NO317379B1

NO317379B1 - Device for damper for hydraulic system

Info

Publication number: NO317379B1
Application number: NO20005092A
Authority: NO
Inventors: Age Kyllingstad
Original assignee: Nat Oilwell Norway As
Priority date: 2000-10-09
Filing date: 2000-10-09
Publication date: 2004-10-18
Also published as: AU2002222816A1; NO20005092L; NO20005092D0; WO2002040911A1

Description

ANORDNING VED DEMPER FOR HYDRAULISKE ANLEGG DEVICE FOR DAMPERS FOR HYDRAULIC SYSTEMS

Oppfinnelsen angår anordning for å dempe volumstrømsvingning-er i hydrauliske anlegg, særlig anlegg som forsyner borevæske til nedihullsutstyr i en oljebrønn. The invention relates to a device for dampening volume flow fluctuations in hydraulic systems, in particular systems that supply drilling fluid to downhole equipment in an oil well.

Pumper, motorer og annet utstyr som er tilknyttet hydrauliske anlegg fører til trykkvariasjoner i den hydrauliske væske og trykkvariasjoner merkes i tillegg som vibrasjoner og akustisk støy. Dette er særlig merkbart i anlegg hvor det inngår store stempelmaskiner, eksempelvis nevnte type anlegg for borevæske, idet det slike steder anvendes store stempelpumper. Selv hvor det anvendes såkalte triplekspumper hvor tre veivdrevne stempel arbeider faseforskjøvet for å oppnå jevn væskestrøm, oppstår det betydelige variasjoner i væskestrømmen. Pumps, motors and other equipment connected to hydraulic systems lead to pressure variations in the hydraulic fluid and pressure variations are also felt as vibrations and acoustic noise. This is particularly noticeable in installations where large piston machines are included, for example the mentioned type of installation for drilling fluid, as large piston pumps are used in such places. Even where so-called triplex pumps are used, where three crank-driven pistons work out of phase to achieve a uniform liquid flow, significant variations in the liquid flow occur.

Det er flere komponenter som samlet bidrar til variasjoner i volumstrøm og trykk. En hovedkomponent skyldes at veivdrevne stempel gir et sinusformet forløp. Selv med flere stempel som arbeider faseforskjøvet, oppnås ikke jevn volumstrøm fra en stempelpumpe. En annen komponent skyldes at væske til en viss grad er kompressibel. Andre komponenter skyldes at ventiler, tetninger og annet ikke er perfekte. There are several components that collectively contribute to variations in volume flow and pressure. A main component is due to the fact that the crank-driven piston produces a sinusoidal course. Even with several pistons working out of phase, a uniform volume flow is not achieved from a piston pump. Another component is due to the fact that liquid is compressible to some extent. Other components are due to the fact that valves, seals and other things are not perfect.

Det er kjent å anvende en delvis gassfylt trykkakkumulator for å dempe trykksvingninger som følge av stempelpumpene i slike anlegg. En ulempe med den kjente løsning er at det ikke oppnås en tilfredsstillende utjevning/glatting av volumstrøm-men, og heller ikke en tilfredsstillende reduksjon av vibrasjoner og støy, selv om det anvendes forholdsvis stort akku-mulatorvolum. Store akkumulatorer er dessuten plasskrevende og kostbare. It is known to use a partially gas-filled pressure accumulator to dampen pressure fluctuations resulting from the piston pumps in such facilities. A disadvantage of the known solution is that a satisfactory equalization/smoothing of volume flow is not achieved, nor is a satisfactory reduction of vibrations and noise, even if a relatively large accumulator volume is used. Large accumulators also take up space and are expensive.

En annen ulempe følger av at de aktuelle akkumulatorer demper alle trykksvingninger, også de som ikke er pumpegenerert. Dette medfører vansker med å oppfange og dekode informasjons-bærende trykkpulser fra nedihullsutstyr som er innrettet til å kommunisere med overflateutstyr ved hjelp av slampulstele-metri. Another disadvantage results from the fact that the accumulators in question dampen all pressure fluctuations, including those that are not generated by the pump. This causes difficulties in capturing and decoding information-carrying pressure pulses from downhole equipment which is designed to communicate with surface equipment by means of mud pulse telemetry.

Dokumentene US Re 24390 og DE 19608582 omhandler utgjevnings-anordninger for pulsdemping hvor det i et rør mellom et fluidstrømningsrør og en akkumulator er anordnet et stempel. Anordningene er ikke tilrettelagt for at stemplets forskyving i røret kan styres eller påvirkes utenfra. The documents US Re 24390 and DE 19608582 deal with equalizing devices for pulse damping where a piston is arranged in a tube between a fluid flow tube and an accumulator. The devices are not designed so that the displacement of the piston in the tube can be controlled or influenced from the outside.

