Un sistema para regular el flujo de fluido de proceso de un pozo,

que comprende: un conducto colector para recoger el fluido de proceso del pozo; una válvula de cabeza de pozo (12), teniendo la válvula de cabeza de pozo (12) un alojamiento de válvula (28) y un miembro de válvula (30), pudiéndose mover dicho miembro de válvula (30) para regular el flujo de fluido de proceso a través del conducto colector; una fuente de alimentación eléctrica (26); un motor eléctrico (74) alimentado por la fuente de alimentación eléctrica (26) un tren de engranajes de reducción (76) que comprende una pluralidad de engranajes para reducir la fuerza de accionamiento necesaria para mover el miembro de válvula (30) de la válvula de cabeza de pozo (12) y dicho motor eléctrico (74) que genera dicha fuerza de accionamiento que se amplifica y acopla al miembro de válvula (30) de la válvula de cabeza de pozo (12) a través del tren de engranajes de reducción (76) para accionar y posicionar el miembro de válvula (30) de la válvula de cabeza de pozo (12) entre todas las posiciones sin utilizar ni liberar gas de proceso para el accionamiento de la válvula de cabeza de pozo, caracterizado porque se proporciona un sensor de flujo (20) en serie con dicha válvula de cabeza de pozo que detecta el flujo del fluido de proceso a través del conducto colector de modo que la fuente de alimentación eléctrica es una fuente de alimentación eléctrica local que comprende un panel solar (24) y una batería (26) y porque el motor eléctrico (74) opera únicamente con dicha fuente de alimentación eléctrica local

Accionador para válvula de boca de pozo u otras aplicaciones similares y sistema que incorpora el mismo.

Campo de la invención

La presente invención hace referencia a las válvulas reguladoras, y más concretamente a las válvulas reguladoras que operan bajo grandes cargas en ubicaciones remotas donde es posible que no exista fácilmente una fuente de electricidad comercial disponible, como las válvulas reguladoras para bocas de pozo que regulan el flujo de gas natural u otro fluido de proceso fuera de un pozo en tierra.

Antecedentes de la invención

En el sector de la producción de gas natural comercial, una red de conductos colectores de gas conecta y ramifica a menudo de decenas a cientos de pozos en tierra de gas natural en una región geográfica localizada. Los pozos individuales proporcionan gas natural a través de la red de conductos colectores de gas a una localización de salida común. Los pozos pueden ser propiedad de varios propietarios de tierra y/o propietarios de derechos minerales diferentes que pueden vender su producción de gas natural a un proveedor comercial de gas natural. El proveedor comercial comprará normalmente el gas natural a los propietarios de la tierra o de los derechos según sus necesidades. Esto supone la necesidad de regular y supervisar la producción de gas natural de cada pozo. Incluso si el comprador comercial de gas natural posee la tierra o los derechos minerales, también querrá supervisar y/o regular la producción de cada pozo para controlar su suministro. A menudo, la extracción deseada de gas natural es inferior a la capacidad de producción máxima de los diversos pozos combinados. Dichas demandas pueden cambiar debido a las tendencias estacionales cíclicas y por otras razones económicas.

Para regular la extracción de producción de cada pozo individual, el conducto colector de gas para cada pozo individual suele tener una válvula reguladora de flujo y un sensor de flujo de gas dispuestos en serie de fluido El sensor de flujo de gas indica la cantidad de gas natural que fluye a través del conducto colector. La válvula de control reguladora proporciona un grado variable de abertura que forma un orificio de restricción en el conducto colector y de este modo, establece el caudal de gas natural en el conducto colector.

