DE3723044A1 - Sicherheitsventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Sicherheitsventil für die Installation in Leitungen für Fluide, insbesondere Erdgas, Erdöl oder der­ gleichen.

Solche Sicherheitsventile werden beispielsweise bei der Förderung von Erdgas aus Lagerstätten eingesetzt, in denen verhältnismäßig niedrige Strömungsdrucke sowie hohe Strömungs-Werte oder -Mengen mit häufiger Änderung des Flusses vorkommen.

Die untertage, beispielsweise in den Förderleitungen befestigten Sicherheitsventile können von obertage durch Druckleitungen gesteuert werden oder durch Druckdifferenzsteuerung direkt wir­ kend ausgebildet sein. Die Druckänderungen, von denen ab diese Ventile schließen oder öffnen, können einstellbar sein. Die verwendeten Schließmechanismen können ebenfalls von unterschied­ lichster Konstruktion sein. Eine bekannte Konstruktion enthält eine um ein Gelenk schwenkbare Verschlußklappe, die mittels einer Torsionsfeder in Verschließstellung gedrückt wird, sobald sie von einer im Längsdurchgangsweg des Ventils längsverschieblichen Operatorbuchse freigegeben wird. Die Operatorbuchse ist bei normalen Förderverhältnissen, also relativ niedrigem Druck, über die Verschlußklappe geschoben und hält so den Durchgangsweg geöffnet. Bei Druckabfall über vorbestimmte Werte hinaus wird die Operatorbuchse von der Klappe weggeschoben und gibt sie für die Verschwenkung durch die Torsionsfeder frei, damit der Durch­ gangsweg versperrt wird. Bei Druckausgleich oberhalb und unter­ halb des Ventils schiebt sich die Operatorbuchse gegen die Klap­ pe, schwenkt sie gegen den Druck der Torsionsfeder zurück und schiebt sich wieder über die Klappe, um den Durchgangsweg sicher offen zu halten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sicherheitsventil mit einer Verschlußklappe zu schaffen, bei dem das Gelenk oder die Achse der durch die Torsionsfeder geschlossenen Klappe nur mit relativ geringen Kräften beaufschlagt wird, wenn diese wieder geöffnet und gesichert werden soll. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Im Prinzip besteht die Erfindung in einer solchen Ausbildung der Operatorbuchse des Sicherheitsventils, daß die gegen die Ver­ schlußklappe bewegte Stirnseite der Operatorbuchse zuerst an der dem Gelenk fernen Seite die Verschlußklappe berührt und so einen langen Hebelarm für die Öffnungsbewegung nutzt. Zu diesem Zweck ist die Stirnseite der Operatorbuchse schräg ausgebildet. Damit diese Schräglage immer die optimale Lage zur Veschlußklappe hat, ist zwischen der geschlossenen Klappe und der Stirnseite der Operatorbuchse eine Justierverbindung vorgesehen, beispielsweise durch Vorsprünge des einen und Einfräsungen des anderen Teils.