US dokument 5353840 beskriver en demper hvor det er anordnet en membran eller et stempel mellom fluidstrømningsrøret og en akkumulatorgass. Membranen, alternativt stemplet, er dessuten innrettet til å stenge utløpet mellom demperen og fluidstrøm-ningsrøret når membranen eller stemplet når sin endestilling. US document 5353840 describes a damper where a membrane or a piston is arranged between the fluid flow pipe and an accumulator gas. The membrane, alternatively the piston, is also arranged to close the outlet between the damper and the fluid flow pipe when the membrane or the piston reaches its end position.

Formålet med oppfinnelsen er å fremskaffe en anordning som The purpose of the invention is to provide a device which

mer spesifikt demper uønskede trykksvingninger uten samtidig å dempe mer høyfrekvente lavenergisvingninger som anvendes til signalering. more specifically, dampens unwanted pressure fluctuations without at the same time dampening more high-frequency, low-energy oscillations used for signaling.

Formålet oppnås ved de trekk som er angitt i følgende beskri-velse og etterfølgende patentkrav. The purpose is achieved by the features indicated in the following description and subsequent patent claims.

Ifølge oppfinnelsen anbringes en pumpe mellom en relativt liten trykkakkumulator i det hydrauliske anlegg, hvor pumpen er innrettet til å kunne pumpe væske i begge retninger og til å arbeide i takt med og i motfase med de volumstrømsvariasjo-ner som skal dempes. Ved en reduksjon i volumstrømmen fra stempelpumpen, drives væske fra akkumulatoren til det hydrauliske anlegg for å kompensere for denne reduksjonen. Ved en økning av volumstrømmen drives væske tilbake til akkumulatoren. Væskestrømmen til og fra akkumulatoren følger et lignen-de mønster som det den ville gjort uten den aktive pumpen, men med to viktige forskjeller. Den første forskjellen er at pumpen kompenserer for friksjon, treghet og gasstrykkendring for å kunne oppnå en nær total demping. Den andre forskjellen er at trykkpulser generert fra andre kilder enn stempelpumpen ikke vil dempes. According to the invention, a pump is placed between a relatively small pressure accumulator in the hydraulic system, where the pump is designed to be able to pump liquid in both directions and to work in sync with and in counterphase with the volume flow variations to be dampened. In the event of a reduction in the volume flow from the piston pump, liquid is driven from the accumulator to the hydraulic system to compensate for this reduction. When the volume flow increases, liquid is driven back to the accumulator. The liquid flow to and from the accumulator follows a similar pattern as it would without the active pump, but with two important differences. The first difference is that the pump compensates for friction, inertia and gas pressure change in order to achieve near total damping. The other difference is that pressure pulses generated from sources other than the piston pump will not be attenuated.

Pumpen kan realiseres ved et bevegelig stempel i en væskeka-nal som forbinder det hydrauliske anlegg med en trykkakkumulator, slik at væske i det hydrauliske anlegg virker mot stempelets ene side, mens væske i trykkakkumulatoren virker mot stempelets andre side. Stempelets slaglengde må være slik at den multiplisert med stempelets areal gir et volum tilsvarende volumvariasjonene som skaper de uønskede trykksvingninger i det hydrauliske anlegg. Stempelet utgjør altså et bevegelig skille mellom to varierende væskevolum. The pump can be realized by a movable piston in a fluid channel which connects the hydraulic system with a pressure accumulator, so that fluid in the hydraulic system acts against one side of the piston, while fluid in the pressure accumulator acts against the other side of the piston. The stroke length of the piston must be such that it multiplied by the area of the piston gives a volume corresponding to the volume variations that create the unwanted pressure fluctuations in the hydraulic system. The piston thus constitutes a movable separation between two varying volumes of liquid.

Ideelt sett utveksles det ikke væske mellom det hydrauliske anlegg og trykkakkumulatoren. I praksis kan det likevel være aktuelt å anordne stempelet med en begrenset væskepassasje ' for å oppnå trykkutjevning mellom det hydrauliske anlegg sitt arbeidstrykk og trykket i trykkakkumulatoren. Ideally, no liquid is exchanged between the hydraulic system and the pressure accumulator. In practice, it may still be relevant to arrange the piston with a limited liquid passage to achieve pressure equalization between the hydraulic system's working pressure and the pressure in the pressure accumulator.

