NO177285B

NO177285B - Control valve for water injection

Info

Publication number: NO177285B
Application number: NO885632A
Authority: NO
Inventors: Michael Maltman
Original assignee: Chevron Res
Priority date: 1988-12-19
Filing date: 1988-12-19
Publication date: 1995-05-08
Also published as: NO177285C; NO885632L; NO885632D0

Description

Oppfinnelsen angår en ventil for å regulering av trykket i et strømmende fluid, ifølge kravinnledningen. The invention relates to a valve for regulating the pressure in a flowing fluid, according to the preamble.

Under produksjon av råolje og gass er det ofte ønskelig å sprøyte vann inn i undergrunnsf ormas j onene i en inn-sprøytingsbrønn. Vann beveger seg gjennom formasjonen og forskyver råolje som befinner seg der mot en produksjonsbrønn. Vann som sprøytes inn i undergrunnsf ormas j onen er i det typiske tilfelle vann som er blitt produsert i forbindelse med råolje i nærheten av innsprøytingsbrønnen. Vannet blir adskilt fra råoljen og pumpet til et antall innsprøytingsbrønner fra en sentral pumpestasjon. I andre tilfeller benytter man sjøvann. I et typisk produsert vanninnsprøytingssystem, genererer pumpene trykk på 300 kg/cm<2> eller mer. During the production of crude oil and gas, it is often desirable to inject water into the underground formations in an injection well. Water moves through the formation and displaces crude oil located there towards a production well. Water that is injected into the underground formation is in the typical case water that has been produced in connection with crude oil in the vicinity of the injection well. The water is separated from the crude oil and pumped to a number of injection wells from a central pumping station. In other cases, seawater is used. In a typical manufactured water injection system, the pumps generate pressures of 300 kg/cm<2> or more.

Visse innsprøytingsbrønner vil tilpasse seg det innsprøytede vann bedre enn andre. Dette skjer av forskjellige grunner, for eksempel variasjoner i porøsiteten til undergrunns-formasjonen. Vann strømmer naturligvis lettere inn i brønner som gir mindre motstand mot strømmen. Det er imidlertid ofte ønskelig å dirigere større kvanta av vann inn i brønner som genererer større motstand mot strømningen. Derfor er det nødvendig å begrense strømmen inn i mange innsprøytingsbrønner. Dette er vanligvis gjort ved hjelp av forskjellige strupeventiler. Certain injection wells will adapt to the injected water better than others. This happens for various reasons, for example variations in the porosity of the underground formation. Water naturally flows more easily into wells that offer less resistance to the flow. However, it is often desirable to direct larger quantities of water into wells that generate greater resistance to the flow. It is therefore necessary to limit the flow into many injection wells. This is usually done using different throttle valves.

De vanligst brukte strupeventiler for vanninn-sprøytingsbrønner er slike som "Gray PBS Adjustable Choke", fremstilt av Gray Tool Company. Se også US 4 444 220. Denne type ventil benytter en vertikal, hul overdel med et innløp som er orientert i rett vinkel med hoveddelen. En spiss-enhet heves og senkes inne i hoveddelen for å blokkere eller begrense fluid-strømmen fra innløpet. Denne type ventil har oppfinneren funnet å være utsatt for mange feil, for et antall grunner. For det første er ventilen konstruert slik at den hurtige strømningen gjennom anordningen blir tvunget til å snu 90° ved innløpet. Det høye trykk og de store strømningshastighetene resulterer i slitasje på spissen, vibrasjon, og til slutt fullstendig atskillelse av spissen. Dette problem er spesielt alvorlig i strupeventiler som brukes i vanninnsprøytingsbrønner på grunn av (a) at vannet ofte inneholder sedimenter o.l. som øker slitasje på spissen, og (b) ekstremt høye trykkfall (i størrelsesordenen 200 kg/cm<2> eller mer) ofte forekommer, og resulterer i meget høye fluidhastigheter. Ytterligere problemer med denne type ventil er et resultat av bruken av pakningsmateriale (for å isolere stammer som benyttes til å heve og senke spissen fra de ytre omgivelser). The most commonly used choke valves for water injection wells are such as the "Gray PBS Adjustable Choke", manufactured by the Gray Tool Company. See also US 4,444,220. This type of valve uses a vertical, hollow body with an inlet that is oriented at right angles to the body. A tip assembly is raised and lowered inside the body to block or restrict fluid flow from the inlet. This type of valve has been found by the inventor to be prone to many faults, for a number of reasons. First, the valve is designed so that the rapid flow through the device is forced to turn 90° at the inlet. The high pressure and high flow rates result in wear of the tip, vibration, and eventually complete separation of the tip. This problem is particularly serious in choke valves used in water injection wells because (a) the water often contains sediments and the like. which increases tip wear, and (b) extremely high pressure drops (on the order of 200 kg/cm<2> or more) often occur, resulting in very high fluid velocities. Further problems with this type of valve result from the use of packing material (to isolate stems used to raise and lower the tip from the external environment).