En función del lugar donde estén ubicados geográficamente los depósitos de gas natural, a menudo los pozos de producción de gas natural están ubicados en áreas remotas donde no hay suministro de electricidad comercial. Dichos pozos también puede estar distantes o no ser accesibles fácilmente desde la civilización. Como resultado, no se han obtenido soluciones directas para lograr el control y accionamiento automáticos de las válvulas reguladoras de gas. La presión del fluido en los pozos de producción de gas natural puede ser tan elevada como 6.205.281 pascales o en algunos casos, superior, y tan baja como 68.947 pascales. Esto requiere o necesita un medio accionador que tenga una elevada fuerza accionadora ya que las válvulas reguladoras de cabeza de pozo pueden aguantar cientos de kilogramos de fuerza ejercida sobre ellas. La respuesta rápida en la técnica anterior ha sido utilizar una pequeña parte del gas de proceso (como el gas natural) como fluido de trabajo para potenciar una combinación de componentes reguladores/accionadores neumáticos incluyendo un accionador neumático, un regulador I/P, reguladores de reducción de la presión y un posicionador, que están dispuestos en una red de fluido operativo para posicionar la válvula de cabeza de pozo reguladora, como se muestra esquemáticamente en la figura 22, que describe el típico sistema de pozo de producción de cabeza de pozo actualmente empleado en esta disposición. Ha de controlarse el flujo de fluido que se desliza. Un panel solar y una batería (que deben ser lo más pequeños posibles por razones de costes) se emplean frecuentemente para proporcionar una pequeña fuente de alimentación eléctrica local para alimentar un regulador operado por motor que controla eléctricamente el flujo de fluido. Esto proporciona control eléctrico sobre el accionador neumático.

Aunque se ha demostrado que el accionamiento neumático funciona, se han producido varios inconvenientes significativos con el uso del accionamiento neumático como se muestra en la figura 21. En particular, los sistemas accionadores neumáticos de la técnica anterior (incluidos muchos de los componentes individuales reguladores y accionadores) consumen y expelen gas natural, lo que significa que por lo tanto el gas natural es liberado a la atmósfera cuando la válvula reguladora se reposiciona o se controla de otro modo. Debido a la descarga de gas, estos sistemas pueden plantear dificultades para cumplir con las estrictas regulaciones medioambientales relativas a las emisiones fugaces de gas natural. Asimismo, existe un riesgo significativo de seguridad con las emisiones fugaces de gas natural. Una chispa eléctrica, ya sea producida por la iluminación, otro equipo o componentes adyacentes (incluida la electrónica de control), o por parte del personal de mantenimiento o su equipo cuando trabajan en la red de gas (que puede aumentar cuando no se siguen las precauciones de seguridad), pueden prender fuego potencialmente a los escapes de gas natural y provocar una situación potencialmente explosiva. El documento GB 2 364 396 se considera el documento de la técnica anterior más cercano que divulga un sistema para regular el flujo de fluido de proceso que presenta las características especificadas en el preámbulo de la reivindicación 1.

En vista de lo anterior, existe desde hace tiempo la necesidad de proporcionar una solución práctica y viable desde el punto de vista económico para reducir y, si es posible, eliminar los riesgos y otros inconvenientes asociados con las emisiones fugaces de gas natural que se producen al controlar las válvulas reguladoras para cabezas de pozo.

Breve resumen de la invención

Un aspecto de la presente invención se dirige hacia el sistema para regular el flujo de fluido de proceso desde un pozo empleando el accionamiento eléctrico para accionar una válvula de cabeza de pozo. El sistema incluye un conducto colector para recoger el fluido de proceso del pozo, un sensor de flujo que detecta el flujo del fluido de proceso a través del conducto colector, una fuente de alimentación eléctrica local y una válvula de cabeza de pozo en serie con el sensor de flujo para regular el flujo de fluido de proceso a través del conducto colector. El accionamiento eléctrico se logra con un tren de engranajes de reducción y un motor eléctrico. El tren de engranajes de reducción comprende una pluralidad de engranajes para reducir la fuerza accionadora necesaria para mover la válvula de cabeza de pozo. El motor eléctrico se alimenta mediante la fuente de alimentación eléctrica local y acciona la válvula de cabeza de pozo a través del tren de engranajes de reducción.

Una ventaja de la presente invención es que la válvula de cabeza de pozo puede posicionarse entre todas las posiciones sin utilizar y liberar el gas de proceso para el accionamiento de la válvula de cabeza de pozo. Asimismo, la fuente eléctrica local existente, que suele comprender una batería y un panel solar, puede utilizarse para alimentar la válvula de cabeza de pozo accionada eléctricamente.

