DE3305273A1 - Sicherheitsventil fuer bohrloecher - Google Patents

Description

Sicherheitsventil für Bohrlöcher

Die vorliegende Erfindung betrifft von der Oberfläche aus gesteuerte Sicherheitsventile für Öl- und Gasbohrlöcher.

Von der Oberfläche aus gesteuerte unterirdische Sicherheitsventile werden in Bohrlöchern unterschiedlicher Art vorgesehen, um das Bohrloch zu schützen, falls eine Gefahrensituation an der Oberfläche auftritt. Die US-PS 3 703 193 offenbart hierzu ein typisches Kugelventil mit einer Ausgleichsmechanik. Die US-PS 3 826 462 zeigt eine alternative Konstruktion für ein solches Sicherheitsventil, während die US-PS 3 865 141 für diesen Zweck ein Klappenventil mit einem Druckausgleichssystem angibt, infolgedessen das Ventil nach einem Schließen wieder geöffnet werden kann, während das Schadensrisiko des Klappenelements und/oder des Arbeitsrohrs sehr gering bleibt.

Die vorliegende Erfindung schafft ein von der Oberfläche gesteuertes unterirdisches Sicherheitsventil mit einem Verschluß in der Art eines Kugelventils zur Steuerung

der Fluidströmung mit einem Gehäuse mit einem längs durch dieses verlaufenden Durchflußkanal, einem Arbeitsrohr mit an diesem angebrachtem Kolbenansatz, das gleitend verschiebbar im Längskanal angeordnet ist, wobei der Ventilverschluß im Längskanal angeordnet ist, mit einer Einrichtung, die einen Steuerfluiddruck auf den Kolbenansatz aufbringt, einer Einrichtung, die den Ventilverschluß mit dem Arbeitsrohr verbindet, so daß die Längsbewegung des Arbeitsrohrs eine Längsbewegung des Ventilverschlusses im Gehäuse bewirkt, ferner mit einer Vorspanneinrichtung, die eine Kraft entgegen der Längsbewegung des Ventilverschlusses in einer Richtung erzeugt, wobei die Vorspanneinrichtung eine Längsbewegung eines Teils des Ventilverschlusses in der anderen Richtung bewirkt, umeine Fluidströmung durch diesen zu erlauben, nachdem ein Unterschied der Fluiddrücke beiderseits des Ventilverschlusses ausgeglichen worden ist.

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind unter anderem, daß ein Ventilverschluß in Art eines Kugelventils vorgesehen ist, der sich mit minimalem Schadensrisiko für die Kugel und die zugehörigen Bauteile wieder öffnen läßt, und ein Druckausgleichssystem, das ein beliebiges Druckgefälle über dem Verschluß vor dem Auftreten von Kräften ausgleicht, die die Kugel in ihre Offenstellung drehen, und das den Verschluß unabhängig vom von der Oberfläche dem Sicherheitsventil zugeführten Steuerfluiddruck vor einer zu hohen Kraft schützt. Weiterhin bringt eine Ventil-Betätigungseinrichtung eine relativ konstante gleichmäßige Kraft auf, um einen Ventilverschluß in der Art eines Kugelventils unabhängig von Änderungen des Drucks des Steuerfluids oder des Bohr-

lochfluids aus der Schließ- in die Offenstellung zu drehen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine teilgeschnittene Aufrißdarstellung einer typischen Bohrlochanlage mit einem von der Oberfläche aus gesteuerten unterirdischen Sicherheitsventil;

Fig. 2A, 2B, 2C und 2D sind Längsschnittdarstellungen durch ein unterirdisches Sicherheitsventil mit dem Ventilverschluß in der ersten bzw. Schließstellung;

Fig. 3A, 3B/ 3C sind teilweise weggebrochene Längsschnittdarstellungen und zeigen das Sicherheitsventil der Fig. 2A-D mit dem Ventilverschluß in der zweiten bzw. Druckausgleichsstellung;

Fig. 4A und 4B sind teilweise weggebrochene Längsschnittdarstellungen und zeigen das Sicherheitsventil der Fig. 2A-D mit dem Ventilverschluß in der dritten bzw. Offenstellung;

Fig. 5 ist eineLängsschnittdarstellung des

oberen bewegbaren Ventilsitzes, der Teil des Ventilverschlusses ist;

Fig. 6 ist eine Stirndraufsieht des in Fig. 5

gezeigten oberen bewegbaren Ventilsitzes;

Fig. 7 ist eine Längsschnittdarstellung eines

Drehrohrs, das gleitend verschiebbar auf

das Kugele leinen t des in der Fig. 4a gezeigten Ventilverschlusses aufgesetzt ist;

Fig. 8 ist ein waagerechter Schnitt auf der Ebene 8-8 der Fig. 7;

Fig. 9 ist eine isometrische Darstellung des Schwenkarms, mit dem das Kugelelement des in Fig. 4A gezeigten Ventilverschlusses gedreht wird;

Fig. 10 ist eine teilweise weggebrochene isometrische Darstellung des in Fig. 2C gezeigten Ventilverschlusses;

Fig. 11 ist ein waagerechter Schnitt auf der Linie 11-11 der Fig. 4A.