Für den praktischen Betrieb mit direkt wirkendem Ventilbetrieb hat sich das im folgenden beschriebene Sicherheitsventil bewährt für die Installation in eine Förderleitung. Ein Gehäuse mit einem sich hierdurch erstreckenden Längsfluß-Durchgangsweg enthält ein Ventil-Schließsystem, z.B. die Verschlußklappe, die in einer ersten Position den Fluß der Fluide durch den Längsfluß-Durch­ gangsweg erlaubt und in der zweiten Position den Fluß der Fluide durch den Längsfluß-Durchgangsweg blockiert, wobei Mittel zum Klinken des Ventil-Schließsystems in der ersten Position vorge­ sehen sind. Die Operator-Buchse ist gleitbar im Gehäuse gelagert. Sie definiert teilweise den Längsfluß-Durchgangsweg durch das Ventil. Eine Vorrichtung mit einem Antriebskolben ist gleitbar an der Operatorbuchse angebracht und definiert teilweise eine Kammer mit variablem Volumen zwischen der Außenseite der Operator-Buchse und der Innenseite des Gehäuses. Zum Ausgleich der Drucke der Fluide in der Kammer und in dem Längsfluß-Durchgangsweg sind Öffnungen zwischen Kammer und Weg vorgesehen. Der Antriebskolben ist mit Mitteln zum Lösen der Klinke versehen. Schließlich be­ wirkt die Konstruktion eine Verstellung oder Verschiebung des Ventilschließmechanismus von seiner ersten Position in seine zweite Position, sobald die Klinke gelöst ist. Damit die Ver­ schlußklappe den normalen Fluß der Fluide wieder erlauben kann, also in die erste Position zurückkehren kann, wird sie von der gegen sie drückenden Stirnseite der Operatorbuchse wieder zurück­ gedrückt. Damit dies leicht und ohne zu große Belastung des Gelenks bzw. der Achse der Klappe geschehen kann, steht der Teil der Operatorbuchse in Längsrichtung vor, der auf der dem Gelenk der Verschlußklappe abgewandten Seite liegt. Mit diesem Vorsprung und damit mit großem Hebelarm drückt die Operatorbuchse die Verschluß klappe relativ leicht wieder zurück.

Zur näheren Erläuterung wird die Erfindung im folgenden beispiels­ weise anhand der Zeichnungen beschrieben. Diese zeigen in

Fig. 1 eine schematische, teilweise geschnittene Abbildung des Sicherheitsventils gemäß der Erfindung in einer Bohr­ loch-Komplettierung

Fig. 2 das Sicherheitsventil in seiner ersten, offenen Posi­ tion im oberen Teil und in seiner geschlossenen Posi­ tion im unteren Bereich, dargestellt durch teilweise Schnittzeichnung,

Fig. 3 bei 3a ein Gehäuse für die Verschlußklappe in einer Draufsicht und bei 3b in geschnittener Seitenansicht.

Fig. 4 eine Perspektive der Stirnseite der Operatorbuchse.

Fig. 5 eine Abwandlung der Fig. 4

In Fig. 1 ist eine Bohrungskomplettierung 20 mit einem Futterrohr 28 dargestellt, das sich von der Bohrungs- oder Erd- Oberfläche bis zu einer nicht dargestellten, Kohlenwasserstoffe (Hydro­ carbon) führenden Formation erstreckt. Eine Förderleitung 21 ist konzentrisch im Futterrohr 28 angeordnet und erstreckt sich vom Bohrlochkopf 23 durch einen Produktions-Packer 22, welcher zwi­ schen der FörderLeitung 21 und dem Futterrohr 28 abdichtet. Der Packer 22 leitet die Formations-Fluide wie Erdöl, Erdgas, Wasser u.ä. durch nichtdargestellte Perforationen in dem Futterrohr 28 in die Förderleitung 21. Die Perforationen sind so angeordnet und ausgebildet, daß sie das Eindringen der Formationsflüssigkeiten in das Futterrohr und damit die Förderleitung erlauben. Flußkon­ trollventile 24 und 25 an der Bohrloch-Oberfläche regeln den Fluß der Fluide von der Förderleitung 21. Eine Bohrlochkopf-Kappe 27 ist auf dem Bohrlochkopf 23 angeordnet, um Servicearbeiten an der Bohrlochkomplettierung 20 über die Förderleitung 21 durch Ar­ beitsstränge nach der "wireline" Technik zu ermöglichen, die die Installation und die Entfernung von verschiedenen Flußkontroll- Geräten im Bohrloch wie beispielsweise des Sicherheitsventils 30 einschließen. Andere Service-Arbeiten für das Bohrloch, die durch die Förderleitung 21 durchgeführt werden können, sind Messungen von Temperatur und Druck am Bohrlochboden.

