo de tais sistemas é USP 6.173.785. Alguns sistemas de duas linhas também incorporam câmaras pressurizadas tal como USP 6.427.778 .

Alguns desses modelos empregam uma passagem através do pistão com a finalidade de obter um modo de fechamento à prova de falhas se uma ou mais das vedações do sistema tiver um mau funcionamento ou se uma linha de controle for cisalhada. Os sistemas anteriores tipicamente separavam a pressão da tubulação a partir da pressão da linha de controle e não faziam referência ao espaço anular adjacente. Tipicamente o pistão de operação no sistema de controle tinha que ter uma conexão mecânica com o tubo de fluxo para mover o tubo de fluxo para abrir a válvula. Essa conexão mecânica era exposta à pressão da tubulação e o pistão de operação apresentava um par de vedações em um alojamento de modo que uma porção do pistão de operação na

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3/9 região que é conectada ao tubo de fluxo era exposta à pressão da tubulação, mas permanecia em equilíbrio de pressão a partir da pressão de tubulação.

A presente invenção trata de abordagens alternativas aos modelos anteriores que se referiam ao espaço anular adjacente. Algumas modalidades operam diferentemente de outras durante os modos de falha e isso será explicado em detalhe quando as diversas modalidades forem descritas em detalhe. Aqueles versados na técnica considerarão os vários aspectos da invenção a partir da descrição da modalidade preferida e desenhos associados que aparecerão abaixo com entendimento de que o escopo completo da invenção é medido pelas reivindicações anexas.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Um sistema de controle para uma válvula de segurança de subsuperfície faz referência ao espaço anular adjacente para colocar o pistão de operação em equilíbrio de pressão. Dependendo da configuração e de qual vedação apresenta falha no sistema, as várias modalidades podem diferir em seus modos de falha. Com a extremidade inferior do pistão exposta à pressão do espaço anular todos os modos de falha fecham a chapeleta. Com a extremidade inferior do pistão exposta à pressão da tubulação, a falha de qualquer uma das vedações exceto uma, resultará em fechamento da chapeleta.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A Figura 1 é uma vista esquemática do sistema de controle de linha única com uma pressão de pistão equilibrada para o espaço anular;

A Figura 2 é uma modalidade alternativa à Figura 1 e tendo ainda um pistão de pressão equilibrada para o espaço

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4/9 anular; e

A Figura 3 é uma alternativa à modalidade da Figura 2 e tendo um pistão em equilíbrio de pressão para o espaço anular; e

A Figura 4 é uma variação da Figura 1 mostrando um pistão anular mais propriamente do que um pistão de haste com uma linha de controle de equilíbrio para a superfície.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA MODALIDADE PREFERIDA

A Figura 1 é uma representação esquemática de uma válvula de segurança de subsuperfície que será considerada por aqueles versados na técnica considerarão, ilustrando as várias modalidades da presente invenção. Tipicamente, uma chapeleta 10 é montada em um pivô 12 que pode combinar uma mola de torção (não mostrada) para empurrar a chapeleta 10 contra a sede 14. A chapeleta 10 é empurrada para girar em 90 graus e segue até atrás de um tubo de fluxo de avanço 16 que é forçado a se deslocar contra a propensão de retorno a partir da mola de fechamento 18. A passagem 20 passa por um alojamento que é parcialmente mostrado como 22. Uma coluna a partir da superfície representada pela seta 24 está em comunicação de fluxo com a passagem 20 no alojamento 22 de uma maneira conhecida. Similarmente a seta 26 representa a continuação de uma coluna de tubulação até a zona de produção mais abaixo no poço.

Uma linha de controle única 28 se conecta ao alojamento 22 dentro da câmara 30 acima do pistão de operação 32. A câmara 34 está no outro lado do pistão 32 a partir da câmara 30 e se comunica com o espaço anular adjacente em torno do alojamento 22 através da passagem 36.

O pistão 32 preferivelmente é um pistão de haste com

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5/9 vedações 40, uma vedação inferior, e vedação 42, uma vedação superior. Há uma passagem direta 44 que vai da extremidade inferior 46 até a extremidade superior 48 do pistão 32. Acima da extremidade superior 48 existe uma 5 câmara 50 no alojamento 22 que obtém pressão de tubulação comunicada a ela através da passagem 44 a partir da entrada 52. A ligação 53 conecta o pistão 52 com o tubo de fluxo 16 .