Otro aspecto de la presente invención se dirige hacia un procedimiento novedoso para controlar la posición de una válvula de cabeza de pozo para controlar el flujo del gas de proceso desde el pozo utilizando una fuente de alimentación eléctrica local. El procedimiento comprende el accionamiento eléctrico de la válvula de cabeza de pozo con una fuerza de accionamiento para regular el flujo del gas de proceso sin liberar el gas de proceso, alimentando el accionamiento eléctrico utilizando la fuente de alimentación eléctrica local y amplificando la fuerza de accionamiento eléctrico y por lo tanto, reduciendo la velocidad del accionamiento eléctrico, en el que esta amplificación es suficiente, de modo que el accionamiento eléctrico se logra utilizando solamente la fuente de alimentación eléctrica local.

Otro aspecto de la presente invención se dirige hacia un procedimiento de reajuste de una válvula de cabeza de pozo para reducir las emisiones del gas de proceso de un pozo. El procedimiento comprende la retirada de un accionador neumático (y sus componentes reguladores de fluido operativos) que utiliza y expele gas de proceso para posicionar una válvula de cabeza de pozo en la que el accionador...

1. Un sistema para regular el flujo de fluido de proceso de un pozo, que comprende:

un conducto colector para recoger el fluido de proceso del pozo;

una válvula de cabeza de pozo (12), teniendo la válvula de cabeza de pozo (12) un alojamiento de válvula (28) y un miembro de válvula (30), pudiéndose mover dicho miembro de válvula (30) para regular el flujo de fluido de proceso a través del conducto colector;

una fuente de alimentación eléctrica (26);

un motor eléctrico (74) alimentado por la fuente de alimentación eléctrica (26)

un tren de engranajes de reducción (76) que comprende una pluralidad de engranajes para reducir la fuerza de accionamiento necesaria para mover el miembro de válvula (30) de la válvula de cabeza de pozo (12) y

dicho motor eléctrico (74) que genera dicha fuerza de accionamiento que se amplifica y acopla al miembro de válvula (30) de la válvula de cabeza de pozo (12) a través del tren de engranajes de reducción (76) para accionar y posicionar el miembro de válvula (30) de la válvula de cabeza de pozo (12) entre todas las posiciones sin utilizar ni liberar gas de proceso para el accionamiento de la válvula de cabeza de pozo, caracterizado porque

se proporciona un sensor de flujo (20) en serie con dicha válvula de cabeza de pozo que detecta el flujo del fluido de proceso a través del conducto colector de modo que la fuente de alimentación eléctrica es una fuente de alimentación eléctrica local que comprende un panel solar (24) y una batería (26) y

porque el motor eléctrico (74) opera únicamente con dicha fuente de alimentación eléctrica local.

2. El sistema de la reivindicación 1, comprendiendo además un freno, teniendo el freno una posición de conectado en la que el freno actúa sobre la válvula de cabeza de pozo para mantener una posición actual de la válvula de cabeza de pozo.

3. El sistema de la reivindicación 2 en el que el freno puede moverse entre la posición de conectado y la posición de desconectado mediante un interruptor selector accionado manualmente.

4. El sistema de la reivindicación 3, que comprende además una entrada de anulación manual y un embrague, la entrada de anulación manual acoplada a la válvula de cabeza de pozo de tal modo que la rotación manual de la entrada de anulación posiciona la válvula de cabeza de pozo, en la que el embrague está dispuesto para limitar la cantidad de par de torsión aplicada por la entrada de anulación manual al tren de engranajes de reducción y a la válvula de cabeza de pozo.

5. El sistema de la reivindicación 1, comprendiendo además un freno dinámico que aplica una fuerza de sujeción a la válvula de cabeza de pozo, proporcionando el motor eléctrico una fuerza de accionamiento eléctrico de magnitud suficiente para superar la fuerza de sujeción del freno dinámico para accionar la válvula de cabeza de pozo, actuando el freno a través de al menos parte del tren de engranajes de reducción para mantener la posición en curso de la válvula de cabeza de pozo cuando el motor eléctrico no proporciona ninguna fuerza de accionamiento eléctrico de modo que la válvula de cabeza de pozo mantiene la posición en curso en caso de pérdida de potencia de la fuente de alimentación.

