PL221548B1 - Układ zaworowy do głowicy odwiertu - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Niniejszy wynalazek odnosi się do układu zaworowego do głowicy odwiertu, zwłaszcza do regulacji przepływu, nazywanego również zespołem przepustnicowym głowicy odwiertu, np. węglowod orów, mającego zintegrowaną zdolność do pomiaru wielkości natężenia przepływu wielofazowego, W dziedzinie wydobycia płynów, w szczególności węglowodorów, takich jak ropa naftowa lub gaz ziemny, znana jest głowica odwiertu, która jest częścią odwiertu na powierzchni i składa się z zespołu zaworów regulacyjnych stosowanych zarówno do kierowania jak i regulacji przepływu płynów z odwiertu lub do odwiertu, jak również zaworów bezpieczeństwa do zapobiegania niekontrolowanemu wyciekowi ropy naftowej lub gazu do środowiska.

Kiedy odwiert jest w stanie, w którym można wydobywać ropę naftową lub gaz, zawory głowicy odwiertu są odpowiednio otwarte i płyny płyną rurociągiem, który transportuje je do stacji zbiorczej lub w innym przypadku na platformę lub statek magazynujący, w przypadku odwiertu podwodnego.

Obecnie na rynku znajdują się zawory lub zespoły zaworowe, które są wykorzystywane w głowicy odwiertu, umożliwiające zarządzanie natężeniem przepływu strumienia węglowodorów.

Jednakże w znanych dotychczas zespołach zaworowych nie przewiduje się pomiaru natężenia przepływu i, w celu przeprowadzenia takiego pomiaru, konieczne jest stosowanie odpowiednich urządzeń pomiarowych natężenia przepływu.

W już istniejących zakładach, urządzenia pomiarowe natężenia przepływu są zazwyczaj dzielone między wiele odwiertów z powodu problemów z obciążeniem mechanicznym lub z tego względu, że mogą one być instalowane tylko po modyfikacji instalacji technicznej rurociągów za głowicą odwiertu.

Alternatywnie, możliwe jest zainstalowanie tymczasowych urządzeń pomiarowych natężenia przepływu, na zewnątrz i równolegle do istniejącego instalacji, umieszczonych za głowicą odwiertu podczas specjalnie organizowanych kampanii pomiarowych.

Takie działanie, poza ogólnie wymaganym specjalnym upoważnieniem, jest czasochłonne i kosztowne. Ze względu na modalność modyfikowania stopnia otwarcia samego zaworu w zależności od regulacji przepływu. W zastosowaniach na lądzie, takie zawory lub zespoły zaworowe są głównie typu ręcznego.

Istnieją zawory lub zespoły zaworowe, które są sterowane zdalnie poprzez odpowiednie siłowniki uruchamiane w zależności od potrzeb produkcyjnych i danych natężenia przepływu, zazwyczaj używane zdalnie tylko w trudno dostępnych miejscach, jak w przypadku głowic odwiertów podwodnych lub w miejscach, w których nie ma personelu.

Ponadto w głowicach odwiertów pożądane jest stosowanie zespołów lub układów zaworowych, które są zdolne do realizacji szybkich zmian swojego stopnia otwarcia, tak żeby można było zrealizować określone testy instalacji, na przykład, powodując nagłe zmiany natężenia przepływu.

Jednakże najbardziej powszechnie stosowane obecnie zespoły zaworowe nie pozwalają na wystarczająco szybkie manewrowanie prędkością w celu przeprowadzenia takich badań, na przykład, realizację manewru otwierania i zamykania w czasie krótszym niż sekunda.

Z drugiej strony, zespoły zaworowe, które są wystarczająco szybkie do wykonania takiego m anewru, mają takie luzy mechaniczne, że nie pozwalają na wystarczająco precyzyjne określenie realizowanej zmiany.

Dlatego regulacja realizowana przez takie zespoły zaworowe nie pozwala na uzyskanie wys okiego poziomu dokładności w celu precyzyjnej regulacji przepływu.

Jeżeli pożądane jest stosowanie znanych obecnie zespołów zaworowych to konieczne jest znalezienie kompromisu pomiędzy wysoką prędkością reakcji zaworu i dobrym poziomem dokładności.

Celem niniejszego wynalazku jest uniknięcie wspomnianych powyżej niedogodności, a zwłaszcza opracowanie układu zaworowego głowicy odwiertu do regulowania przepływu, który umożliwiałby szybkie i dokładne regulowanie natężenia przepływu z odwiertu lub do odwiertu.