Em operação, a pressão aplicada a partir da linha de controle 28 aumenta a pressão na câmara 30 até o ponto em que a mola 18 é comprimida e a chapeleta 10 é aberta. A remoção da pressão a partir da linha de controle 28 permite que a mola 18 supere a diferença líquida entre a pressão hidrostática na linha 28 e a pressão no espaço anular 15 adjacente. A mola 18 é dimensionada para superar a pressão líquida no pistão 32 entre a pressão hidrostática da linha de controle e a pressão do espaço anular sem considerar a fricção de vedação nas vedações 40 e 42 quando o pistão 32 se desloca. O pistão 32 é acoplado mecanicamente ao tubo de 20 fluxo 16 abaixo da vedação 40 que é exposta à pressão de tubulação em um lado e pressão do espaço anular no outro lado. A vedação 39, a vedação de pistão, separa as câmaras 30 e 34. A vedação 42 está em um lado da vedação de pistão 39 e vedação 40 está no lado oposto da vedação 39 a partir 25 da vedação 40. Na maioria dos casos uma força de fechamento líquida atua sobre o pistão 32 a partir da pressão da tubulação empurrando para cima na vedação 40 e a pressão de espaço anular empurrando para baixo na vedação 42.

Se a vedação 40 falhar, a pressão na tubulação se 30 comunicará com o espaço anular adjacente e pressurizará a

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6/9 câmara 34 forçando o pistão 32 para cima e a chapeleta 10 será fechada. Se a vedação 39 falhar em qualquer modalidade ilustrada, não pode haver um diferencial de pressão através do pistão 32 a partir da linha de controle 28 e a mola de fechamento 18 fará com que

Contudo, se a vedação 42 tubulação entrará na câmara feche a chapeleta 10 uma dimensionada para superar a tubo de fluxo 16 está em a chapeleta 10 seja fechada. falhar então a pressão da e impedirá que a mola 18 vez que a mola 18 não é pressão da tubulação porque o equilíbrio de pressão com a pressão da tubulação. Portanto, nessa modalidade, falha da vedação 48 faz com que a válvula permaneça aberta.

A Figura 2 é um modelo modificado da Figura 1. A diferença é que uma segunda vedação inferior 38 é acrescentada e a extremidade inferior 46' do pistão 32' está agora exposta à pressão do espaço anular mais propriamente do que à pressão de tubulação. A pressão do espaço anular também segue através da entrada 52' para a câmara 50'. O pistão 32' está em equilíbrio de pressão a partir da pressão do espaço anular atuando ascendentemente na vedação inferior 38 e descendentemente na vedação superior 42' através da câmara 50'. O pistão 32' também está em equilíbrio de pressão a partir da pressão de tubulação empurrando para cima na vedação 40' e para baixo na vedação 38 porque essas vedações enquadram a ligação 53' que conecta o pistão 32' ao tubo de fluxo 16'.

Se a vedação 40' falhar a pressão da tubulação entra na câmara 34' e no espaço anular através da passagem 36' empurrando para cima o pistão 32' e a chapeleta 10' fechará. Se a vedação 38 falhar a pressão da tubulação

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7/9 vazará para dentro do espaço anular e entrará na câmara 34' e outra vez a chapeleta 10' fechará. Se a vedação 42' quebrar a pressão na linha de controle 28' passará para o espaço anular através da câmara 50' e da passagem 44' e a mola de fechamento 18' será capaz de fechar a chapeleta 10'. O modelo da Figura 2 falha fechado se qualquer vedação 38, 40' e 42' falhar.

A Figura 3 é virtualmente idêntica à Figura 2 com a diferença sendo que o pistão 32'' é sólido e a passagem 10 através dele foi eliminada. Contudo, uma conexão 60 para o espaço anular Figura adicionada à câmara 50'' de modo que o topo 48'' do pistão 32'' está outra vez em comunicação com o espaço anular apesar de não haver passagem através do pistão 32''. A entrada 52'' expõe a extremidade inferior 15 46'' do pistão 32'' à pressão do espaço anular presente na câmara 62. Em todos os outros aspectos, o modelo da Figura 3 funciona e falha da mesma forma como o modelo da Figura

2.

A Figura 4 é similar à Figura 1 exceto que o pistão tem um formato anular mais propriamente do que um formato de haste conforme ilustrado na Figura 1 e é equilibrado em pressão com uma linha de equilíbrio que se estende até a superfície. O tubo de fluxo 100 tem um pistão 102 integrado a ele com uma vedação 104 para separar os compartimentos

106 e 108. A pressão de tubulação está na passagem 110.