6. El sistema de la reivindicación 1, comprendiendo además un muelle que empuja la válvula de cabeza de pozo a una posición totalmente cerrada, moviéndose la válvula de cabeza de pozo automáticamente a la posición totalmente cerrada en caso de pérdida de potencia eléctrica en el motor eléctrico, comprendiendo además medios que incluyen un freno y una entrada manual para establecer selectivamente una posición de la válvula de cabeza de pozo en caso de pérdida de potencia en el motor eléctrico.

7. El sistema de la reivindicación 1, comprendiendo además un muelle que empuja la válvula de cabeza de pozo a una posición totalmente abierta, moviéndose la válvula de cabeza de pozo automáticamente a la posición totalmente abierta en caso de pérdida de potencia eléctrica en el motor eléctrico, comprendiendo además medios que incluyen un freno y una entrada manual para establecer selectivamente una posición de la válvula de cabeza de pozo en caso de pérdida de potencia en el motor eléctrico.

8. El sistema de la reivindicación 1, en el que el motor eléctrico es un motor libre de chispas seleccionado de un grupo que comprende un motor de pasos, un motor CC sin escobillas y un motor CA libre de chispas.

9. El sistema de la reivindicación 1 en el que el tren de engranajes de reducción tiene una relación de engranajes mayor de aproximadamente 100:1, en el que la fuerza aplicada por el motor eléctrico a la válvula de cabeza de pozo es aumentada por la relación de engranajes.

10. El sistema de la reivindicación 9 en el que la relación de engranajes es mayor que 400:1.

11. El sistema de la reivindicación 9, comprendiendo además un controlador para energizar selectivamente el motor, en el que el motor eléctrico tiene un modo de retención para mantener la posición en curso de la válvula de cabeza de pozo y un modo de accionamiento para accionar la válvula de cabeza de pozo, consumiendo el motor eléctrico entre 1 y 3 vatios en el modo de retención y entre 4 y 12 vatios en el modo de accionamiento.

12. El sistema de la reivindicación 1, comprendiendo además: un controlador alimentado por la fuente de alimentación eléctrica local que opera el motor eléctrico para establecer la posición de la válvula, teniendo el controlador un modo de retención en el que la válvula de cabeza de pozo se mantiene en una posición actual y un modo activo en el que el controlador energiza activamente el motor eléctrico para posicionar la válvula de cabeza de pozo, consumiendo el motor eléctrico menos potencia eléctrica de la fuente de alimentación eléctrica local en el modo de retención, en comparación con el modo activo.

13. El sistema de la reivindicación 1, en el que la fuente de alimentación local comprende una rejilla de alimentación solar y una batería cerca de la válvula de cabeza de pozo.

14. El sistema de la reivindicación 1, comprendiendo además un controlador alimentado por la fuente de alimentación eléctrica local que tiene una entrada de demanda que representa la salida demandada de fluido de proceso del pozo, respondiendo el controlador al sensor de flujo para establecer la posición de la válvula de cabeza de pozo de acuerdo con la entrada de demanda.

15. El sistema de la reivindicación 14, comprendiendo además un sensor de posición que indica la posición de la válvula de cabeza de pozo, siendo el controlador receptivo al sensor de posición para establecer la posición de la válvula de cabeza de pozo de acuerdo con la entrada demandada.

16. El sistema de la reivindicación 15, en el que el sensor de posición incluye un sensor de posición analógico incorporado en el controlador que deriva la posición de la válvula de cabeza de pozo de las señales de control de la posición del motor enviadas al motor eléctrico, comprendiendo además un sensor de posición redundante que proporciona retroalimentación al controlador para comprobar la precisión del sensor de posición analógico.

17. El sistema de la reivindicación 15, comprendiendo además un transmisor inalámbrico alimentado por la fuente de alimentación eléctrica local en comunicación eléctrica con dicho controlador, en el que el controlador puede ser controlado de forma remota para ajustar la posición de la válvula de cabeza de pozo de forma inalámbrica y puede indicar los parámetros operativos de forma inalámbrica.