Videre har disse ventiler ofte mange deler, og dermed et komplisert system som er utsatt for feil. F eks blir et sete skrudd inn i ventilens hoveddel for å komme i kontakt med spissen for tetningsformål. Man har funnet at gjengene på denne tetning blir løse (igjen på grunn av de ekstreme forhold som det indre av ventilen blir utsatt for) og raskt eroderer/korroderer til det punkt hvor setet blir ubrukelig eller feiler. Dette problem er spesielt vanskelig på grunn av at setet er vanskelig å komme til, hvilket resulterer i en høy kostnad for reparasjon/utskifting. I alminnelighet vil mange typer av innvendige gjengede forbindelser i en strupeventil være utsatt for feil på grunn av erosjon og korrosjon. Furthermore, these valves often have many parts, and thus a complicated system that is prone to failure. For example, a seat is screwed into the main part of the valve to come into contact with the tip for sealing purposes. It has been found that the threads on this seal become loose (again due to the extreme conditions that the interior of the valve is exposed to) and quickly erode/corrode to the point where the seat becomes useless or fails. This problem is particularly difficult due to the fact that the seat is difficult to access, resulting in a high cost of repair/replacement. In general, many types of internal threaded connections in a throttle valve will be prone to failure due to erosion and corrosion.

Ventiler har vært foreslått for styring av fluida i andre anvendelser. US 1 925 531 beskriver f eks en ventil i hvilken et glidbart stempel 15 er installert i et sylinderformet ventilhus A. Det glidbare stempel styrer strømningen av fluid ved å gli rundt radielt monterte innløpsporter 4 i et hus. Det er åpenbart at fluid som strømmer gjennom ventilen ville ha høy hastighet og endre retning i eller nær porter eller kanter såsom på innløpsportene. Videre, når ventilen blir strupet, vil kantene på den glidende hylse bli utsatt for alvorlig erosjon/kor-rosjons -virkninger . Disse kombinerte virkninger ville resultere i feil på ventilen etter en kort tid. Valves have been proposed for controlling fluids in other applications. US 1 925 531 describes, for example, a valve in which a sliding piston 15 is installed in a cylindrical valve housing A. The sliding piston controls the flow of fluid by sliding around radially mounted inlet ports 4 in a housing. It is obvious that fluid flowing through the valve would have a high velocity and change direction in or near ports or edges such as the inlet ports. Furthermore, when the valve becomes choked, the edges of the sliding sleeve will be exposed to severe erosion/corrosion effects. These combined effects would result in failure of the valve after a short time.

Andre typer av ventiler med glidende hylser er foreslått (f eks US 2 676 611). I alle disse situasjonene har man funnet at en utsatt kant på hylsene og/eller en annen del av ventilen som er nødvendig for korrekt tetning blir utsatt for alvorlig erosjon/korrosjon-virkninger på grunn av sin utsatte tilstand. Andre ulemper ligger i bruken av et komplisert apparat som er utsatt for feil, og bruken av innskrudde fittings i ventilen. Det er derfor ønskelig å frembringe en strupeventil som er enklere i konstruksjon, og gir bedre pålitelighet og lettere service. Videre er det ønskelig å frembringe en ventil som ikke trenger innvendig gjengede forbindelser. Det er videre ønskelig å frembringe en strupeventil som minimaliserer antallet ganger én væskestrøm må endre retning, og som ikke forårsaker at væsken endrer retning ved en port eller utsatt innvendig kant. Det er ytterligere ønskelig å frembringe en ventil som ikke krever pakningsmateriale for å isolere fluid inne i ventilen. Other types of valves with sliding sleeves have been proposed (e.g. US 2 676 611). In all of these situations, it has been found that an exposed edge of the sleeves and/or another part of the valve that is necessary for proper sealing is exposed to severe erosion/corrosion effects due to its exposed condition. Other disadvantages lie in the use of a complicated apparatus which is prone to failure, and the use of screwed-in fittings in the valve. It is therefore desirable to produce a throttle valve which is simpler in construction, and provides better reliability and easier servicing. Furthermore, it is desirable to produce a valve that does not need internally threaded connections. It is further desirable to produce a throttle valve which minimizes the number of times one fluid flow must change direction, and which does not cause the fluid to change direction at a port or exposed inner edge. It is further desirable to produce a valve that does not require gasket material to isolate fluid inside the valve.