Das Untertage-Sicherheitsventil 30 ist in der Förderleitung 21 installiert, um den Fluß der Fluide zum Bohrlochkopf über die Förderleitung 21 von einer Stelle unten im Bohrloch (downhole) zu regeln. In die Förderleitung 21 ist ein die Höhenlage des Ventils 30 im Bohrloch (downhole) bestimmendes Absetzteil oder Lande­ nippel (Landing-Nipple) 29 als Teil der Förderleitung 21 einge­ baut. Ein Verriegelungsstück oder lock mandrel 90 ist mit Schlüs­ seln 91 versehen, um ein angepaßtes Profil an der Innenseite des Absetzteiles 29 lösbar zu erfassen. Das Verriegelungsstück 90 ist auch mit Dichtungen 92 an seiner Außenwand versehen, um zusammen mit der benachbarten Wandung des Absetzteiles 29 eine Barriere gegen die Fluide zu bilden. Die Dichtung 92 bewirkt einen Fluß für die Fluide nur innerhalb der Förderleitung 21 durch das Verriegelungsstück 90 und das daran befestigte Sicherheitsventil 30.

In Fig. 2 ist das Sicherheitsventil 30 geschnitten dargestellt, unterhalb der Achse mit geschlossenem Ventil und oberhalb der Achse mit geöffnetem Ventil. Dargestellt ist lediglich das die Verschlußklappe 31 des Ventils 30 umfassende Teil des Gehäuses 32 des Ventils 30 mit den zugehörigen Teilen und der untere Teil der Operatorbuchse 50. Der restliche, obere Teil des Ventils mit den Steuerungsteilen (Mechanismus zur Verschiebung der Operatorbuchse 50) kann die in der DE-P 37 01 422 der Anmelderin gezeigte Kon­ struktion haben. Das Ventil 30 beinhaltet einen Ventil-Schließ­ mechanismus 31 mit einer Verschlußklappe 31, die durch ein Schar­ nier 34 so aufgehängt ist, daß sie zwischen einer ersten, offenen Position (oberer Teil der Fig. 2) und einer zweiten, geschlos­ senen Position (unterer Teil der Fig. 2) schwingen oder bewegt werden kann. Eine Torsions-, Schrauben- oder Schneckenfeder 36 (coiled spring) um das Scharnier 34 bewirkt eine Verstellung der Klappe 31 des Schließmechanismus 31 von ihrer ersten in ihre zweite Position, wenn die Klappe 31 von der Operatorbuchse 50 freigegeben wird. Die Operatorbuchse 50 wird also zum Verstellen des Ventil-Schließmechanismus von seiner zweiten in seine erste Position benutzt.

Die Außenseite des Sicherheitsventils 30 ist definiert durch ein Gehäuse 32, durch das sich der Längsfluß-Durchgang 33 erstreckt. Um Herstellung und Zusammenbau zu erleichtern, hat das Gehäuse 32 mehrere, z.B. sechs Montagegruppen, von denen hier nur die unter­ sten drei Gruppen 32 a, 32 b und 32 c dargestellt und eine vierte Gruppe angedeutet sind. Jede Montagegruppe des Gehäuses 32 ist im wesentlichen zylindrisch mit einer sich hindurch erstreckenden Längsbohrung. Jede Montagegruppe ist über Gewinde mit der jeweils angrenzenden Montagegruppe verbunden. Passende Dichtungen (z.B. O-Ringe) sorgen für die Unterbindung eines unerwünschten Aus­ tausches von Fluiden zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Ge­ häuses 32. Die Längsbohrungen jeder Montagegruppe 32 sind so kon­ zentrisch angeordnet oder justiert, daß sie teilweise auch den Längsfluß-Durchgangs 33 bilden oder mitdefinieren.

Die im Bohrloch oberste, hier nicht dargestellte Montagegruppe des Gehäuses 32 wirkt als eine Verbindung zu jeglichem passenden Schließteil wie z.B. dem Lock Mandrel 90 in Fig. 1 zum Verankern des Sicherheitsventils 30 innerhalb einer Förderleitung 21, 29 in Fig. 1. Vorzugsweise bildet das Lock Mandrel 90 zusammen mit der Förderleitung 29 eine Dichtung oberhalb des Sicherheitsventils 30, so daß die durch die Förderleitung 21 geförderten Fluide nur durch das Sicherheitsventil 30, nicht aber außerhalb des Ventils 30 fließen können.