Eine typische Bohrlochanlage mit einem von dar Oberfläche aus gesteuerten Sicherheitsventils 20 ist in der Fig. 1 gezeigt. Das Bohrloch ist teilweise mit einem Rohr 21 ausgekleidet, das von der Oberfläche 22 zur unterirdischen Lagerstätte eines Kohlenwasserstoffs (nicht gezeigt) verläuft. Der Rohrstrang 23 ist in der Auskleidung 21 angeordnet und leitet das Förderfluid zur Oberfläche. Eine Dichtung 24 bildet eine Sperre zwischen der Außenfläche des Rohrstrangs 23 und der Innenfläche der Auskleidung 21, um die Strömungsverbindung aus der Lagerstätte zur Oberfläche des Bohrlochs zwangsweise über den Rohrstrang 23 zu führen. Die Ventile 25, 26 sind an der Bohrlochoberfläche vorgesehen und steuern die Strömung im Rohr'.trang 23. Das Sicherheitsventil 20 ist offenbar im Rohrstrang 23 angeordnet, um diesen zu sperren, falls am Schachtaufsatz 22 ein Schaden oder eine Gefahrensituation auftritt. Die US-PS 3 826 462 offenbart hierzu einen Sperrdorn und einen Auflagenippel,

die verwendet werden können, um das Sicherheitsventil in den Rohrstrang 23 einzufügen.

Der Fluiddruck wird vom Schachtkopf zum Sicherheitsventil 20 durch eine Leitung 27 mit geringem Durchmesser geführt, um das öffnen und Schließen des Sicherheitsventils 20 zu steuern. Die Verteilereinheit 28 enthält die Pumpen, Sammler, Ventile und Fühler, die normalerweise einem von der Oberfläche aus gesteuerten unterirdischen Sicherheitsventil zugeordnet sind.

Die Fig. 2A bis 2D zeigen das Sicherheitsventil 2 0 in seiner ersten bzw. geschlossenen Stellung. Das Sicherheitsventil 20 ist so konstruiert, daß, wenn der Druck des Steuerfluids in der Leitung 27 einen vorbestimmten Wert übersteigt, das Sicherheitsventil 20 öffnet und eine Strömungsverbindung durch den Rohrstrang 23 herstellt. Sinkt der Steuerfluiddruck in der Leitung 27 unter einen vorgewählten Wert, sperrt das Sicherheitsventil 20 den Rohrstrang 23 ab. Das Sicherheitsventil wird gebildet von einer Gehäuseanordnung 30, die mehrere Untereinheiten aufweist, um die Herstellung und den Zusammenbau zu erleichtern. Jede Untereinheit ist im Prinzip ein Hohlzylinder mit ineinanderpassenden Gewinden an den beiden Enden. Infolge der Gewinde 31 läßt jede Unteranordnung sich konzentrisch mit den angrenzenden Untereinheiten anordnen und zusammensetzen. Die resultierende Gehäuseanordnung 30 ist ein verhältnismäßig langer Zylinder mit einem allgemein konstanten Außendurchmesser und einem durchgehenden Längskanal 32. O-Ringe

bzw. Dichtringe 33 sind an jeder Gewindeverbindung vorgesehen, um eine Drucksperre zwischen dem Inneren und Äußeren der Gehäuseanordnung 30 herzustellen.

An den äußersten Enden der Gehäuse-Untereinheit 30a befindet sich das Gewinde 35, mit dem das Sicherheitsventil 20 an einen herkömmlichen Sperrdorn (nicht gezeigt) angebracht werden kann. Der Sperrdorn dient dazu, das Sicherheitsventil 20 lösbar im Rohrstrang 23 festzulegen. Die Dichtung 34 auf der Außenfläche der Gehäuse-Untereinheit 30b wirkt mit einer ähnlichen Dichtung {nicht gezeigt) auf dem Sperrdorn zusammen, um die Fluidströmung aus der Leitung 27 zur öffnung 36 im Außenraum um die Gehäuse-Untereinheit 30a zu führen. Verschiedene alternative Lösungen sind bekannt und lassen sich mit der vorliegenden Erfindung zusammen einsetzen, um das Steuerfluid von der Oberfläche zur Öffnung zu führen. Die Dichtung 34 sperrt weiterhin das Steuerfluid gegen das Förderfluid im Rohrstrang 23 ab und richtet letzteres in den Längskanal 32.

Das Arbeitsrohr 40 ist gleitend verschiebbar im Gehäuse angeordnet. Um es leichter herstell- und zusammensetzbar zu machen, ist das Arbeitsrohr 40 aus den Untereinheiten 40a, 40b, 40c zusammengesetzt. Die Untereinheiten sind jeweils Rohre bzw. Hohlzylinder, die mit der jeweils anschließenden Untereinheit verbunden und konzentrisch mit ihr ausgerichtet sind. Das Innere des Arbeitsrohrs 40 bildet teilweise den Hauptströmungsweg (Längskanal 32) für das Förderfluid im Sicherheitsventil 20.

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Ein Ansatz 41 ist als Kolben außen am Betatxgungsrohr bzw. der Untereinheit 40a angebracht und bildet einen Teil derselben. Der Kolbenansatz 41 und die Arbeitsrohr-Untereinheit 40a sind gleitend verschiebbar in der Gehäuse-Untereinheit 30a angeordnet.