Układ zaworowy głowicy odwiertu zawierający hydrauliczny zawór sterujący do otwierania głowicy odwiertu, wykonany z korpusu zaworu zaopatrzonego w rurę do przepływu strumienia płynów, mającego otwór wlotowy i otwór wylotowy, przy czym pomiędzy otworem wlotowym i otworem wylot owym znajduje się regulowana kryza, ponadto układ zawiera siłownik, przystosowany do sterowania hydraulicznym zaworem sterującym w celu jego zamykania i otwierania, przy czym siłownik działa na elementy otwierające i zamykające regulowanej kryzy, a także zawiera czujnik położenia, przystosowany do określania stopnia otwarcia regulowanej kryzy, który to czujnik położenia jest integralny z elementami otwierającymi i zamykającymi regulowanej kryzy, według wynalazku charakteryzuje się

PL 221 548 B1 tym, że układ zaworowy głowicy odwiertu zawiera ponadto wiele, integralnych z korpusem zaworu, czujników parametrów płynu i/lub przepływu, w skład których wchodzą co najmniej czujniki ciśnienia i czujniki temperatury, a ponadto układ zaworowy głowicy odwiertu zawiera co najmniej jeden czujnik do pomiaru stężenia wody w stanie ciekłym, który jest integralny z korpusem zaworu.

Korzystnie, wiele czujników parametrów płynu i/lub przepływu jest umieszczonych zarówno przed jak i za regulowaną kryzą w stosunku do kierunku przepływu F.

Korzystnie, korpus zaworu zawiera pierwszy kołnierz umieszczony na otworze wlotowym i drugi kołnierz umieszczony na otworze wylotowym, przy czym wiele czujników parametrów płynu i/lub przepływu jest przytwierdzonych do kołnierzy.

Korzystnie, wiele czujników parametrów płynu i/lub przepływu zawiera co najmniej czujniki ciśnienia i/lub czujniki temperatury.

Korzystnie, czujniki ciśnienia mają częstotliwość próbkowania większą niż lub równoważną 100 próbek na sekundę, zaś czujniki temperatury mają częstotliwość próbkowania większą niż lub równ oważną jednej próbce na sekundę.

Korzystnie, układ zaworowy głowicy odwiertu zawiera elementy do sterowania hydraulicznym zaworem sterującym, przystosowane do sterowania siłownikiem co najmniej według danych wykrytych przez wiele czujników parametrów płynu i/lub przepływu i danych zmierzonych przez czujnik położenia.

Korzystnie, układ zaworowy głowicy odwiertu zawiera co najmniej jeden czujnik do pomiaru stężenia wody w stanie ciekłym, umieszczony przed i/lub za regulowaną kryzą w stosunku do kierunku przepływu F.

Korzystnie, co najmniej jeden czujnik do pomiaru stężenia wody w stanie ciekłym jest przytwierdzony do kołnierza korpusu zaworu.

Korzystnie, rura do przepływu strumienia płynów jest w kształcie litery L.

Korzystnie, element zatyczkowy jest umieszczony w złączu kolankowym rury w kształcie litery L.

Korzystnie, regulowana kryza jest elementem z tarczami, składającym się z pierwszej nieruchomej tarczy zaopatrzonej w pierwszy otwór i drugiej ruchomej tarczy zaopatrzonej w drugi otwór, przy czym stopień otwarcia regulowanej kryzy z tarczami jest określony przez stopień pokrywania się pierwszego i drugiego otworu.

Korzystnie, druga tarcza jest integralna z trzonem obracanym przez siłownik.

Korzystnie, czujnik położenia jest urządzeniem kodującym.

Zaletą rozwiązania według niniejszego wynalazku jest zapewnienie układu zaworowego głowicy odwiertu, który jest w stanie mierzyć chwilowe natężenie przepływu wielofazowego.

Inna zaletą niniejszego wynalazku jest zapewnienie zespołu zaworowego głowicy odwiertu, który umożliwia szybkie realizowanie otwierania i/lub zamykania przejść przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej dokładności w odniesieniu do własnego chwilowego stopnia otwarcia.

Kolejną, ale nie mniej ważną zaletą niniejszego wynalazku jest wytworzenie układu zaworowego głowicy odwiertu, który może być programowany, co umożliwia działanie całkowicie zautomatyzowane.

Szczególne cechy i zalety układu zaworowego głowicy odwiertu według niniejszego wynalazku zostaną objaśnione w poniższym opisie, w którym układ podany jako przykład, nie ma celu ograniczającego.

