DE2124990C3

DE2124990C3 - Sicherheitsventil für Tiefbohrungen

Info

Publication number: DE2124990C3
Application number: DE19712124990
Authority: DE
Inventors: Jacob Van Den Haag Geijn (Niederlande)
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1970-05-21
Filing date: 1971-05-19
Publication date: 1980-12-11
Also published as: DE2124990B2; GB1309562A; DE2124990A1; JPS5434684B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Sicherheitsventil zum Verhindern des Austretens eines zu starken Fluidstromes aus einer produzierenden Tiefbohrung gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Sicherheitsventile dieser Art sind bekannt (z. B. US-PS 25 90 918). Sie arbeiten in an Land angelegten Tiefbohrungen zufriedenstellend, versagen jedoch, wenn sie bei Tiefbohrungen verwendet werden, die sich durch unter Wasser liegende Formationen erstrecken. Wird der Verrohrungskopf oder die Verrohrung beschädigt und dadurch die Durchsatzgeschwindigkeit des Fluids gegenüber dem Normalwert erhöht, so schließt zwar auch in diesen Anwendungsfällen das Sicherheitsventil, es besteht jedoch die Gefahr, daß das über der Tiefbohrung liegende Wasser den Ventilkörper des Sicherheitsventils entgegen der Vorspannfeder in die Offenstellung drückt und so dann Wasser in den Produktionsrohrstrang gelangt

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Sicherheitsventil der eingangs erwähnten Art so weiterzubilden und zu verbessern, daß es auch bei Tiefbohrungen angewendet werden kann, die sich durch unter einem Gewässer liegende Formationen erstrecken bzw. bei denen die Gefahr besteht, daß von außen Flüssigkeit in die Tiefbohrung einströmen kann.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Sicherheitsventil gemäß Oberbegriff des Hauptanspruches durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung für die Verriegelungsvorrichtung ergibt sich aus dem Unteranspruch.

Bei Tiefbohrungen ist es an sich bekannt, zum Verriegeln von Bohrlochventilen in bestimmten Stellungen nachgiebige Finger an den Bohrlochventilen vorzusehen (US-PS 22 48 305). Durch die Verwendung einer ähnlichen zusätzlichen Verriegelungsvorrichtung bei einem Sicherheitsventil für Tiefbohrungen der eingangs erwähnten Art, und zwar in der erfindungsgemäßen speziellen Ausgestaltung wird bei einem Sicherheitsventil der eingangs erwähnten Art gewährleistet, daß dieses in der Schließstellung mit größeren Kräften verriegelt wird, als die Vorspannfeder von sich aus auf den Ventilkörper aufbringt Damit ist gewährleistet, daß nach dem Ansprechen des Sicherheitsventils

to durch erhöhten Fluiddurchsatz der Ventilkörper in seiner Schließstellung gehalten wird, auch wenn beispielsweise Wasser in den Raum oberhalb des Ventilkörpers eindringt und dieser Wasserdruck bestrebt ist, den Ventilkörper wieder in seine Offenstel-

'5 lung zu bewegen. Dies ist bei Tiefbohrungen, die sich in Formationen am Boden des Meeres, von Flüssen oder Seen erstrecken, zu befürchten, aber auch bei an Land angelegten Tiefbohrungen, bei denen Gefahr besteht, daß Flüssigkeit von außen in den Raum oberhalb des Sicherheitsventils einströmen kann. Die Verwendung des erfindungsgemäßen Sicherheitsventils beschränkt sich nicht auf Tiefbohrungen, bei denen die in die Tiefbohrung einströmenden Flüssigkeiten ihren Ursprung an der Erdoberfläche haben. Solche einströmen- den Flüssigkeiten könnten auch von einer unter der Erdoberfläche liegenden Quelle stammen, beispielsweise einer unterirdischen Formation. Au^'h in diesem Fall wird durch die zusätzliche Verriegelungsvorrichtung das sichere Halten des Ventilkörpers in der Schließstel-

x> lung und das Eindringen dieser Flüssigkeit in die Tiefbohrung verhindert

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert

F i g. 1 zeigt ein Sicherheitsventil nach der Erfindung im Längsschnitt in seiner Öffnungsstellung.