Die Operator-Buchse 50 ist gleitbar im Gehäuse 32 angeordnet und bildet einen Ringraum 35 zwischen der Außenseite der Buchse 50 und der Innenseite des Gehäuses 32. Eine Längsbohrung 51 er­ streckt sich durch die Buchse 50 und definiert teilweise einen Teil des Längsfluß-Durchgangs 33 durch das Ventil 30. Ein hier nicht gezeigter Kolbenmechanismus ist gleitbar an der Außenseite der Operatorbuchse 50 gelagert, um eine druckabhängig gesteuerte Längsbewegung des Kolbenmechanismus zwischen zwei Stopschultern zu erlauben und dadurch eine Längsbewegung der Operatorbuchse 50 zur Betätigung der Verschlußklappe 31 zu bewirken. Im Gehäuse 32 b ist ein Fenster 52 zur Aufnahme der Klappe 31 vorgesehen.

Das Gehäuse 32 bildet mit seiner Montagegruppe 32 a die Einlaß­ öffnung für die Fluide und zugleich eine Führung des Ventils in der Förderleitung 21 (in Fig. 1) mit einer Schutzwirkung für die Ventilklappe 31. Das Gehäuseteil 32 b enthält im wesentlichen das Gelenk oder Scharnier 34 und ist gesondert in Fig. 3 gezeigt. Dem Scharnier 34 ist die Torsionsfeder 36 so zugeordnet, daß die Verschlußklappe 31 ständig in Richtung auf den Längsfluß-Durch­ gangsweg 33 gedrückt wird. An dieser Bewegung wird die Verschluß­ klappe 31 im Normalbetrieb durch die in den Weg der Klappe 31 geschobene Operatorbuchse 50 (sichtbar oberhalb der Achse) gehin­ dert. Die Form der Verschlußklappe 31 ist so gewählt, daß sie den Längsfluß-Durchgangsweg 33 sicher schließen und abdichten kann. Zu diesem Zweck ist in das Gehäuseteil 32 c eine Buchse 39 einge­ setzt, deren Stirnseiten 40 als Anschläge für die entsprechenden Bereiche oder Teile der Verschlußklappe 31 dienen. Dichtungen 41, dichten den Verschluß nicht nur ab, sondern bewirken auch ein nachgiebiges Verschließen des Weges 33. Dadurch wird der Ver­ schleiß der Teile verringert. Mit der in Fig. 2 dargestellten Form der Stirnseite 42, 43 der Operatorbuchse wird die Funktions­ weise und Haltbarkeit der Ventileinrichtung beim Verschließen und beim Öffnen der Verschlußklappe 31 verbessert. Unterhalb der Achse hat die Operatorbuchse den üblichen, senkrecht zur Achse des Durchgangsweges verlaufenden Abschluß, die Stirnseite 42. Diese Stirnseite ist weit nach links verschoben und endet gerade an der geschlossenen Verschlußklappe. Oberhalb der Achse des Weges 33 ist die Operatorbuchse weit nach rechts verschoben und verklemmt die Verschlußklappe 31 parallel zur Wandung 32. Die Stirnseite 43 der Operatorbuchse 50 ist gestrichelt dargestellt und beginnt am oberen Rand der Operatorbuchse 50 fast in Achs­ richtung, um dann nach und nach in einen Verlauf umzubiegen, der wieder senkrecht zur Achse liegt. Beim Freigeben der Verschluß­ klappe 31 durch Verschieben der Operatorbuchse 50 nach links gibt die Stirnseite 43 der Operatorbuchse 50 die Verschlußklappe 31 nicht schlagartig, sondern nach und nach frei. Die Verschlußklap­ pe 31 schlägt daher nicht hart auf die Anschläge 40 auf, sondern weich. Beim Wiederöffnen der Verschlußklappe 31 durch Verschieben der Operatorbuchse 50 nach rechts gelangt zuerst der untere, weit vorstehende Teil 42 der Stirnseite der Operatorbuchse auf die Verschlußklappe 31 in einem weit vom Gelenk 34 entfernten Bereich der Verschlußklappe und öffnet die Klappe 31 mit relativ großem Hebelarm. Dadurch wird vermieden, daß die Operatorbuchse direkt gegen das Gelenk 34 drückt und dieses großer Krafteinwirkung aussetzt. Nach und nach kommen dann auch die oberen Teilbereiche der Stirnseite 42, 43 in Berührung zur Verschlußklappe 31 und schieben sich schließlich über die Klappe 31 hinweg. Damit die relative Lage der Stirnseite 42, 43 der verschiebbaren Operator­ buchse 50 zur Verschlußklappe gleichbleibend ist und der große Hebelarm optimal nutzbar ist, weisen die Sirnseite 42 der Buchse 50 und die ihr zugewandten Bereiche der Klappe 31 eine Einfräsung 44 der Stirnseite und einen Vorsprung 45 der Klappe 31 auf, die beim Schließen der Klappe 31 ineinandergreifen. Die Flanken 46, 47 sind dabei so schräg ausgebildet, daß die Operatorbuchse bei jedem Schließen der Klappe 31 neu justiert wird.