Wynalazek w przykładzie wykonania przedstawiono na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przykład wykonania zaworu hydraulicznego stosowanego w układzie zaworowym głowicy odwiertu według niniejszego wynalazku, w widoku perspektywicznym, fig. 2 - układ zaworowy głowicy odwiertu według przykładu wykonania z fig. 1 w przekroju.

Nawiązując do figur, pokazano na nich układ zaworowy 100 głowicy odwiertu. Układ zaworowy 100 głowicy odwiertu zawiera hydrauliczny zawór sterujący 10 przystosowany do otwierania i zamyk ania przez siłownik 24, który z kolei jest uruchamiany ręcznie lub, korzystnie, automatycznie poprzez logiczny układ sterowania zawierający elementy 25, który przetwarza odpowiedni sygnał sterujący na podstawie, między innymi, wartości wykrytych przez czujnik 17 położenia wskazujący stopień otwarcia zaworu sterującego 10. Hydrauliczny zawór sterujący 10 składa się z korpusu 11 zaworu, w którym znajduje się otwór wlotowy 12 i otwór wylotowy 13, przez które, jeżeli zawór 10 jest co najmniej częściowo w stanie otwartym, przepływają płyny, np. węglowodory, w zależności od kierunku przepływu oznaczonego strzałką F na fig. 2.

W otworze wlotowym 12 i otworze wylotowym 13, korpus 11 zaworu zawiera pierwszy i drugi kołnierz 11a i 11 b.

Pomiędzy otworem wlotowym 12 i otworem wylotowym 13 przewidziano regulowaną kryzę 16.

PL 221 548 B1

W pokazanym korzystnym przykładzie wykonania, otwór wlotowy 12 i otwór wylotowy 13 są w płaszczyznach prostopadłych do siebie, odpowiadających końcówkom rury w kształcie litery „L”, tj. składającej się z dwóch części rurowych 14, 15, które są prostopadłe do siebie. Regulowana kryza 16 znajduje się na kolanku rury w kształcie litery „L”.

W celu ustawienia stopnia otwarcia zaworu sterującego 10, siłownik 24 steruje regulowaną kryzą 16 w szczególności działając na środki otwierające i zamykające takiej regulowanej kryzy 16.

W korzystnym sposobie, regulowana kryza 16 jest elementem z tarczami składającymi się z pierwszej nieruchomej tarczy 18, zaopatrzonej w otwór (niepokazany), i drugiej ruchomej tarczy 19 również zaopatrzonej w następny otwór (niepokazany).

Ruchoma tarcza 19 jest integralna z trzonem 20, który jest sterowany obrotowo za pomocą siłownika 24.

W taki sposób również ruchoma tarcza 19 jest sterowana obrotowo tak, aby modyfikowała pokrywająca się część powierzchni otworów w dwóch tarczach 18, 19.

W ten sposób uzyskuje się zmianę stopnia otwarcia zaworu sterującego 10.

Według wynalazku, czujnik 17 położenia, taki jak na przykład urządzenie kodujące, jest zintegrowany ze środkami otwierającymi i zamykającymi regulowanej kryzy 16 tak, żeby wykrywał dokładny stopień otwarcia wspomnianej regulowanej kryzy 16, a tym samym zaworu sterującego 10.

W przedstawionym przykładzie wykonania, czujnik 17 położenia jest integralny z trzonem 20 r uchomej tarczy 19, a tym samym wykrywa dokładne położenie zespołu złożonego z ruchomej tarczy 19 i trzonu 20, a tym samym dokładne położenie względne pomiędzy otworami dwóch tarcz 18, 19, ni eruchomej i ruchomej.

Na podstawie względnego położenia pomiędzy otworami w dwóch tarczach 18, 19 możliwe jest dokładne obliczenie pokrywającej się części odpowiednich otworów. W taki sposób, na regulację położenia zespołu tarcza 19-trzon 20 nie mają zupełnie wpływu ewentualne mechaniczne luzy, które mogłyby wpływać na siłownik 24, ponieważ na regulację samego siłownika 24 nie wpływają takie mechaniczne luzy.

Układ zaworowy 100 głowicy odwiertu według niniejszego wynalazku może zatem szybko zmieniać stan bez wpływu na dokładność stopnia otwarcia samego zaworu sterującego 10. Ponadto, dzięki dokładnym pomiarom wykonywanym przez czujnik 17 położenia, logiczny układ sterowania 26 jest w stanie dokładnie i natychmiast określać wartości jednofazowego i/lub dwufazowego natężenia przepływu, zaczynając od danych mierzonych przez wiele czujników 22, 23 parametrów płynu i/lub przepływu, w skład których wchodzą co najmniej czujniki 22 ciśnienia i czujniki 23 temperatury. W taki sposób, jak również na podstawie zapotrzebowania produkcyjnego, można w bardzo dokładnym sto pniu regulować otwieranie i zamykanie hydraulicznego zaworu sterującego 10 na podstawie obliczonych wartości natężenia przepływu.