18. El sistema de la reivindicación 1 en el que la válvula de cabeza de pozo comprende un alojamiento de válvula y un miembro de válvula montado de forma deslizable en el alojamiento de válvula para reciprocación lineal, estando el miembro de válvula acoplado a una cremallera, incluyendo el tren de engranajes de reducción un engranaje de piñón de entrada en un eje motriz rotatorio del motor eléctrico, un engranaje de piñón de salida engranado con la cremallera para accionar la cremallera, y una pluralidad de engranajes entre los engranajes de piñón de entrada y salida, en los que la velocidad se reduce y el par de torsión aumenta desde el engranaje de piñón de entrada al engranaje de piñón de salida.

19. El sistema de la reivindicación 1, comprendiendo además un freno dinámico dispuesto para proporcionar resistencia al movimiento de la válvula, y un controlador alimentado por la fuente de alimentación eléctrica local y que activa el motor eléctrico en un modo de accionamiento con fuerza suficiente para superar la resistencia proporcionada por el freno dinámico para establecer la posición de la válvula, teniendo el controlador un modo de hibernación en el que el motor eléctrico no está activado y en el que el freno dinámico actúa al menos parcialmente a través del tren de engranajes de reducción con fuerza suficiente proporcionada para neutralizar el muelle y/o las fuerzas fluido que actúan sobre la válvula de cabeza pozo para evitar el movimiento de la válvula de cabeza de pozo cuando está en el modo de hibernación.

20. Un procedimiento para controlar el posicionamiento de una válvula de cabeza de pozo (12) para controlar el flujo de gas de proceso desde el pozo utilizando una fuente de alimentación eléctrica (26) que comprende:

alimentar un motor eléctrico (74) empleando la fuente de alimentación eléctrica (26);

accionando un miembro de válvula (20) de la válvula de cabeza de pozo (12) con una fuerza de accionamiento para regular el flujo del gas de proceso sin liberar gas de proceso;

utilizar dicho motor eléctrico (74) para generar dicha fuerza de accionamiento que se amplifica y se acopla al miembro de la válvula (30) de la válvula de cabeza de pozo (12) a través de un tren de engranajes de reducción (76) para accionar y posicionar el miembro de válvula (20) de la válvula de cabeza de pozo (12) entre todas las posiciones sin utilizar y sin liberar gas de proceso para el accionamiento de la válvula de cabeza de pozo, caracterizado por usar una fuente de alimentación eléctrica local que comprende un panel solar (24) y una batería (26) como fuente de alimentación eléctrica y operar el motor eléctrico (74) solamente a partir de dicha fuente de alimentación eléctrica local.

21. El procedimiento de la reivindicación 20, comprendiendo además el empuje de la válvula de cabeza de pozo hacia una de las posiciones abierta o cerrada con fuerza de empuje, siendo la fuerza de accionamiento eléctrico mayor que la fuerza de empuje.

22. El procedimiento de la reivindicación 21, comprendiendo además la aplicación de una fuerza de frenado a la válvula de cabeza de pozo y amplificando la fuerza de frenado, siendo la fuerza de frenado cuando se amplifica mayor que la fuerza de empuje para mantener la posición actual de la válvula de cabeza de pozo pero menor que la fuerza de accionamiento eléctrico cuando se amplifica.

23. El procedimiento de la reivindicación 21, comprendiendo además el posicionamiento manual de la válvula en caso de pérdida de accionamiento eléctrico en una posición seleccionada y manteniendo selectivamente la válvula en la posición seleccionada con fuerza suficiente para obviar la fuerza de empuje.

24. El procedimiento de la reivindicación 20, además comprende:

la detección de un caudal a través del conductor de recogida;

la recepción de un caudal demandada para el flujo de fluido a través del conducto colector; y

el control de la posición de la válvula de cabeza de pozo para que coincida con el caudal demandado con el caudal detectado.

25. El procedimiento de la reivindicación 24, comprendiendo además la detección de la posición de la válvula de cabeza de pozo, siendo el control sensible a la detección de la posición para mover la válvula a un punto establecido.

26. El procedimiento de la reivindicación 20, comprendiendo además la generación y almacenamiento de la fuente de alimentación local con un panel solar y una batería cerca de la válvula de cabeza de pozo.