Fig.2 zeigt im Längsschnitt das Sicherheitsventil nach F i g. 1 in seiner Schließstellung.

<o Gemäß der Zeichnung setzt sictr das Gehäuse 1 des Sicherheitsventils aus mehreren Teilen zusammen, die miteinander verschraubbar sind, um das Einbauen der Teile des Sicherheitsventils, das Einstellen der Teile und das Auswechseln beschädigter Teile zu erleichtern. Das obere Ende des Gehäuses I ist mit einem Innengewinde 2 versehen, das dazu dient das Gehäuse mit dem unteren Ende einer nicht dargestellten Einrichtung zu verbinden, mittels welcher das Sicherheitsventil in einen Produktionsrohrstrang einer Tiefbohrung bis zu einem Anschlag herabgelassen oder direkt an dem Produktionsrohrstrang befestigt werden kann, und die es ermöglicht das Sicherheitsventil wieder zur Oberfläche zurückzuholen. Der obere Teil des Gehäuses 1 weist einen Kanal 3 auf, der an seinem unteren Ende mit einem Ventilsitz 4 versehen ist In dem Kanal 3 kann ein nicht dargestelltes Einsatzstück angeordnet sein, um den Innendurchmesser des Kanals zu verändern. Mit diesem Ventilsitz 4 arbeitet ein Ventilteil 5 zusammen, und der Raum zwischen dem Ventilsits 4 und dem Ventilteil 5 steht über radiale Durchlässe 6 in voller Verbindung mit der Außenseite des Gehäuses 1. Mit dem Ventilteil 5 ist eine Ventilslange 7 verbunden, die in einer mit dem Gehäuse 1 verbundenen Führung 8 verschiebbar gelagert ist. Der sich durch die Führung 8 erstreckende Teil der Ventilstange 7 hat einen unrunden Querschnitt, damit sich die Ventilstange nicht dreht, wenn die verschiedenen noch zu beschreibenden Teile auf sie aufgeschraubt werden. Um das Ventilteil 5 in seiner

Öffnungsstellung zu halten, ist eine Druckfeder 9 zwischen einer Ringschulter 10 des Gehäuses 1 und einem an der Ventilstange 7 befestigten Federteller 11 angeordnet. Zum Einstellen der durch die Feder 9 ausgeübten Kraft ist eine Mutter 12 auf den mit Gewinde versehenen unteren Teil der Ventilstange 7 aufgeschraubt Die Venttlstange trägt ferner eine Verriegelungsvorrichtung 13 mit einem Zylinder 14, der elastisch federnde Finger 15 aufweist, die an ihren freien Enden mit Vcrsprüngen 16 versehen sind, und sie umfaßt außerdem ein Becherteil 17 mit einer zentralen Gewindebohrung 18. Der Zylinder 14 der Verriegelungsvorrichtung mit den Fingern 15 wird in das Becherteil 17 eingeschraubt, das seinerseits auf den Gewindeabschnitt am unteren Ende der Ventilstange 7 aufgeschraubt und durch eine Haltemutter 19 gesichert wird.

Die Innenwand des Gehäuses 1 ist mit einer Schulter 20 versehen, die bei der Schließstellung des Ventilteils 5 mit den Vorsprüngen 16 der Verriegelungsvorrichtung 13 zusammenarbeitet Bei der in Fig.2 gezeigten Schließstellung stehen die Vorspränge 16 in Berührung mit der Oberseite der Schulter 20, so daß sL: der durch die Feder 9 auf das Ventilteil 5 ausgeübten Kraft entgegenwirken. Bis das Ventilteil 5 begonnen hat, sich zu bewegen, und bis es seine Schließstellung nahezu erreicht hat können sich die Vorsprünge 16 in der Bohrung des Gehäuses 1 ungehindert bewegen, so daß die Wirkung der Feder 9 durch das Vorhandensein der Vorsprünge 16 nicht beeinflußt wird. Somit kann sich JO das Sicherheitsventil dann schließen, wenn die Durchsatzgeschwindigkeit des Fluids genau einen vorher eingestellten Wert erreicht.