Korzystnie, stosuje się czujniki 22 ciśnienia, które pracują na częstotliwości próbkowania większej niż lub równej 100 próbek na sekundę, i czujniki 23 temperatury, które działają przy częstotliwości próbkowania, która jest większa niż lub równa jednej próbce na sekundę. Umożliwia to wierne wykrywanie i rejestrowanie efektu szybkiej zmiany stopnia otwarcia regulowanej kryzy 16. W korzystnym sposobie, czujniki 22, 23 parametrów płynu i/lub przepływu stanowią integralną część korpusu 11 zaworu hydraulicznego zaworu sterującego 10 i są umieszczone zarówno przed, jak i za regulowaną kryzą 16 w stosunku do kierunku przepływu F.

W szczególności, takie czujniki 22, 23 parametrów płynu i przepływu są przytwierdzone do pierwszego i drugiego kołnierza 11a, 11b korpusu 11 zaworu.

W taki sposób, pomiary ciśnienia, temperatury i stopnia otwarcia zaworu, jak również wynikające z tego obliczone wartości natężenia jednofazowego i/lub dwufazowego przepływu gaz/ciecz, są znane z absolutną równoczesnością, co eliminuje różnice czasowe występujące pomiędzy tymi dan ymi w konwencjonalnych układach pomiarowych i sterowania w odwiertach.

Ponadto zdolność układu zaworowego głowicy odwiertu do uzyskania natężenia jednofazowego i/łub dwufazowego przepływu gaz/ciecz umożliwia zaopatrzenie każdego odwiertu w pełny zespół pomiarowy, unikając w ten sposób konieczności instalowania dodatkowej aparatury w odpowiednich miejscach rurociągu. Ponownie, ponieważ zawór głowicy odwiertu jest elementem wymiennym, niewymagającym stosowania stałych modyfikacji instalacji na powierzchni, układ zaworowy według niniejszego wynalazku umożliwia również wyposażenie nawet już wcześniej istniejących instalacji w stałe możliwości pomiarowe parametrów płynu i/lub przepływu, tam gdzie nie były one pierwotnie przewidywane.

PL 221 548 B1

Korzystnie, układ zaworowy 100 głowicy odwiertu zawiera dodatkowo czujniki 21 do pomiaru stężenia wody w stanie ciekłym, zwane także czujnikami odcinającymi wodę, integralne z korpusem 11 zaworu, umieszczone przed i/lub za regulowaną kryzą 16 w stosunku do kierunku przepływu F.

W taki sposób, zespół zaworowy 100 głowicy odwiertu jest też zdolny do określenia ilości wody w płynie węglowodorowym, która przepływa przez zawór sterujący 10, a tym samym może on również wykryć natężenie przepływu trójdrogowego, to jest natężenia przepływu pojedynczych odrębnych faz płynu (na przykład pary/węglowodoru/wody).

I znowu, zastosowanie logicznego zespołu sterującego 25 w układzie zaworowym 100 według niniejszego wynalazku umożliwia zaprogramowanie działania tego układu zaworowego 100, podobnie jak na przykład programowanie operacji automatycznego czyszczenia regulowanej kryzy.

Takie działanie może być powtarzane w z góry ustalonych odstępach czasu lub w przypadku wystąpienia nienormalnych zmian natężenia przepływu, które układ zaworowy 100 głowicy odwiertu według niniejszego wynalazku jest w stanie wykryć, takich jak, na przykład nagły wzrost natężenia przepływu powyżej regulowanej kryzy 16.

Zatem na podstawie przedstawionego opisu powinny być już jasne cechy, jak również względne korzyści układu zaworowego będącego przedmiotem niniejszego wynalazku.

Na końcu jasne jest, że tak rozumiany układ zaworowy może podlegać wielu modyfikacjom i zmianom, z których wszystkie objęte są wynalazkiem. Ponadto wszystkie szczegółowo opisane elementy konstrukcyjne mogą być zastąpione przez elementy technicznie równoważne. W praktyce, zastosowane materiały, jak również wymiary, mogą być dowolne, w zależności od wymagań technicznych.