Oppfinnelsens formål kan i og for seg oppnås ved å kople en stempelpumpe til det hydrauliske anlegg og drive stempelpumpen i motfase med de uønskede volumstrømvariasjoner i anleg-get. Den ovenfor beskrevne løsning er likevel å foretrekke fordi energilagringen i akkumulatoren gjør det mulig å drive et skillestempel med vesentlig mindre energiforbruk. Et annet forhold er at det ved den foretrukne løsning er mulig å ope-rere med vesentlig mindre bevegelig masse og dermed bedre tilfredsstille krav til responstider. For å dempe trykksvingninger som genereres av en typisk borevæskepumpe, bør re-sponstiden være mindre enn femti millisekund. The purpose of the invention can be achieved in and of itself by connecting a piston pump to the hydraulic system and operating the piston pump in counterphase with the unwanted volume flow variations in the system. The solution described above is nevertheless preferable because the energy storage in the accumulator makes it possible to operate a separating piston with significantly less energy consumption. Another factor is that, with the preferred solution, it is possible to operate with significantly less moving mass and thus better satisfy requirements for response times. To dampen pressure fluctuations generated by a typical drilling fluid pump, the response time should be less than fifty milliseconds.

Ved å styre stempelets bevegelser i motfase til et kjent volumstrømsvariasjonsmønster dempes bare de uønskede trykkvariasjoner, mens eventuelle signalbærende trykkpulser fra nedihulls måleutstyr ikke blir dempet. By controlling the piston's movements in counterphase to a known volume flow variation pattern, only the unwanted pressure variations are dampened, while any signal-carrying pressure pulses from the downhole measuring equipment are not dampened.

Pumpen kan i tillegg til å dempe uønskede pulser fra stempelpumper og annet utstyr, også anvendes til å generere trykkpulser eksempelvis til anvendelse ved toveis slampulstele-metri. In addition to dampening unwanted pulses from piston pumps and other equipment, the pump can also be used to generate pressure pulses, for example for use in two-way mud pulse telemetry.

I det etterfølgende beskrives et ikke-begrensende eksempel på en foretrukket utførelsesform som er anskueliggjort på med-følgende tegninger, hvor: Fig. 1 i snitt viser en prinsipptegning av oppfinnelsen; og Fig. 2 i snitt viser pumpens detaljer. På figurene angir henvisningstallet 1 en del av et væskefylt rør som inngår i et hydraulisk anlegg. In what follows, a non-limiting example of a preferred embodiment is described which is illustrated in the accompanying drawings, where: Fig. 1 in section shows a principle drawing of the invention; and Fig. 2 in section shows the pump's details. In the figures, the reference number 1 denotes a part of a liquid-filled pipe which forms part of a hydraulic system.

En trykkakkumulator 2 av i og for seg kjent art er koplet til røret 1 via et sylinderrør 4 som danner den utvendige del av en pumpe 6. Sylinderrøret 4 er i det minste nær en ende forsynt med en innvendig tverrstilt endeplate 8. Endeplaten 8 er forsynt med gjennomgående faste eller regulerbare porter 10 som lar væske strømme gjennom endeplaten 8. A pressure accumulator 2 of a type known per se is connected to the pipe 1 via a cylinder pipe 4 which forms the outer part of a pump 6. The cylinder pipe 4 is provided at least near one end with an internally transverse end plate 8. The end plate 8 is provided with continuous fixed or adjustable ports 10 that allow liquid to flow through the end plate 8.

Mellom endeplaten 8 og et magnethode 12 er det anordnet en sentral permanentmagnet 14. Fra magnethodet 12 utbres et radialt rettet ikke vist magnetfelt til sylinderrøret 4. A central permanent magnet 14 is arranged between the end plate 8 and a magnetic head 12. From the magnetic head 12, a radially directed magnetic field (not shown) propagates to the cylinder tube 4.

Magnetfeltet følger sylinderrøret 4 til endeplaten 8 og der-ved sluttes en magnetisk krets. Magneten 14 kan være satt sammen av en eller flere permanentmagneter som eventuelt danner et magnetsystem. The magnetic field follows the cylinder tube 4 to the end plate 8 and thereby completes a magnetic circuit. The magnet 14 can be composed of one or more permanent magnets which optionally form a magnet system.