Im folgenden wird die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Sicherheitsventils nach Fig. I und 2 für den Fall beschrieben, daß dieses Ventil bei einer Tiefbohrung zum Fördern von Gas aus einer unterirdischen Formation verwendet wird.

Bei der in F i g. 1 gezeigten Öffnungsstellung des Ventilteils 5 wird das Ventilteil durch die Feder 9 in seiner unteren Stellung gehalten. Das Gas, das aus der nicht dargestellten Formation ausströmt, durch die sich das Bohrloch erstreckt, in dem das Sicherheitsventil aufgehängt ist, tritt in das Gehäuse 1 in der in Fig. 1 durch Pfeile angedeuteten Weise über die Durchlässe 6 ein, um dann durch den Kanal 3 des Gehäuses nach oben zu ströme,!. Mit Hilfe der Einstellmutter 12 ist die Kraft der Feder 9 genau auf den richtigen Wert eingestellt worden, bei dem das Ventilteil 5 in seiner Öffnungsstellung gehalten wird, solange das Gas mit einer vorbestimmten normai-en Durchsatzgeschwindigkeit aus dem Bohrloch ausströmt. Der Druckabfall in dem durch die Durchlässe 6 strömenden Fluid erzeugt längs des Ventilteils 5 einen Druckunterschied, durch den eine Kraft erzeugt wird, die bestrebt ist, das Ventilteil 5 entgegen der Kraft der Feder 9 in seine Schließstellung in Anlage an dem Sitz 4 zu bringen.

Eine Erhöhung der Durchsatzgeschwindigkeit des durch die Durchlässe 6 strömenden Gases auf einen Wert über dem vorbestimmten normalen Wert oder M) über einen vorbestimmten Bereich normaler Werte hinaus bewirkt dann, daß sich der erwähnte Druckunterschied auf einen Wert vergrößert, der genügend hoch ist, um es der auf das Ventilteil 5 wirkenden Kraft zu ermöglichen, die durch die Feder 9 ausgeübte Kraft zu überwinden. Dies hat zur Folge, daß das Ventilteil 5 beginnt, sich nach oben zu bewegen, wodurch der freie Querschnitt der Durchläse 6 verkleinert wird; infolgedessen erhöht sich der Druckunterschied an dem Ventilteil 5 weiter, wodurch sich auch die Schließgeschwindigkeit des Ventilteils erhöht, was zur Folge hat, daß das Ventilteil 5 nahezu augenblicklich in seine Schließstellung gebracht wird, sobald die Strömungsgeschwindigkeit des Gases über einen vorher eingestellten Wert hinaus ansteigt.