En styreanordning er beskrevet i FR 1 588 442. Anordningen er innrettet for stempler med store kvanta som strømmer gjennom under høyt trykk og med stor hastighet. Den beskrevne styreanordning gir små tap. Foreliggende oppfinnelse angår imidlertid en ventil for reduksjon av trykket i et høytrykksfluid og er innrettet især for struping av en vannstrøm for vann-injeksjon i brønner for råoljeproduksjon. A control device is described in FR 1 588 442. The device is designed for pistons with large quantities that flow through under high pressure and at high speed. The control device described causes small losses. The present invention, however, relates to a valve for reducing the pressure in a high-pressure fluid and is designed in particular for throttling a water flow for water injection in wells for crude oil production.

En ventil for å redusere trykket av vann for inn-sprøyting inn i en petroleumsf ormas jon er beskrevet. Ventilen har en hul, langstrakt sylindrisk hoveddel med en horisontal akse, en sylinderformet glidende hylsedel er innrettet til å passe inne i hoveddelen i et nært tilpasset forhold med denne, den nevnte glidende hylse har en åpning langs sin lengdeakse, og denne åpning har et innsnevret område, en plugg med en front som vil i det vesentlige passe sammen med den nevnte innsnevring når denne del blir presset mot pluggen, og videre bestående av en første strømningspassasje, orientert for å ha sin akse i hovedsak parallelt med den nevnte horisontale akse, hvor den nevnte pluggdelen er festet til hoveddelen ved en første ende, en glidende tetningshylse montert på en annen ende av hoveddelen, der den nevnte tetningshylse har en annen strømningspassasje, hoveddelen, pluggen og den glidende hylse danner et første trykkstyrekammer, hoveddedelen, den nevnte glidende tetningshylse og den nevnte glidende hylse dannet et annet trykkstyrekammer og en anordning for selektivt å heve og senke trykket i det nevnte første og andre trykkstyrekammer slik at den innsnevrede del kan bli selektivt beveget langs den nevnte horisontale akse og mot den nevnte pluggdelen for å tette den første strømningspassasje. A valve for reducing the pressure of water for injection into a petroleum formation is described. The valve has a hollow elongated cylindrical main part with a horizontal axis, a cylindrical sliding sleeve part is adapted to fit inside the main part in a close fitting relationship therewith, said sliding sleeve has an opening along its longitudinal axis, and this opening has a narrowed area, a plug having a front which will substantially mate with said constriction when said portion is pressed against the plug, and further comprising a first flow passage, oriented to have its axis substantially parallel to said horizontal axis, wherein said plug part is attached to the main part at a first end, a sliding sealing sleeve mounted on another end of the main part, where said sealing sleeve has another flow passage, the main part, the plug and the sliding sleeve form a first pressure control chamber, the main part, said sliding sealing sleeve and said sliding sleeve formed another pressure control chamber and means for selectively raising and lowering the pressure in the said first and second pressure control chambers so that the constricted part can be selectively moved along the said horizontal axis and towards the said plug part to close the first flow passage.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere under henvisning til tegningene, hvor figur 1 viser et prosess-strømningsdiagram som viser strømmen av produsert vann i et oljefelt, figur 2 viser et tverrsnitt av ventilen sett fra siden, i åpen stilling, figur 3 viser et tverrsnitt av ventilen sett fra siden, i lukket stilling, figur 4 viser et tverrsnitt av ventilen sett forfra, langs A-A', figur 5 viser et isometrisk riss av In the following, the invention will be described in more detail with reference to the drawings, where figure 1 shows a process flow diagram showing the flow of produced water in an oil field, figure 2 shows a cross section of the valve seen from the side, in the open position, figure 3 shows a cross section of the valve seen from the side, in the closed position, figure 4 shows a cross-section of the valve seen from the front, along A-A', figure 5 shows an isometric view of

ventilen, delvis i utsnitt, i halvåpen stilling. the valve, partially in section, in the half-open position.