Et ringformet stempel 16 som omslutter magnethodet 12, er innrettet til å kunne beveges aksielt i sylinderrøret 4. Det er litt klaring mellom stempelet 16 og sylinderrøret 4, og mellom stempelet 16 og magnethode 12. Væske kan derfor i noen grad strømme forbi stempelet 16 fra røret 1 til trykkakkumulatoren 2 og motsatt. An annular piston 16, which encloses the magnetic head 12, is designed to be moved axially in the cylinder tube 4. There is some clearance between the piston 16 and the cylinder tube 4, and between the piston 16 and the magnetic head 12. Liquid can therefore to some extent flow past the piston 16 from the pipe 1 to the pressure accumulator 2 and vice versa.

Det ringformede stempel 16 er forsynt med en elektrisk spole 18 som via ledninger 20, 20" er koplet til en ikke vist vari-abel strømkilde. Ved å variere strømmen i spolen 18, kan stempelet 16 beveges i ønsket aksial retning i sylinderrøret 4. Når stempelet 16 forskyves, endres volumet mellom endeplaten 8 og stempelet 16 og mellom røret 1 og stempelet 16. Magneten 14 og stempelet 16 med spolen 18 danner en elektrisk lineærmotor etter tilsvarende prinsipp som for et høyttaler-element. Det er selvsagt ikke noe i veien for å ha en permanentmagnet i stempelet og anordne en spole i magnethodet 12, men det kan være ulempe at den bevegelige masse blir større enn med den foretrukne løsning. The annular piston 16 is provided with an electric coil 18 which is connected via wires 20, 20" to a variable current source, not shown. By varying the current in the coil 18, the piston 16 can be moved in the desired axial direction in the cylinder tube 4. When the piston 16 is displaced, the volume changes between the end plate 8 and the piston 16 and between the tube 1 and the piston 16. The magnet 14 and the piston 16 with the coil 18 form an electric linear motor according to the same principle as for a loudspeaker element. There is of course nothing to prevent to have a permanent magnet in the piston and arrange a coil in the magnet head 12, but it can be a disadvantage that the moving mass becomes larger than with the preferred solution.

Sylinderrøret 4 er innrettet til å forbindes tettende til hydraulikkrøret 1 og til trykkakkumulatoren 2 eksempelvis ved ikke viste bolter gjennom boltåpninger 22 i endeplaten 8 og i en flens 24. The cylinder tube 4 is designed to be connected tightly to the hydraulic tube 1 and to the pressure accumulator 2, for example by means of bolts not shown, through bolt openings 22 in the end plate 8 and in a flange 24.

Stempelets 16 bevegelse styres av et ikke vist styresystem av i og for seg kjent art. Stempelet 16 styres slik at det oscillerer i takt og motfase med volumstrømsvariasjoner som skal dempes. Dette kan oppnås ved hjelp av et elektrisk sty-resignal som varierer med et på forhånd kjent volumstrøm-profil fra en ikke vist stempelpumpe. Styresystemet kan om nødvendig omfatte en tilbakekoplingssløyfe. En slik tilbake-koplingssløyfe muliggjør at måling av stempelets 18 stempel-posisjon og/eller hastighet kan anvendes til å korrigere eventuelle avvik fra ønsket bevegelse. The movement of the piston 16 is controlled by a not shown control system of a type known per se. The piston 16 is controlled so that it oscillates in time and counterphase with volume flow variations that are to be dampened. This can be achieved by means of an electrical control signal which varies with a volume flow profile known in advance from a piston pump not shown. If necessary, the control system can include a feedback loop. Such a feedback loop enables measurement of the piston 18 piston position and/or speed to be used to correct any deviations from the desired movement.

Claims

1. Device for a damper for a hydraulic system of the kind where an accumulator (2) communicates with a hydraulic system with the intention of eliminating or dampening volume-flow response ias ions where a completely or essentially sealing displaceable piston (16) is placed in a cylinder tube (4) which connects the hydraulic system to the accumulator (2), characterized in that a magnetic field circuit comprising the cylinder tube (4), an end plate (8) connected to the cylinder tube (4) and an end plate (8) between the end plate (8) and a magnetic head (12) equipped with a permanent magnet or magnet system (14) is arranged to propagate a radially directed magnetic field from the magnetic head (12) to the cylinder tube (4).

2. Device according to claim 1, characterized in that the piston (16) is placed in the said magnetic field.

3. Device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the piston (16) is provided with an electric coil (18) which is connected via wires (20, 20') to a power supply not shown.

4. Device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the piston (16) by the electric coil (18) and cooperating with the permanent magnet (14) and other associated components form a linear motor where the piston (16) constitutes the pump piston itself.

5 . Device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the end plate (8) is provided with fixed or adjustable ports (10).