Eine ortsfeste Dichtung bzw. ein O-Ring 42 ist auf der Innenwand der Gehäuse-Untereinheit 30a angeordnet, bildet einen i: 1 aiddichten Abschluß zum Äußeren des Rohres und ist längsbeabstandet vom Kolbenansatz 41. Eine Steuerfluidkammer 4 3 mit veränderbarem Volumen wird teilweise von der ortsfesten Dichtung 42 und der Kolbeneinrichtung 41 umschlossen. Die öffnung 36 in der Wand der Untereinheit 30a führt das Steuerfluid von der Leitung 2 7 zur Steuerkammer 43. Die Kammer 43, die öffnung 36 und die Leitung 27 bilden gemeinsam eine Einrichtung, die den Kolbenansatz 41 mit Steuerdruck zu beaufschlagen gestattet.

Die Rohr-Untereinheit 40a stößt an der Untereinheit 40b mit der Schulter 44 im Ende 45 der Untereinheit 40b an. Auf die gleiche Weise stößt die Untereinheit 40b an der Untereinheit 40c an der Schulter 46 im Ende 4 7 an. Die Enden 45, 4 7 sind mit vergrößertem Innendurchmesser ausgeführt, um die Zylinder 40a bzw. 40b aufnehmen zu können. Die Enden 45, 4 7 sind auch mit vergrößertem Außendurchmesser als der Rest des Rohres 40 ausgeführt. Diese Aufweitungen der Enden 45, 4 7 führen zur Bildung von außenliegenden Schultern 48, 4 9, an die sich eine elastische Einrichtung 50 anlegen kann. Die Gehäuse-Untereinheiten 30b, 30c umgeben die elastische Einrichtung 50 und den Haupttoil der Zylinder 40b bzw. 40c. Die Gehäuse-

Untereinheit 30b, die mit der Untereinheit 30c verschraubt ist, bildet die Schulter 51 auf der Innenfläche der Untereinheit 30b. Die Schulter 52 ist entsprechend auf der Innenfläche der Gehäuse-Untereinheit 30c vorgesehen. Die elastischen Einrichtungen 50 sind zwischen die beiden Schultern 48, 51 eingefügt und die Schultern 4 9, 52 umgeben die Außenfläche des Arbeitsrohrs 40. Die elastischen Einrichtungen 50 wirken den Kräften entgegen, die auf das Arbeitsrohr 4 0 infolge des Steuerfluiddrucks in der Kammer 43 wirken. Indem man zusätzliche Gehäuse-Untereinheiten - wie beispielsweise 4 0b - vorsieht/ läßt sich die Anzahl der elastischen Einrichtungen 50 der jeweiligen Bohrlochanlage anpassen.

Ein oberer bewegbarer Ventilsitz (erste Sitzeinrichtung) 60 ist auf das Ende der Arbeitsrohr-Untereinheit 40c der Untereinheit 40b entgegengesetzt aufgeschraubt. Die Fig. und 6 zeigen den oberen Ventilsitz 60 vergrößert. Der Sitz 60 ist allgemein zylindrisch ausgeführt, wobei die Verschlußfläche 6 2 einen Radius entsprechend der Außenkontur der Kugel 70 aufweist. Die Fläche 62 ist vorzugsweise aus einem Hartmetall ausgebildet, um den dichten Abschluß zur Außenfläche der Kugel 70 aufrechtzuerhalten. Wenn die Kugel 70 so gedreht wird, daß ihre Bohrung 71 im rechten Winkel zum Längskanal 32 verläuft, wirken die Kugel 70 und die Verschlußfläche 6 2 zusammen, um eine Förderfluidströmung durch das Sicherheitsventil 20 zu verhindern.

Weiterhin trägt der obere Ventilsitz 60 eine Ringdichtung 63, die an einer passend ausgebildeten Sitzfläche 64 auf der Innenfläche der angrenzenden Gehäuse-Untereinheit 3Od aufliegt. Vorzugsweise sind die Dichtung 63 und die Fläche 64 aus gehärtetem Metallwerkstoff ausgebildet. Man kann jedoch für die Dichtung 6 3 oder die Fläche 64 auch ein elastomeres Material verwenden. Die Dichtung 6 3 und die Fläche 6 4 stellen gemeinsam mit der ersten Öffnungsanordnung 65 eine Einrichtung dar, die dem Sicherheitsventil 20 einen Ausgleich von Druckdifferenzen beiderseits der Kugel 70 gestattet.

Wenn das Arbeitsrohr 40 sich in einer Längsrichtung bewegt, lösen die Dichtung 6 3 und die Fläche 64 sich voneinander, bevor die Kugel 70 zu drehen beginnt. Wenn sie einander nicht mehr berühren, kann das Förderfluid an der Kugel 70 vorbei durch die Öffnung 6 5 in den Längskanal 32 über der Kugel 70 eintreten. Eine zweite Öffnung 66 ist in der Gehäuse-Untereinheit 3Oe vorgesehen und sichert eine Ströniungsverbindung durch die Gehäuseanordnung 30 zu den Öffnungen 65. Auf diese Weise wird ein Druckunterschied über der Kugel 70 und der Dichtfläche 6 2 sich ausgleichen, bevor die Kugel 70_vdreht, um die Bohrung 71 mit dem Längskanal 32 auszurichten. Steigt der Steuerfluiddruck in der Kammer 4 3 über einen vorgewählten Wert, wird die elastische Einrichtung 50 übersteuert und das Arbeitsrohr 40 längs in der einen Richtung verschoben, um den Ausgleichsströmungsweg zu öffnen. Dieser Ausgleichsströmungsweg vom Äußeren der Gehäuseanordnung 30 über die Öffnungen 66, 65 zum Längskanal 32 ist deutlich in der Fig. 3B gezeigt.