Während der Abwärtsbewegung des Ventilteils 5 ist die Feder 9 weiter zusammengedrückt und die Verriegelungsvorrichtung 13 nach oben bewegt und in die in Fig.2 gezeigte Stellung gebracht worden. Hierbei wurden die elastisch federnden Finger t5 so durchgebogen, daß sich die Vorsprünge 16 an der inneren Schulter 20 des Gehäuses 1 vorbeibewegen konnten. Bei der in F i g. 2 gezeigten Stellung hindern die Vorsprünge 16 die Feder 9 daran, das Ventilteil 5 in seine Öffnungsstellung zu bringen. Somit wird der durch die Feder 9 auf das Ventilteil 5 ausgeübten Kraft entgegengewirkt, wenn das Ventilteil seine Schließstellung einnimmt Die Festigkeit der Finger 15 und die Form der Vorsprünge 16 und der Schulter 20 können so gewählt werden, daß die durch die Verriegelungsvorrichtung aufgebrachte Kraft die der durch die Feder 9 erzeugten Kraft entgegenwirkt genügend groß ist um eine Bewegung des Ventilteils 5 in Richtung auf seine Öffnungsstellung selbst dann zu verhindern, wenn der Raum über dem Ventilteil mit Wasser oder einem anderen Fluid gefüllt ist das auf das Ventilteil einen Druck ausübt der höher ist als der unter dem Ventilteil herrschende Druck. Eine solche Situation ergibt sich dann, wenn die Bohrlochanlage beschädigt worden ist und dies zum Schließen des Sicherheitsventils geführt hat. In einem solchen Fall strömt Wasser aus dem Meer, dem See oder dergleichen in das Bohrloch und verdrängt das Gas aus dem Raum über dem Ventilteil 5, wodurch auf das Ventilteil ein Druck ausgeübt wird, der höher ist als der darunter in dem Bohrloch herrschende Druck. Wenn keine Verriegelungsvorrichtung vorhanden wäre, würde das Ventilteil durch diesen Wasserdruck, der noch durch die Kraft unterstützt wird, welche die Feder 9 auf das Ventiiteil 5 ausübt, von seinem Sitz al-gehoben. und das Wasser würde in die durch das Bohrloch erschlossene Formation einströmen. Wenn die Durchsatzmenge des in das Bohrloch über seinen beschädigten Teil eindringenden Wassers größer wäre als die Durchsatzmenge des in die Formation eindringenden Wassers, würde das Bohrloch totgedrückt doch würden unerwünschte Wassermengen in die Formation eintreten. Wenn dagegen die Durchsatzmenge des in das Bohrloch einströmenden Wassers kleiner wäre als die Menge des je Zeiteinheit in die Formation eindringenden Wassers, würde der auf das Ventilteil 5 durch die darüber befindliche Wassersäule ausgeübte Druck niedriger werden als der in der Formation Herrschende Gasdruck, und dies würde dazu führen, daß Gas aus der Formation entweicht und in das Bohrloch einströmt, bis das Gas eine Durchsatzgeschwindigkeit erreicht hat, bei welcher das Ventilteil 5 wieder in seine Schließstellung gebracht wird. Dieser Ablauf vor. Vorgängen würd, sich dann ständig wiederholen, so daß sich im Bereich des Bohrlochs eine äußerst gefährliche Situation ergeben würde.

Die Verwendung der Verriegelungsvorrichtung führt jedoch zu einer Vergrößerung der Kraft, die erforderlich ist, um das Sicherheitsventil wieder zu öffnen. Wenn man die Verriegelungsvorrichtung entsprechend ausbildet und einstellt, wirkt sie der durch die Feder aufgebrachten Kraft in einer solchen Weise entgegen,

daß das Sicherheitsventil selbst dann geschlossen bleibt, wenn eine Wassersäule, deren Höhe gleich der Summe der Tiefe des Bohrlochs (wenn das Sicherheitsventil in dem Bohrloch so tief wie möglich angeordnet ist) und der Tiefe des G.'wassers über der Bohrlochmündung ist, einen Druck auf die Oberseite des Ventilteils 5 ausübt.

Bei einer Wassertiefe von z.B. 100 m, einer Bohrlochtiefe von z. B. 3000 m und einem in der Formation herrschenden Druck von z. B. 300 atü muß der Kraft der Feder 9 entgegengewirkt werden, um ein erneutes öffnen des Sicherheitsventils unter dem Einfluß der Wassersäule von 3100 m zu verhindern. Wenn das spezifische Gewicht des Wassers gleich 1 ist, wenn das Ventilteil eine Querschnittsfläche von 10 cmhat, und wenn die Feder bei der Schließstellung des Ventilteils eine Kraft von 30 kg ausübt, muß somit die Verriegelungsvorrichtung eine Kraft von mindestens 130 kg aufnehmen, um ein erneutes Öffnen des

Zwar wurde das erfindungsgemäße Sicherheitsventil für den Fall seiner Benutzung in einer Unterwassertiefbohrung beschrieben, doch kann ein solches Sicherheitsventil auch bei an Land angelegten Tiefbohrungen verwendet werden, wenn die Gefahr besteht, daß bei einer Beschädigung der Verrohrung oder des Hohrlochkopfes Wasser in das Bohrloch eintritt.