Movimento descendente do tubo de fluxo 100 gira a chapeleta 112 e comprime a mola 114. O compartimento 106 é conectado a uma primeira linha de controle representado esquematicamente pela seta 116 e o compartimento 108 é conectado à outra linha de controle que se estende de volta

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8/9 até a superfície e é representado esquematicamente pela seta 118. As vedações 120 e 122 são preferivelmente do mesmo tamanho de modo que o pistão 102 está em equilíbrio de pressão a partir da pressão hidrostática igual nas 5 linhas 116 e 118 quando nenhuma pressão estiver sendo aplicada a qualquer uma das linhas a partir da superfície.

As vedações 120 e 122 têm pressão de tubulação na passagem 110 atuando em um lado e pressão de linha de controle 116 atuando no outro lado da vedação 120 e a pressão da linha 10 de equilíbrio 118 atuando no outro lado da vedação 122.

Em operação, a chapeleta 112 é aberta com pressão aplicada na linha 116 que comprime a mola 114 e leva para baixo o tubo de fluxo 100 contra a chapeleta 112. A remoção da pressão na linha 116 permite que a mola 114 levante o 15 tubo de fluxo 100 de modo que a chapeleta 114 é fechada.

Como há um equilíbrio das forças hidrostáticas sobre o pistão a mola 114 não tem que ser dimensionada para fazer oposição a qualquer força hidrostática atuando sobre o pistão 102 uma vez que não há tal força atuando sobre ele 20 nessa modalidade.

Se a vedação 104 romper então a chapeleta 112 fechará sob a força da mola 114. Falha da vedação 122 permitirá a pressão da tubulação a partir da passagem 110 para dentro da câmara 108 forçando o tubo de fluxo 100 para cima e a 25 chapeleta 112 fechará. Falha da vedação 120 enviará a pressão da tubulação a partir da passagem 110 para a câmara 106 e provavelmente subjugará a mola 114 para manter a chapeleta 112 aberta a menos que pressão seja aplicada à linha de controle 118.

Aqueles versados na técnica considerarão que diversos

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9/9 sistemas de controle são revelados os quais utilizam uma única linha de controle e um pistão de pressão equilibrada com relação ao espaço anular. Os modelos que são fechados à prova de falha também são de pressão equilibrada para a pressão de tubulação. O equilíbrio de pressão para o espaço anular pode ocorrer em extremidades opostas com furo através do pistão ou com exposição separada das extremidades opostas do pistão à pressão do espaço anular. Na modalidade preferida o pistão pode ser um ou mais pistões de haste, mas outros formatos de pistão são considerados. Câmaras pressurizadas ou compensadores para pressão hidrostática de linha de controle não são necessários. A pressão do espaço anular é usada para ao menos em parte compensar a pressão hidrostática da linha de controle e a mola de fechamento 18 é dimensionada para superar a força líquida sobre o pistão a partir da diferença líquida em pressão atuando sobre o mesmo a partir da linha de controle tentando empurrar o mesmo para baixo e a pressão do espaço anular tentando empurrar o mesmo de volta para cima.

A descrição acima é ilustrativa da modalidade preferida e muitas modificações podem ser feitas por aqueles versados na técnica sem se afastar da invenção cujo escopo deve ser determinado a partir do escopo literal e equivalente das reivindicações abaixo.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema de controle para operar uma ferramenta de fundo de poço a partir da superfície compreendendo:

um alojamento (22) de ferramenta que tem um elemento móvel (16) em uma passagem (20) conectado a um pistão (32) e uma conexão de linha de controle (28) no alojamento (22) para permitir que a pressão fornecida a uma primeira câmara (30) definida pelo pistão para movimento em tandem do pistão (32) e elemento móvel (16) contra uma força de propensão, o movimento do pistão reduzindo o volume de uma segunda câmara (34) no alojamento (22) que está em comunicação com a pressão no fundo do poço em um espaço anular em torno do alojamento (22), o sistema caracterizado pelo fato de que:

a vedação de pistão (39) é exposta à conexão de linha de controle (28) em um lado e a pressão de espaço anular adjacente ao alojamento (22) em seu lado oposto;

a vedação inferior (40) é exposta à pressão do espaço anular no lado oposto a partir do qual ela é exposta à pressão de passagem (36);

a vedação superior (42) é exposta à conexão de linha de controle (28) em um lado e pressão de espaço anular no lado oposto a partir do qual ela é exposta à conexão de linha de controle (28);

a pressão do espaço anular é comunicada à vedação superior (42) através de uma passagem (44) através do pistão (32);

a pressão do espaço anular é comunicada diretamente através do alojamento à vedação superior (42); e a falha da vedação de pistão (39) ou da vedação inferior (40) faz com que a chapeleta (10) seja fechada.