Die herkömmlichen Sicherheits-Kugelventile, wie sie die US-PS 3 703 193 zeigt, verwenden die gleiche Längsbewegung des Arbeitsrohrs, um den Ausgleichskanal zu öffnen und;die Kugel in die Offenstellung zu drehen. Sicherheitsventile dieser herkömmlichen Konstruktion können aber durch zu hohen Steuerfluiddruck beschädigt werden, indem dieser das Arbeitsrohr zwingt zu versuchen, die Kugel zu drehen, bevor der Druckunterschied über ihr sich ausgeglichen hat. Der Steuerfluiddruck in der Kammer 43 nach der vorliegenden Erfindung kann zwar die Kugel 70 in Längsrichtung innerhalb der Gehäuse-Untereinheit 3Oe bewegen, dreht jedoch die Kugel 70 nicht in ihre Offenstellung.

Der Abstandsring 72 ist gleitend verschiebbar auf die Arbeitsrohr-Untereinheit 40a auf der der Kammer 43 entgegengesetzten Seite des Kolbenansatzes 41 aufgesetzt. Die Schulter 73 ist auf der Innenfläche der Gehäuseeinrichtung 30 ausgebildet und bei in der ersten bzw. Schließstellung befindlichem Sicherheitsventil 20 vom Abstandsring 72 in Längsrichtung beabstandet. Die Schulter 73 und der Abstandsring 72 bestimmen gemeinsam den maximalen Bewegungshub des Arbeitsrchrs 40 in der einen Richtung in der Gehäuseanordnung 30. Die durch einen zu hohen Steuerfluiddruck in der Kammer 4 3 ausgeübte Kraft wird also vom Kolbenansatz 41 über den Abstandsring 72 und die Schulter 73 unmittelbar auf die Gehäuseanordnung 30 übertragen und wirkt nicht auf die Kugel 70. Unterschiedliche Kombinationen von Abstandsringen und Schultern sind abhängig vom erwünschten Bewegungshub des Arbeitsrohrs 40 möglich. Weiterhin kann man die Schulter und den Kolbenansatz 41 so anordnen, daß die Notwendig-

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keit für einen Abstandsring 72 entfällt.

Der Ventilverschluß 55 für das Sicherheitsventil 20 weist eine erste Sitzeinrichtung 60, das Kugelelement 70 sowie zwei zwischen diese gelegte Schwenkarme 74 auf. Die Bohrung 71 verläuft radial durch die Kugel 70 und ist in der Größe dem Längskanal 32 entsprechend ausgeführt. Die Abflachungen 75 sind parallel zueinander auf gegenüberliegenden Seiten der Kugel 70 eingearbeitet. Zwei kleine Öffnung 76 sind durch gegenüberliegende Seiten der Kugel 70 im rechten Winkel zu ihrer zugehörigen Abflachung 75 und Bohrung 71 eingebohrt. Jeder Schwenkarm 74 hat einen Lagerzapfen 77, der von ihm absteht und so groß ausgeführt ist, daß er in die Öffnung 76 paßt. Ein Absatz 78 ist am Ende jedes Schwenkhebels 74 ausgebildet und steht aus der gleichen Fläche wie der Zapfen 77 vor. Der Ansatz 78 ist so bemessen, daß er von einer Ringnut in der Außenfläche des bewegbaren Ventilsitzes 60 aufgenommen werden kann. Die Einschnitte 80 im Ende des Ventilsitzes 6 0 sind zum Zusammensetzen des Ventilsitzes 60, des Schwenkarrns 74 und der Kugel 70 vorgesehen, wie in Fig. 10 gezeigt. Der Ventilsitz 60 und die Schwenkarme 74 stellen gemeinsam eine Einrichtung dar, die den Ventilverschluß 55 mit dem Arbeitsrohr 40 so verbindet, daß eine Längsbewegung des Rohres 4 0 eine Längsbewegung des Ventilverschlusses 55 in der Gehäuseanordnung 30 verursacht .

Der Ventilverschluß 55 weist weiterhin ein Drehrohr 81 auf, das gleitend verschiebbar in der Gehäuse-Untereinheit 30a sitzt und die Kuael 70 und den Ventilsitz 60

umgibt. Das Drehrohr 81 ist als Hohlzylinder ausgestaltet, in dessen Wandung zwei diametral gegenüberliegende rechteckige Längsschlitze 82 eingeschnitten sind. Die Sehwenkarme 74 sind so bemessen, daß sie sich in den Schlitzen 82 längsverschieben können. Zwei Drehzapfen stehen in die Bohrung des Drehrohrs 81 seitlich der Schlitze 82 und aus der Mittellinie des Drehrohrs 81 versetzt vor. Ein schrägverlaufender Schlitz 84 ist in jede Kugelfläche 75 aus der zugehörigen Öffnung versetzt eingefräst. Die Drehzapfen 83 sind dabei so bemessen, daß sie in einen zugeordneten der Schlitze hineinpassen. Mit dieser Konstruktion erhält man eine Drehung der Kugel 70 um die Lagerzapfen 77 bei einer Längsbewegung der Drehzapfen 83 bezüglich der Lagerzapfen 77. Diese Relativ-Längsbewegung läßt sich bewerkstelligen, indem man die Schwenkarme 74 relativ zur Gehäuse-Anordnung 30 festhält und das Drehrohr 81 verschiebt oder indem man das Drehrohr 81 relativ zur Gehäuseanordnung 30 festhält und die Schwenkarme 74 verschiebt. Der Hub dieser Relativ-Längsbewegung wird bestiitint durch die Länge der Schlitze 82 und der Schwenkarme 74 .