Ferner kann man das Sicherheitsventil na».:: der Erfindung sowohl an Land als auch bei Unterwassertiefbohrungen verwenden, wenn die Gefahr besteht, daß bei einer Beschädigung der Bohrungsanlage ein Fluid aus einer anderen Formation in das Bohrloch eindringt. In einem solchen Fall ist es erforderlich, das Eindringen eines Fluids aus einer solchen anderen Formation in die durch das Bohrloch erschlossene Formation mit Hilfe eines Sicherheitsventils zu verhindern, bei dem die Verriegelungsvorrichtung der Kraft der Feder entgegenwirkt, wenn das Sicherheitsventil geschlossen ist, um das erneute Öffnen des Ventils durch einen Druck zu verhindern, der oberhalb des Ventils durch eine Flüssigkeit oder ein Gas aufgebaut wird, das aus der darüber liegenden Formation in das Bohrloch eintritt.

Wenn das erfindungsgemäße Sicherheitsventil versehentlich oder zu Prüfzwecken betätigt worden ist. z. B. durch die geregelte Entnahme des Fluids aus dem Bohrloch mit einer Durchsatzgeschwindigkeit, die höher ist als die Durchsatzgeschwindigkeit, auf die das Sicherheitsventil eingestellt worden ist. kann man das Ventil z. B. dadurch wieder öffnen, daß man den Druck oberhalb des Ventils erhöht. Zu diesem Zweck kann man einen Flüssigkeitspfropfen in die Produktionsleitung der Tiefbohrung einführen und die Produktionsleitung an ihrem oberen Ende mit einem anderen Bohrloch verbinden, das sich durch die gleiche produzierende Formation erstreckt

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die in der Zeichnung dargestellte Konstruktion eines Sicherheitsventils. Verschiedene Teile dieses Sicherheitsventils können auf andere Weise ausgebildet sein. Beispielsweise kann man das Ventilteil 5 so ausbilden, daß es mit einem Ventilsitz 4 von konischer Form zusammenarbeitet Die Relativbewegung des Ventilteils gegenüber dem Gehäuse braucht sich nicht längs der Mittelachse des Gehäuses abzuspielen; dies ist z. B. dann der Fall, wenn ein Klappenventil vorgesehen ist Auch die Form der Durchlässe 6 kann von der dargestellten Form abweichen. Femer kann der Kanal 3 als Venturirohr ausgebildet sein, um die dynamische Energie des hindurchströmenden Fluids teilweise in statische Energie zu verwandeln.

Weiterhin beschränkt sich die Erfindung nicht auf die Verwendung einer Verriegelungsvorrichtung der in dei Zeichnung dargestellten Art. Um die gleiche Wirkung τ /u erzielen, kann man auch andere Anordnunger vorsehen, vorausgesetzt, daß die betreffende Anord nung dem Einfluß der Kraft entgegenwirkt, die durcl die Feder auf das Ventilteil ausgeübt wird, wenn sich da: Ventilteil in seiner Schließstellung befindet.

ίο Die Schulter 20 könnte auch durch eine Nut ersetz sein. Ferner kann die Form der Vorsprünge 16 und/odei der Schulter 20 derart sein, daß sich die Vorsprung« leicht an der Schulter vorbeibewegen können, wenn sii sich nach oben bewegen, daß sie sich jedoch nur dant

r> nach unten bewegen lassen, wenn eine relativ großi Kraft aufgebracht wird.

Die Verriegelungsvorrichtung 13 kann durch eir Bauteil ersetzt sein, das Bohrungen aufweist, die unte pArJAt-cnariniincT St£h^on'^'* 3^!⁷⁰P ^d^T K Η^σΉΠ ^rtnthaltf*n welche gegen die Innenwand des Gehäuses 1 vorge spannt sind und sich bei der Aufwärtsbewegung de Ventilteils 5 an einer der Schulter 20 ähnelnden Schulte vorbeibewegen oder mit einer Nut auf der Inncnseiti des Gehäuses 1 zusammenarbeiten, wenn sich da

r> Ventilteil in seiner Schließstellung befindet.

Um dem Einfluß der Kraft, die durch die Feder 9 au das Ventilteil 5 ausgeübt wird, auf eine andere Weisi entgegenzuwirken und diese Kraft z. B. zu neutralisic rcn, kann man die Verriegelungsvorrichtung 13 durcl

ίο einen Magneten ersetzen, der eine Haltekraft auf da Ventilteil oder ein mit ihm verbundenes anderes Baulei ausübt, sobald das Ventiltei! seine Schließsiellunj einnimmt.