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

as extremidades opostas (46, 48) do pistão (32) se comunicam com a pressão na passagem (20) no alojamento (22).
3. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que:

as extremidades opostas (46, 48) do pistão (32) se comunicam com a pressão no fundo do poço em um espaço anular em torno do alojamento (22).
4. Sistema, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que:

as extremidades opostas do pistão (46, 48) se comunicam com a pressão no fundo do poço em um espaço anular em torno do alojamento (22) através de conexões discretas (36) de espaço anular no alojamento.
5. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que:

o membro móvel (16) compreende um tubo de fluxo móvel contra uma mola (18) de fechamento para virar uma chapeleta (10) para uma posição aberta para fluxo através de uma passagem através do alojamento;

o pistão (28) é ligado ao tubo de fluxo de uma maneira onde a ligação, e uma porção do pistão adjacente a ela, são expostas à pressão na passagem (20).
6. Sistema, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que:

o pistão (28) compreende uma pluralidade de vedações (39, 40, 42) espaçadas onde a falha de todas, exceto de uma das vedações permite que a mola (18) de fechamento desloque o tubo de fluxo (16) para deixar a chapeleta (10) seguir

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3/5 para uma posição fechada.
7. Sistema, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que:

o pistão (28) compreende uma vedação (39, 40, 42) de pistão, uma vedação superior (42) em um lado da vedação (39) de pistão e uma vedação inferior (40) no lado oposto da vedação de pistão a partir da vedação superior (42);

a vedação inferior (40) é exposta à pressão na passagem (36).
8. Sistema, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por compreender:

uma única linha de controle (29) conectada à conexão de linha de controle para comunicar pressão de superfície para abrir a chapeleta (10) e, a partir da remoção da pressão aplicada na linha de controle, a mola de fechamento (18) desloca o tubo de fluxo para deixar a chapeleta (10) fechar.
9. Sistema, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que:

o pistão (22) compreende várias vedações espaçadas (39, 40, 42) onde a falha de todas as vedações permite que a mola de fechamento (18) desloque o tubo de fluxo (16) para deixar a chapeleta (10) seguir para uma posição fechada.
10. Sistema, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que:

o pistão compreende uma vedação de pistão (39'), uma vedação superior (42') em um lado da vedação de pistão e uma primeira (40') e segunda (38) vedação inferior no lado oposto da vedação de pistão (32') a partir da vedação superior (42') com a primeira vedação inferior (40') disposta em um lado oposto da ligação a partir da segunda vedação inferior (38);

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4/5 ambas as vedações inferiores (38, 40') são expostas à pressão na passagem em seus lados respectivos mais próximos da ligação.
11. Sistema, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que:

a primeira e a segunda vedação inferior (38, 40') são expostas à pressão do espaço anular no lado oposto aonde elas são expostas à pressão na passagem (36') .
12. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que:

o pistão (32') compreende uma vedação de pistão (39'), uma vedação superior (42') em um lado da vedação de pistão e uma vedação inferior (40') no lado oposto da vedação de pistão a partir da vedação superior;

a vedação superior (42') é exposta à conexão de linha de controle (28') em um lado e à pressão de espaço anular no outro lado oposto ao qual ela é exposta à conexão de linha de controle.

13. Sistema, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que: a pressão no espaço anular é comunicada à vedação superior (42') através de uma passagem (44') através do pistão (32'). 14. Sistema, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que: a pressão no espaço anular é comunicada diretamente

através do alojamento à vedação superior (42').
15. Sistema, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que:

uma única linha de controle (28') conectada à conexão

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5/5 de linha de controle (28') para comunicar pressão de superfície para abrir a chapeleta (10') e, a partir da remoção da pressão aplicada na linha de controle, a mola de fechamento (18') desloca o tubo de fluxo para deixar a chapeleta (10') fechar.
16. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que:

a pressão na passagem (36) é comunicada às extremidades opostas (46, 48) do pistão (32) através de uma passagem (44) no pistão (32).
17. Sistema, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que:

a pressão no fundo de poço em um espaço anular envolvendo o pistão (32) é comunicada às extremidades opostas (46, 48) do pistão através de uma passagem no pistão (44).

18. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o pistão (102) possui um formato anular. 19. Sistema, de acordo com a reivindicação 18,

caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma segunda conexão de linha de controle (118);

em que o membro móvel está em equilíbrio de pressão com a pressão em uma passagem (110) através do alojamento.