Figur 1 viser det miljø i hvilket den foreliggende oppfinnelse er best egnet. Råolje og vann blir produsert fra produksjonsbrønnen 1, og blir skilt i separatorutstyret 2. Produsert vann fra separatorutstyret blir satt under trykk ved innsprøyting i pumpen 3 som kan være en sentrifugalpumpe eller annen type pumpe som er kjent i teknikken. Produsert vann blir så pumpet til en eller flere produksjonsbrønner 4. For å regulere strømmen av produsert vann inn i innsprøytingsbrønnene, blir strupeventiler 5 benyttet til å begrense strømmen av produsert vann. Det kan også være mulig å benytte sjøvann istedenfor produsert vann. Isolasjonsventilen 21 kan også bli anordnet. Figur 2 og 3 viser strupeventilen i tverrsnitt sett fra siden, hhv i åpen og lukket stilling. Figur 4 viser ventilen langs snittlinjen A-A', og figur 5 viser ventilen i et isometrisk riss i åpen stilling. Ventilen har en generelt sylinderformet overdel 10 som inneholder en åpning. For å lette forklaringen henviser man her til ventilens oppstrømsende og nedstrømsende. Oppstrømsenden betyr i alminnelighet innløpssiden til ventilen og nedstrømsenden betyr i alminnelighet utløpet fra ventilen. Hoveddelen har flenser 8 og 9 ved hhv oppstrøms- og nedstrøms-enden . Figure 1 shows the environment in which the present invention is best suited. Crude oil and water are produced from the production well 1, and are separated in the separator equipment 2. Produced water from the separator equipment is pressurized by injection into the pump 3, which can be a centrifugal pump or another type of pump known in the art. Produced water is then pumped to one or more production wells 4. In order to regulate the flow of produced water into the injection wells, throttle valves 5 are used to limit the flow of produced water. It may also be possible to use seawater instead of produced water. The isolation valve 21 can also be arranged. Figures 2 and 3 show the throat valve in cross-section seen from the side, respectively in open and closed position. Figure 4 shows the valve along the section line A-A', and Figure 5 shows the valve in an isometric view in the open position. The valve has a generally cylindrical upper part 10 which contains an opening. To facilitate the explanation, reference is made here to the upstream and downstream of the valve. The upstream end generally means the inlet side of the valve and the downstream end generally means the outlet from the valve. The main part has flanges 8 and 9 at the upstream and downstream ends respectively.

Oppstrømsenden på hoveddelen 10 er montert ved hjelp av en flens 8 og en glidende tetningshylseanordning 11. Innsiden av tetningshylsen 11 er sylindrisk i form, ved en utvidelse på nedstrømsenden. Utvidelsen danner et ringformet rom 22 med hoveddelen 10 og den glidende hylse 12. Utvidelsen av den glidende tetningshylseanordning 11 er utvidet mot sin nedstrøms-ende. Den glidende tetningsanordning 11 er forbundet med hoveddelen 10 og inntaksrøret 6 oppstrøms ved hjelp av flenser og bolter av velkjent type. The upstream end of the main part 10 is mounted by means of a flange 8 and a sliding sealing sleeve device 11. The inside of the sealing sleeve 11 is cylindrical in shape, by an extension at the downstream end. The extension forms an annular space 22 with the main part 10 and the sliding sleeve 12. The extension of the sliding sealing sleeve device 11 is extended towards its downstream end. The sliding sealing device 11 is connected to the main part 10 and the intake pipe 6 upstream by means of flanges and bolts of a well-known type.