Fig. 3 zeigt bei Fig. 3a und Fig. 3b zwei verschiedene Ansichten des Gehäuseteils 32 b mit hier integriertem Teil 32 a. Bohrungen für das Scharnier 34 sind deutlich erkennbar wie auch ein Klemm­ teil für die Befestigung der Anschlagbuchse 40.

In Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht der Stirnseite 42, 43 der Operatorbuchse 50 dargestellt mit der Einfräsung 44 für den oder die Vorsprünge 45 der Verschlußklappe 31.

Fig. 5 zeigt eine Abwandlung der Operatorbuchse 50, bei der die Stirnseite der Operatorbuchse 50 mit Vorsprüngen 44 versehen ist, die mit nicht gezeigten Einfräsungen der Klappe 31 justierend zusammenwirken.

Claims (4)

1. Sicherheitsventil für die Installation in Leitungen für Fluide insbesondere für Leitungen zur Förderung von Erdgas, Erdöl, Wasser oder dergleichen bei dem ein Gehäuse mit einem klappenförmigen Ventil-Schließ-Mechanismus direkt in der Leitung installierbar ist und bei dem der Ventil-Schließ- Mechanismus in Abhängigkeit von einer Druckänderung in der Förderleitung zwischen einer die Fluide durchlassenden und einer die Fluide blockierenden Position verstellbar ist, wobei zur Betätigung des Ventil-Schließ-Mechanismus eine in der Leitung längsverschiebliche Operatorbuchse vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die dem klappenförmigen Teil (31) des Schließ-Mechanismus zugewandte Stirnseite (42, 43) der Operatorbuchse (50) so schräg ausgebildet ist, daß der einem Gelenk (34) des klappenförmigen Teils (31) ferne Bereich des Teils (31) bei der Ventilöffnung zuerst und bei der Ventilschließung zuletzt berührt wird.

2. Sicherheitsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnseite (42, 43) im gelenkfernen Bereich (42) senkrecht zur Achsrichtung verläuft und im gelenknahen Bereich (43) einen Übergang zur achsparallelen Wandung der Operatorbuchse (50) bildet.

3. Sicherheitsventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stirnseite (42, 43) der Operatorbuchse (50) und die im geschlossenen Zustand des Ventils ihr zugewandte Seite der Klappe (31) Vorsprünge (44, 45) bzw. Einfräsungen (45, 44) aufweisen, die beim Schließen der Klappe ineinander­ greifen und die Lage der Klappenteils (42, 43) relativ zum Gelenk (34) justieren.

4. Sicherheitsventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einander zugewandten Seitenwandungen der Vorsprünge und Einfräsungen (44, 45) so schräg ausgebildet sind, daß geringfügige Verdrehungen der Operatorbuchse (50) bei jedem Schließvorgang wieder ausgeglichen werden.