Der Drehrohr 81 sitzt auf der Scheibe 85 auf. Zum leicheren Zusammenbau sind das Rohr 81 und die Scheibe 85 als zwei separate Teile ausgeführt. Eine Vorspanneinrichtung bzw. eine Schraubenfeder 88 ist in der Gehäuse-Untereinheit 3Oe zwischen der Scheibe 85 und der Innenschulter der Gehäuse-Untereinheit 3Of eingesetzt. Wenn das Arbeitsrohr 40 in der einen Richtung eine Längsbewegung ausführt, wird durch das Anliegen der Verschlußfläche 62 auf der Außenfläche der Kugel 70 und den Eingriff der Schwenkarme

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mit den öffnungen 76 Kraft auf die Kugel 70 übertragen. Infolge dieser beiden Verbindungen wird die Kugel 70 zwar in Längsrichtung verschoben, nicht aber gedreht. Das Arbeitsrohr 40 berührt das Drehrohr 81 jedoch nicht unmittelbar. Die Vorspanneinrichtung 88 bringt Kraft auf das Drehrohr 81 über die Scheibe 85 auf, so daß das Drehrohr 81 auf der Innenschulter 99 der Gehäuse-Untereinheit 3Od gehalten wird. Besteht kein Unterschied des Fluiddrucks zwischen dem Äußeren der Dichtfläche 62 und dem Äußeren der Kugel 70, bewirkt eine Längsbewegung des Arbeitsrohrs 40 in der einen Richtung eine Bewegung der Kugel 70 in der gleichen Längsrichtung. Da die Vorspanneinrichtung 88 das Drehrohr 81 relativ zur Gehäuseeinrichtung 30 festhalten will, bewirkt diese Längsbewegung eine Relativbewegung zwischen den Zapfen 77, 83, so daß die Kugel dreht und die Bohrung 71 mit dem Längskanal 32 ausgerichtet wird.

Falls ein Druckunterschied zwischen der Dichtfläche 62 und dem Äußeren der Kugel 70 vorliegt, verhindert dieser Druckunterschied eine Drehung der Kugel 70, indem die gegenseitige Uerührung zwischen Fläche 62 und Kugel 70 erhalten bleibt. Wenn"die Kugel 70 nicht drehen kann, werden die durch die Längsbewegung der Kugel 70 in der einen Richtung erzeugten Kräfte vom Zapfen 83 auf das Drehrohr 81 übertragen. Falls diese Kraft diejenige Kraft übersteigt, mit der die Vorspanneinrichtung bzw. Feder 88 das Drehrohr 81 auf die Schulter 9 9 drückt, wird das Drehrohr 81 sich in der Gehäuseanordnung 30 in der einen Richtung Icings bewegen und dabei die Fedor 88 komprimieren. Die Feder 88 begrenzt also den maximalen Druckunterschied, der vorliegen kann, während die Kugel 70 relativ zur Dichtfläche 62 sich dreht.

Diese Besonderheit stellt einen Schutz der Dichtfläche 62 und der Kugel 70 gegen einen Strömungsabriß dar, der auftritt, wenn Kugelventile bei zu hohem Druckunterschied geöffnet werden.

Die Feder 88 begrenzt weiterhin die Kraft, die auf die Zapfen 77, 83 wirken kann. Wie bereits erwähnt, begrenzt der Abstandsring 72 den Bewegungshub des Arbeitsrohrs 40 in der einen Richtung. Indem man die Länge der Feder 88 entsprechend wählt, kommt das Arbeitsrohr 40 zum Stillstand, bevor die Windungen der Feder 88 vollständig aufeinander liegen. Die maximale Kraft, die auf die Zapfen 77, 83 aufgebracht werden kann, ist also direkt proportional der Federkonstante für die Vorspanneinrichtung 88, multipliziert mit der Auslenkung. Die vorliegende Erfindung erlaubt, das Sicherheitsventil 20 so zu konstruieren, daß die Kugel 70 bei zu hohem Druckunterschied nicht in die Offenstellung gedreht und auch die Zapfen 77, 83 nicht zu stark beaufschlagt werden können.