Weiterhin kann man die Vcrricgclungsvorrichlunj mit einer Einrichtung zum Einstellen der durch sii ausgeübten Kraft versehen.

Wenn die Bohrlochanlage, die durch ein erfindungs gemäßes Sicherheitsventil geschützt werden soll, nacl einer Beschädigung als nicht mehr instandsct/ba; betrachtet werden muß. kann man die Vcrriegelungs vorrichtung des Sicherheitsventils so ausbilden, daß sit nach dem Verriegeln niemals wieder entriegelt werdei kann. Nach dem hintreten ?iner beschädigung wir« dann das Bohrloch durch Eindringen von Zcmcn

4". verschlossen. Die Verwendung einer Verriegclungsvor richtung, die nach dem Verriegeln nicht wicde entriegelt werden kann, kann sich auch dann al zweckmäßig erweisen, wenn /u erwarten ist, daß da Eindringen von Flüssigkeit in das Bohrloch dii Produktivität erheblich beeinträchtigt, so daß da Eindringen einer solchen Flüssigkeit von obe~ nacl unten durch das Sicherheitsventil hindurch vermiedei werden muß. Eine solche Verriegelungsvorrichtuni kann mit Vorsprängen versehen sein, bei der dii Flächen, welche mit der Schulter 20 zusammenarbeite! sollen, in einer Ebene liegen, die im rechten Winkel zu Mittelachse der Ventilstange 7 verläuft.

Bei einer abgeänderten Konstruktion ist die Verrie gelungsvorrichtung 13 durch eine nicht dargestellti

öo zusammengedrückte Feder ersetzt die durch dii Aufwärtsbewegung der Ventilstange 7 freigegebei wird. Diese Feder kommt nach ihrer Freigabe mit eine Kraft zur Wirkung, die gleich der Kraft oder größer al die Kraft ist, welche durch die Feder 9 auf dii

b5 Ventilstange 7 ausgeübt wird.

Die Feder 9 kann durch andere Einrichtungen ersetz sein, die geeignet sind, eine Kraft zu entwickeln, durcl weiche das Ventilteil 5 in Richtung auf seim

Öffnungsstellung vorgespannt wird. Bei einer solchen Einrichtung kann es sich z. B. um ein Gewicht handeln, das mit dem Ventilteil 5 verbunden ist, z. B. um ein zylindrisches Bauteil von ausreichendem Gewicht, welches die Ventilstange 7 umschließt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Sicherheitsventil zum Verhindern des Austretens eines zu starken Fluidstromes aus einer produzierenden Tiefbohrung, mit einem einen axialen Kanal aufweisenden Gehäuse, einer Kupplung zum Anschluß des Kanals an einen Produktionsrohrstrang, einem Ventilsitz an einem Kanalende einem dem Ventilsitz zugeordneten und im Gehäuse zwischen einer Offen- und einer Schließstellung bewegbaren, auf einer Ventilstange angeordneten Ventilkörper und einer den Ventilkörper in Offenstellung vorspannenden Feder oder dergl, wobei der Gehäusekanal mit der Außenseite des Gehäuses über einen zwischen der Offenstellung und Schließstellung des Ventilkörpers im Gehäuse ausgebildeten Durchlaß verbunden ist, gekennzeichnet durch eine das Ventil in Schließstellung verriegelnde Vorrichtung (13), deren einer Teil an der V^ntilstange (7) und deren anderer Teil auf der innenseile aes Gehäuses (i) angebracht sind.

2. Sicherheitsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verriegelungsvorrichtung (13) nachgiebige Finger (15) aufweist, die mit ihrem einen Ende mit der Ventiistange (7) verbunden sind und die an ihren anderen E^iden Vorsprünge (16) aufweisen, mit denen sie in der Schließstellung des Ventilkörpers (5) an einer Schulter (20) auf der Innenseite des Gehäuses (1) verriegelbar sind.