Den glidende hylse 12 er generelt i form av en sylinder og er innrettet til å passe inne i hoveddelen 10. Det indre av den glidende hylse har en innsnevret del 14 som (fra oppstrøms-enden) konvergerer og deretter divergerer i en myk kurve. Pluggen 15 er montert på hoveddelen 10 på dens nedstrømsende ved flenser e.l. Pluggen 15 er generelt boss- eller konisk formet og inneholder en eller flere strømningspassasjer 16. Strømningspas-sasjene 16 er generelt parallelle med ventilens horisontale akse. Pluggen 15 og hoveddelen 10 er flenset til reduksjonsdelen 17 som konvergerer mot uttaksrøret 7 nedstrøms. The sliding sleeve 12 is generally in the form of a cylinder and is adapted to fit within the body 10. The interior of the sliding sleeve has a narrowed portion 14 which (from the upstream end) converges and then diverges in a gentle curve. The plug 15 is mounted on the main part 10 on its downstream end by flanges or the like. The plug 15 is generally boss- or conical-shaped and contains one or more flow passages 16. The flow passages 16 are generally parallel to the valve's horizontal axis. The plug 15 and the main part 10 are flanged to the reduction part 17 which converges towards the outlet pipe 7 downstream.

Pluggen 15, hoveddelen og den glidende hylse 12 danner et ringrom 13. Ringrommene 22 og 12 omfatter strømningspassasjer, hhv 18 og 19. Strømningspassasjene 18 og 19 er i sin tur forbundet med en anordning for selektivt å tilføre hydraulisk trykk 20. The plug 15, the main part and the sliding sleeve 12 form an annular space 13. The annular spaces 22 and 12 comprise flow passages, respectively 18 and 19. The flow passages 18 and 19 are in turn connected to a device for selectively supplying hydraulic pressure 20.

Det kan også være nødvendig å installere pakninger (ikke vist), av en type som er vel kjent blant fagfolk på området, ved ett eller flere steder i ventilen. Pakning kan f eks være nødvendig mellom den glidende hylse og den glidende tetningsanordning, mellom pluggen og den glidende hylse, mellom den glidende hylse og hoveddelen, og mellom de forskjellige flenser. It may also be necessary to install gaskets (not shown), of a type well known to those skilled in the art, at one or more locations in the valve. Gasketing may, for example, be required between the sliding sleeve and the sliding sealing device, between the plug and the sliding sleeve, between the sliding sleeve and the main part, and between the various flanges.

I drift blir trykk tilført det produserte vann ved hjelp av pumpen 3. I fravær av noen aksjon fra anordningen for å tilføre hydraulisk trykk 20, strømmer en liten mengde vann ut av ventilen. Trykk som tilføres oppstrømssiden av den innsnevrede del 14 vil imidlertid bevege den glidende hylse 12 oppstrøms i huset 10. Ventilen er derfor en "fail safe" ventil i den forstand at den automatisk vil lukke seg, f eks hvis en anordning for selektiv tilføring av trykk 20 feiler. En anordning for selektiv tilføring av trykk 20 kan f eks være en pumpe. In operation, pressure is supplied to the produced water by means of the pump 3. In the absence of any action from the device for supplying hydraulic pressure 20, a small amount of water flows out of the valve. Pressure applied to the upstream side of the constricted part 14 will, however, move the sliding sleeve 12 upstream in the housing 10. The valve is therefore a "fail safe" valve in the sense that it will automatically close, e.g. if a device for selectively supplying pressure 20 errors. A device for the selective supply of pressure 20 can, for example, be a pump.

Når det er ønskelig å lukke ventilen, kan trykk bli tilført ringrommet 22 med anordningen 20, eller utløst i ringrommet 13. Dette vil tvinge den glidende hylse mot pluggen 15, og dermed stoppe strømmen av vann. Når det er ønskelig å tillate strøm av vann gjennom ventilen, blir trykket i ringrommet 22 redusert og/eller trykket i ringrommet 13 blir relativt øket. Dette har den effekt at den glidende hylse 12 tvinges bort fra pluggen 15, og dermed tillater strøm av vann som vist på figur 2. Strømmen av vann blir styrt ved å øke eller redusere trykket i ringrommene 13 og 22, og dermed øke eller redusere rommet mellom den innsnevrede del 14 i glidehylsen 12, og pluggen 15. Væsken i rommene 22 og 13 kan være olje, hydraulisk fluid eller produsert vann som er fjernet fra strømningslinjen. Trykket skal fortrinnsvis tilføres med en sentrifugalpumpe. When it is desired to close the valve, pressure can be supplied to the annulus 22 with the device 20, or released in the annulus 13. This will force the sliding sleeve against the plug 15, thus stopping the flow of water. When it is desired to allow the flow of water through the valve, the pressure in the annulus 22 is reduced and/or the pressure in the annulus 13 is relatively increased. This has the effect that the sliding sleeve 12 is forced away from the plug 15, thus allowing the flow of water as shown in figure 2. The flow of water is controlled by increasing or decreasing the pressure in the annular spaces 13 and 22, thereby increasing or decreasing the space between the narrowed part 14 in the sliding sleeve 12, and the plug 15. The liquid in the spaces 22 and 13 can be oil, hydraulic fluid or produced water that has been removed from the flow line. The pressure should preferably be supplied with a centrifugal pump.