Ein unterer bewegbarer Ventilsitz (zweite Sitzeinrichtung) 90 ist innerhalb des Längskanals 32 auf der dem oberen Ventilsitz 60 gegenüberliegenden Seite der Außenfläche der Kugel 70 angeordnet. Der Hauptzweck des unteren Ventilsitzes 90 ist, die Ventilverschlußvorrichtung 55 vor Schaden durch Sand oder andere teilchenförmige Fremdstoffe zu schützen. Der Ventilsitz 90 ist ein allgemein zylindrisches Hohlrohr, das gleitend verschiebbar durch die Scheibe 85, der Vorspannvorrichtung 88 und die Gehäuse-Untereinheiten 3Oe, 30f verläuft. Der Flansch 91 ist auf demjenigen Ende des Ventilsitzes 90 ausgebildet, das an der

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Kugel 70 anliegt. Eine Wisch- bzw. Dichtfläche 92 entlang der Innenkante des Flansches 91 hat einen Radius entsprechend der Außenkontur der Kugel 70. Der Flansch 91 bildet weiterhin auf der Außenseite des Ventilsitzes 90 eine Schulter 93. Eine leichte Schraubenfeder 94 umgibt die Außenfläche zwischen der Schulter 93 und der Scheibe 85. Die Feder 94 hält die Wischfläche 92 in Berührung mit der Kugel 70, während diese dreht und sich in der Gehäuseanordnung 30 längs bewegt. Ein Dichtring 95 ist auf der Innenseite der Gehäuse-Untereinheit 3Of vorgesehen und liegt auf der Außenfläche des Ventilsitzes 90 auf. Die Wischfläche 92 und der Dichtring 95 wirken zusammen, indem sie Sand und andere teilchenförmige Fremdstoffe daran hindern, sich um die Feder 88 herum anzusammeln und zu verhindern, daß sie sich weit genug zusammendrücken läßt. Die Öffnungsanordnung 66 in der Gehäuse-Untereinheit 3Oe eliminiert weiterhin die Notwendigkeit für eine Strömung des Förderfluids von unter der Kugel 70 her, während die Druckdifferenz über dem Sicherheitsventil 20 ausgeglichen wird. Der Ausgleichsströniungsweg gibt dem Sand nur eine minimale Möglichkeit, sich um die Feder 88 herum anzusammeln.

In der Fig. 2A, B, C und D ist das Sicherheitsventil 20 in seiner ersten oder geschlossenen Stellung gezeigt. Die Strömung des Förderfluids im Längskanal 32 wird gesperrt, da die Kugel 70 mit der Außenfläche die Verschlußfläche 62 und die Ringdichteinrichtung 63 die Sitzfläche, berühren und so der ^usgleichsweg blockiert ist. Eine elastische Einrichtung 50 hat das Arbeitsrohr 40 in der anderen Richtung verschoben und dabei Steuerfluid aus der Kanuner 4 3 verdrängt.

Im allgemeinen wird, wenn das Sicherheitsventil 20 sich in einem Förderschacht schließt, ein Druckunterschied sich rasch über der Verschlußfläche 6 2 aufbauen, der die Sicherheitsgrenze für eine Drehung der Kugel 70 übersteigt. Das Sicherheitsventil 20 läßt sich wieder öffnen, indem man von der Oberfläche über die Leitung 27 und die Öffnung 36 die Kammer 43 mit Steuerfluiddruck beaufschlagt, übersteigt die Kraft des auf den Kolbenansatz 4 1 wirkenden Steuerfluiddrucks die von der elastischen Einrichtung 50 ausgeübte Kraft, läuft das Arbeitsrohr 40 in Längsrichtung in der einen Richtung, wie in Fig. 3A gezeigt. Diese Längsbewegung des Arbeitsrohrs 40 in der einen Richtung dauert an, bis der Abstandshalter 72 auf der Schulter 73 aufliegt, wie in Fig. 3B gezeigt. Wie bereits erwähnt, stellt der obere bewegbare Ventilsitz 60 ein Mittel dar, um das Arbeitsrohr 40 mit dem Ventilverschluß 55 zu verbinden, so daß die Längsbewegung des Arbeitsrohrs 40 eine Längsbewegung des Ventilverschlusses 55 in der Gehäuseanordnung 30 bewirkt. Die Längsbewegung des Arbeitsrohrs 40 in der einen Richtung öffnet folglich den Ausgleichsweg über die Öffnungsanordnung 65, 66. Wie bereits erwähnt, wirken die Vorspanneinrichtung 88 und das Drehrohr 81 zusammen, um eine Drehung der Kugel 70 zu verhindern, solange der Druckunterschied über der Verschlußfläche 62 eine vorgewählte Sicherheitsgrenze übersteigt. Die Vorspanneinrichtung bzw. Feder 88 erzeugt eine Kraft, die der Längsbewegung des Ventilverschlusses 55 in der einen Richtung entgegenwirkt. Das Arbeitsrohr 40 kann die Feder 88 übersteuern, so daß eine Längsbewegung in der einen Richtung des Drehrohrs von der Schulter 9 9 hinweg möglich wird, wie in Fig. 3B gezeigt. Die Kugel 70 bleibt dabei mit ihrer Außenfläche mit. der Verschlußfläche 62 in dicht abschließender Berührung, wie in Fig. 3C gezeigt, bis der Druckunterschied

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über der Grenzfläche wieder unter die Sicherheitsgrenze für das Drehen der Kugel 70 abgefallen ist.