Claims (13)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Układ zaworowy głowicy odwiertu zawierający hydrauliczny zawór sterujący do otwierania głowicy odwiertu, wykonany z korpusu zaworu zaopatrzonego w rurę do przepływu strumienia płynów, mającego otwór wlotowy i otwór wylotowy, przy czym pomiędzy otworem wlotowym i otworem wylotowym znajduje się regulowana kryza, ponadto układ zawiera siłownik, przystosowany do sterowania hydraulicznym zaworem sterującym w celu jego zamykania i otwierania, przy czym siłownik działa na elementy otwierające i zamykające regulowanej kryzy, a także zawiera czujnik położenia, przystosowany do określania stopnia otwarcia regulowanej kryzy, który to czujnik położenia jest integralny z elementami otwierającymi i zamykającymi regulowanej kryzy, znamienny tym, że układ zaworowy (100) głowicy odwiertu' zawiera ponadto wiele, integralnych z korpusem (11) zaworu, czujników (22, 23) parametrów płynu i/lub przepływu, w skład których wchodzą co najmniej czujniki (22) ciśnienia i czujniki (23) temperatury, a ponadto układ zaworowy (100) głowicy odwiertu zawiera co najmniej jeden czujnik (21) do pomiaru stężenia wody w stanie ciekłym, który jest integralny z korpusem (11) zaworu.
2. 2. Układ zaworowy według zastrz. 1, znamienny tym, że wiele czujników (22, 23) parametrów płynu i/lub przepływu jest umieszczonych zarówno przed jak i za regulowaną kryzą (16) w stosunku do kierunku przepływu (F).
3. 3. Układ zaworowy według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że korpus (11) zaworu zawiera pierwszy kołnierz (11a) umieszczony na otworze wlotowym (12) i drugi kołnierz (11b) umieszczony na otworze wylotowym (13), przy czym wiele czujników (22, 23) parametrów płynu i/lub przepływu jest przytwierdzonych do kołnierzy (11a, 11b).
4. 4. Układ zaworowy według jednego z zastrz. 1-3, znamienny tym, że wiele czujników (22, 23) parametrów płynu i/lub przepływu zawiera co najmniej czujniki (22) ciśnienia i/lub czujniki (23) temperatury.
5. 5. Układ zaworowy według zastrz. 4, znamienny tym, że czujniki (22) ciśnienia mają częstotliwość próbkowania większą niż lub równoważną 100 próbek na sekundę, zaś czujniki (23) temperatury mają częstotliwość próbkowania większą niż lub równoważną jednej próbce na sekundę.
6. 6. Układ zaworowy według jednego z zastrz. 1-5, znamienny tym, że zawiera elementy (25) do sterowania hydraulicznym zaworem sterującym (10), przystosowane do sterowania siłownikiem (24) co najmniej według danych wykrytych przez wiele czujników (22, 23) parametrów płynu i/lub przepływu i danych zmierzonych przez czujnik (17) położenia.
7. 7. Układ zaworowy według jednego z zastrz. 1-2, znamienny tym, że zawiera co najmniej jeden czujnik (21) do pomiaru stężenia wody w stanie ciekłym, umieszczony przed i/lub za regulowaną kryzą (16) w stosunku do kierunku przepływu (F).

   PL 221 548 B1
8. 8. Układ zaworowy według zastrz. 7, znamienny tym, że co najmniej jeden czujnik (21) do pomiaru stężenia wody w stanie ciekłym jest przytwierdzony do kołnierza (11a, 11b) korpusu (11) zaworu.
9. 9. Układ zaworowy według zastrz. 1, znamienny tym, że rura (14, 15) do przepływu strumienia płynów jest w kształcie litery L.
10. 10. Układ zaworowy według zastrz. 9, znamienny tym, że element zatyczkowy jest umieszczony w złączu kolankowym rury (14, 15) w kształcie litery L.
11. 11. Układ zaworowy według jednego z zastrz. 1-7, znamienny tym, że regulowana kryza (16) jest elementem z tarczami, składającym się z pierwszej nieruchomej tarczy (18) zaopatrzonej w pierwszy otwór i drugiej ruchomej tarczy (19) zaopatrzonej w drugi otwór, przy czym stopień otwarcia regulowanej kryzy (16) z tarczami jest określony przez stopień pokrywania się pierwszego i drugiego otworu.
12. 12. Układ zaworowy według zastrz. 11, znamienny tym, że druga tarcza (19) jest integralna z trzonem (20) obracanym przez siłownik (24).
13. 13. Układ zaworowy według zastrz. 1, znamienny tym, że czujnik (17) położenia jest urządzeniem kodującym.