Ventilen bør konstrueres av et materiale som stål, rustfritt stål e.l. The valve should be constructed of a material such as steel, stainless steel, etc.

Fordelene med anordningen ifølge oppfinnelsen blir åpenbare ved gjennomgåelse av de tilhørende figurer. Man kan se at oppfinnelsen frembringer en ventil der fluidet strømmer i en i hovedsak rett bane, slik at man reduserer slitasje på ventilen. Videre blir fluidbanen endret bare langs myke kurvede overflater, og ikke over skarpe kanter. Man kan også se, at når ventilen, slites vil den innsnevrede delen og den bossformede plugg fremdeles tette, skjønt lenger nede i strømretningen. Videre er ventilen uten internt iskrudde fittings, hvilket reduserer muligheten for feil, og er av en enkel konstruksjon som forbedrer dens pålitelighet og produksjonsvennlighet. The advantages of the device according to the invention become obvious when reviewing the associated figures. It can be seen that the invention produces a valve where the fluid flows in an essentially straight path, so that wear on the valve is reduced. Furthermore, the fluid path is changed only along gently curved surfaces, and not over sharp edges. You can also see that when the valve wears, the narrowed part and the boss-shaped plug will still seal, although further down the flow direction. Furthermore, the valve has no internally screwed fittings, which reduces the possibility of failure, and is of a simple construction that improves its reliability and ease of manufacture.

Ventilen kunne videre benyttes eksempelvis til å senke trykket av naturgass eller annen fluida, eller til andre oppgaver. The valve could also be used, for example, to lower the pressure of natural gas or other fluids, or for other tasks.

Claims

1. Valve for regulating the pressure in a flowing fluid, such as when throttling the inflow rate of the water in a well for the production of crude oil, comprising a cylindrical housing (10) with an inner cylindrical sliding sleeve (12) which lies tightly against the housing internal and has a narrowed part (14), with a plug (15) conforming to the part (14) being arranged downstream of the sleeve and comprising upstream curved surfaces to isolate and regulate the fluid flow and where the plug has first flow passages (16) which run in essentially parallel to the center axis of the housing and which constitutes an essentially straight-line path for the fluid, CHARACTERIZED IN THAT a first control chamber (13) which is delimited by the housing (10), the plug (15) and the sleeve (12), regulates the pressure axially towards the sleeve (12) by the pressure from a control fluid, that a second control chamber (22) which is delimited by the housing (10), the sleeve (12) and a seal (11) which is fitted to the other end of the housing (10) regulates pressed axially against the sleeve (12) in the opposite direction with a control fluid, and that first and second

flow passages (18, 19) are connected to first or second control chambers (13, 22) and are independently and operatively isolated from the pressure fluid, the pressure against the sleeve (12) regulating its reciprocating movement independently of the fluid pressure upstream so that immediately and directly being able to move the constricted portion (14) away from or towards the plug (15) to completely shut off or open the fluid flow through the first flow passages (16).

2. Valve according to claim 1, CHARACTERIZED IN THAT the plug has a boss shape.

3. Valve according to claim 1, CHARACTERIZED IN THAT the plug is conical.

4. Valve according to claim 1, CHARACTERIZED IN THAT the narrowed part (14) converges and diverges in a soft curve.

5. Valve according to claim 1, CHARACTERIZED IN THAT the devices (20) for selectively increasing and decreasing the pressure are independent of the pressure conditions in the downstream end of the valve.