Indem man den Steuerfluiddruck in der Kammer 43 über einem vorgewählten Wert hält, bewegt das Arbeitsrohr sich in der einen (Längs-)Richtung über seine maximale erlaubte Bewegungsstrecke und bleibt dann relativ zur Gehäuseanordnung 30 ortsfest. Nachdem die Druckdifferenz wieder unter den vorgewählten Wert gefallen ist, kann die Vorspanneinrichtung 88 das Drehrohr 81 in der anderen Richtung zur Schulter 99 hin verschieben. Wie bereits erwähnt, können die Schwenkarme 74 in Längsrichtung in den Schlitzen 82 gleiten, wobei eine Relativbewegung zwischen den Zapfen 77, 83 erfolgt. Diese Relativbewegung bewirkt eine Drehung der Kugel 70, infolge der die Bohrung 71 mit dem Längskanal 32 ausgerichtet und das Sicherheitsventil 20 vollständig geöffnet wird, wie in Fig. 4A gezeigt. Die auf die Zapfen 77, 83 aufgebrachte Kraft wird von der Feder 88 während sowohl der Längsbewegung als auch der Drehung der Kugel 70 immer auf einem sicheren Wert gehalten.

Um das Ventil 20 zu schließen, nimmt man von der Oberfläche her den Steuerfluiddruck von der Leitung 27 ab. Die elastische Einrichtung 50 bewegt das Arbeitsrohr in der anderen Richtung, so daß der Kolbenansatz 41 Steuerfluid aus der Kammer 43 verdrängt. Die Bewegung des Arbeitsrohrs 4 0 in der anderen Richtung wird von den Schwenkarmen 74 auf die Kugel 70 übertragen; die Bewegung des Drehrohrs 81 in der anderen Richtung wird jedoch von der Innenschulter 9 9 verhindert. Die Schwenkarme 74 können folglich in den Schlitzen 82 in der an-

deren (Längs-)Richtung sich verschieben, und diese Längsbewegung in der anderen Richtung bewirkt eine Relativbewegung zwischen den Zapfen 77 und 83, infolge der die Kugel 70 gedreht wird und deren Bohrung 71 in eine zum Längskanal 32 rechtwinklige Lage dreht; verg.l. Fig. 2C, Die Längsbewegung des Arbeitsrohrs 40 in der anderen Richtung führt dann auch dazu, daß die Ringdichtungseinrichtung 6 3 sich auf die Sitzfläche 64 auflegt und der Ausgleichsweg gesperrt wird.

Die. Längsbewegung des Arbeitsrohrs 4 0 in der einen Richtung bringt also das Sicherheitsventil aus der ersten in die zweite Stellung. Die Vorspanneinrichtung 88 schiebt das Drehrohr 81 in die andere Längsrichtung, um das Sicherheitsventil 20 aus der zweiten in die dritte Stellung zu bringen. Die Längsbewegung des Arbeitsrohrs 40 in der anderen Richtung bringt das Sicherheitsventil 20 aus der dritten in seine erste Stellung zurück.

Falls erwünscht, kann man die öffnungseinrichtung 65 aus der Arbeitsrohr-Untereinheit 4 0c fortlassen und dann die Ringdichtung 63 und die zu ihr gehörige Dichtfläche 64 durch geeignete ausgebildete Anschlagschultern ersetzen. Läßt man die Ausgleichseinrichtung auf diese Weise fortfallen, kann man die Erstellungskosten für das Sicherheitsventil 20 wesentlich senken. Die Fluiddruckunterschiede über der Kugol 70 lassen sich egalisieren, indem man im Rohrstrang 2 3 von der Oberfläche aus abwärtspumpt, wenn man keine Öffnungseinrichtung 6 5 verwendet. Die Vor-

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spanneinrichtung 8 8 schützt dann die Kugel 70 und die ihr zugeordneten Konstruktionsteile dennoch vor einem zu hohen Druck des Steuerfluids und/oder vor einer zu hohen Fluiddruckdifferenz über ihr, obgleich die öffnungseinrichtung 6 5 nicht mehr vorliegt.

Leerseite

Claims (12)

Patentansprüche

1. Von der Oberfläche aus gesteuertes unterirdisches Sicherheitsventil mit einem Verschluß in Form eines Kugelventils zur Steuerung der Förderfluidströmung, gekennzeichnet durch eine Gehäuseanordnung mit einem durch diese verlaufenden Längskanal, ein Arbeitsrohr mit einem Kolbenansatz, das im Längskanal gleitend verschiebbar angeordnet ist, wobei der Ventilverschluß sich innerhalb des Längskanals befindet, durch Mittel, um den Kolbenansatz mit einem Steuerfluiddruck zu beaufschlagen, eine Einrichtung, die den Ventilverschluß mit dem Arbeitsrohr so verbindet, daß eine Längsbewegung des Arbeitsrohrs eine Längsbewegung des Ventilverschlusses in der Gehäuseanordnung bewirkt, und durch eine Vorspanneinrichtung, die eine der Längsbewegung des Ventilverschlusses in der einen Richtung entgegenwirkende Kraft erzeugt und eine Längsbewegung eines Teils des Ventilverschlusses in der

anderen Richtung bewirkt, um eine Fluidströmung durch diesen zu erlauben, nachdem ein etwaiger Fluiddruckunterschied zwischen den beiden Seiten des Ventilverschlusses ausgeglichen worden ist.

2. Sicherheitsventil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Ausgleichseinrichtung, die von der Längsbewegung des Arbeitsrohrs in der einen Richtung geöffnet wird, wobei die Längsbewegung des Arbeitsrohrs in der einen Richtung den Ventilverschluß aus der Schließ- in seine Ausgleichsstellung bringt und die Vorspanneinrichtung einen Teil des Ventilverschlusses in Längsrichtung in der entgegengesetzten Richtung bewegt, um den Ventilverschluß aus der Ausgleichs- in seine Offenstellung zu bringen.

3. Sicherheitsventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichseinrichtung eine Ring-Dichtungseinrichtung, die auf der Außenseite des Ventilverschlusses ausgebildet ist, eine auf der Innenfläche der Gehäuseanordnung ausgebildete Sitzfläche, an die die Ring-Dichteinrichtung sich anlegen kann, und eine durch das Arbeitsrohr verlaufende und von der Ring-Dichtungseinrichtung längsbeabstandete erste öffnungseinrichtung aufweist, wobei die Ring-Dichtungseinrichtung und die Sitzfläche sich aneinander anlegen, wenn der Ventilverschluß geschlossen wird, und die Längsbewegung des Arbeitsrohis in der einen Richtung ein Trennen der Ring-Dichtungseinrichtung von der Sitzfläche bewirkt, damit Fluid durch die öffnungseinrichtung fließen kann.

4. Sicherheitsventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsvorrichtung eine zweite öffnungseinrichtung aufweist, die nahe der Sitzfläche radial durch die Gehäuseanordnung verläuft.

5. Sicherheitsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilverschluß ein Kugelelement, durch das eine Bohrung verläuft, ein Paar Schwenkarme, die mit dem Kugelelement auf beiden Seiten seiner Bohrung im Eingriff stehen, ein Drehrohr, das mit dem Kugele lement von den Schwenkarmen versetzt in Eingriff steht, und eine am Arbeitsrohr angebrachte und mit dem Äußeren des Kugelelements in Berührung stehende erste Sitzeinrichtung aufweist, wobei die Schwenkarme im Eingriff mit sowohl der ersten Sitzeinrichtung und dem Kugelelement stehen, so daß das Arbeitsrohr, die erste Sitzeinrichtung, die Schwenkarme und das Kugelelement innerhalb der Gehäuseanordnung längsbewegbar sind, und wobei die Vorspanneinrichtung am Drehrohr angreift, bei einer Längsbewegung des Drehrohrs in der anderen Richtung die Kugel gedreht wird und ihre Bohrung sich mit dem Strömungskanal ausrichtet, so daß Fluid durch das Sicherheitsventil strömen kann.

6. Sicherheitsventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkarme jeweils einen Schwenkzapfen aufweisen, der in das Kugelelement im rechten Winkel zu dessen Bohrung eingreift, und daß das Drehrohr ein Paar Lagerzapfen aufweist, das mit dem Kugelelement von den Schwenkzapfen versetzt in Eingriff steht.

7. Sicherheitsventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilverschluß eine zweite Sitzeinrichtung aufweist, die am Kugelelement gegenüber der ersten Sitzeinrichtung anliegt.

8. Sicherheitsventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft, mit der das Kugelelement gedreht wird, um seine Bohrung mit dem Strömungskanal auszurichten, direkt proportional der von der Vorspanneinrichtung erzeugten Kraft und unabhängig vom Steuerfluiddruck ist.

9. Sicherheitsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilverschluß eine erste Stellung, in der er die Fluidströmung durch den Längskanal absperrt, eine zweite Stellung, in der eine etwaige Fluiddruckdifferenz über dem Ventilverschluß ausgeglichen wird, und eine dritte Stellung hat, in der er eine Fluidströmung durch den Längskanal ermöglicht, daß der Ventilverschluß mit dem Arbeitsrohr verbunden ist, so daß die Längsbewegung des Arbeitsrohrs den Ventilverschluß aus der ersten in die zweite Stellung bringt, daß Mittel vorgesehen sind, die die maximale Längsbewegungsstrecke des Arbeitsrohrs in der einen Richtung begrenzen, daß die Vorspanneinrichtung der Bewegung des Ventilverschlusses aus der ersten in die zweite Stellung entgegenwirkt, daß ein Ausgleichsströmungsweg vorgesehen ist, der in der zweiten Stellung des Ventilverschlusses offen ist, und daß die Vorspanneinrichtung aen Ventilverschluß in seine dritte Stellung bringt, nachdem die Fluiddruckdifferenz über dem Ventilverschluß ausgeglichen worden ist.

10. Sicherheitsventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß eine Längsbewegung des Arbeitsrohrs in einer Richtung den Ventilverschluß aus der ersten in die zweite Stellung bringt und daß die Vorspanneinrichtung einen Teil des Ventilverschlusses in der anderen Längsrichtung bewegt, um diesen aus der zweiten in seine dritte Stellung zu bringen.

11. Sicherheitsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch Mittel, um die maximale Längsbewegungsstrecke des Arbeitsrohrs in der einen Richtung zu begrenzen.

12. Sicherheitsventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungseinrichtung einen über dem Arbeitsrohr angeordneten Abstandsring, an den der Kolbenansatz sich anlegen kann, sowie eine im Innern der Gehäuseeinrichtung ausgebildete Schulter aufweist, an die der Abstandsring sich anlegen kann, wobei die Längsbewegung des Arbeitsrohrs durch das gegenseitige Anlegen von Kolbenansatz, Abstandsring und Innenschulter begrenzt wird.