NO310942B1 - Anordning for fordeling av fluider og anvendelse av anordningen - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en anordning ved en fordelingsventil for fluider, og omfattende et hus og et innvendig i huset roterbart fluidfordelingselement, hvor huset omfatter et antall innløp fra hver sin fluidkilde og ett hovedutløp for en felles fluidstrøm som ledes ut av huset, og hvor f luidf ordelingselementet omfatter en kanal for avledning av fluid fra ett innløpene til et separat grenløp som leder ut av huset. Oppfinnelsen vedrører også en anvendelse av fordelingsventilen.

Nærmere bestemt vedrører oppfinnelsen en ventil som har et antall innløp og to utløp, idet flere fluidstrømmer kan ledes inn til ventilhuset og blandes hvor blandingen så avledes fra huset, og eventuelt at en av de inngående strømmene tas ut i et separat utløp.

Oppfinnelsen har særlig befatning med utvinning av olje og gass fra et anlegg hvor det gjennom separate led-ninger strømmer olje inn til et anlegg fra et antall brøn-ner, men kan også anvendes i forbindelse med håndtering av fluidstrømmer generelt, f.eks. innen kjemisk prosessindu-stri .

En f ordelingsventil av den ovennevnte art er tidligere kjent fremstilt av Oil States Industries i USA. I den kjente fordelingsventil omfatter huset et antall innløp, ett for hver inngående strøm, plassert symmetrisk med en innbyrdes avstand om dreieaksen til det dreibare fordelingselement inne i huset. I det dreibare fordelingselement er det utformet et grenrør hvis åpning i tur og orden kan flukte med hvert innløp inn til huset, avhengig av hvilken posisjon ventilelementet er dreiet i. Grenrøret danner et utløp fra f ordelingselementet i form av et rett rørstykke som forløper aksialt med ventilelementets dreieakse. Ventilelementet er anordnet slik at det stort sett opptar plass i husets øvre del. Fluidene som strømmer inn til huset gjennom innløpene blandes inne i fordelingsventilen, i underkant av selve fordelingselementet, og strømmer ut av huset gjennom et utløp som er utformet på skrå i forhold til elementets dreieakse.

Det rette rør-stykket forløper således igjennom den kammerdel hvor de inngående fluider blandes for videre-transporten. Røret står således i veien for strømningen og opptar en stor del av volumet i blandekammeret. De to ut-løpene leder ut av huset fra blandekammeret i nesten samme retning. Det dannes lommer i blandekammeret hvor det dess-uten er fare for avleiringer fra faste stoffer i fluidet, og det oppstår lett turbulenser under strømningen.

Et annet forhold med den kjente løsning er at minst en av fluidstrømmene fra innløpene må strømnings-vendes borti-mot 3 60 ° for å kunne strømme ut gjennom utløpet i blanding med de andre strømmene. Fluidet fra det diametralt mot-stående innløp får imidlertid et tilnærmet lineært strømningsforløp gjennom blandekammeret og ut i utløpet.

De to ovennevnte konstruksjonsdetaljer i den kjente fordelingsventil til Oil States Industries, gjør at fordelingsventilen egentlig har en svært uheldig strømnings-teknisk konstruksjon.

Som nevnt står det rette rørløpet i veien for fluid-strømmen, samt at minst en av fluidstrømmene må snu ca 360°. Dette betyr at fordelingsventilen kan bli utsatt for stor slitasje ved gjennomstrømning av fluider, og særlig dersom fluidene f.eks. omfatter faste partikler i nevne-verdig grad.

Formålet med den foreliggende oppfinnelse er å frem-bringe en ny og bedre konstruksjon for en fordelingsventil av den innledningsvis nevnte art, og som for en stor del vil eliminere de nevnte ulemper.

Fordelingsventilen ifølge den foreliggende oppfinnelse er kjennetegnet ved at innløpene danner hver for seg samme vinkel med hovedutløpets strømningsretning, og hovedutløpet og grenutløpet leder i stort sett motsatte retninger ut av huset.

Ytterligere spesifiserte utførelser av oppfinnelsen fremgår av de uselvstendige krav.

Oppfinnelsen skal nå forklares nærmere under hen-visning til vedlagte figurer, hvori: Figur 1 viser et perspektivriss sett ovenfra av husdelen til fordelingsventilen ifølge en foretrukket ut-førelse av oppfinnelsen. Figur 2 viser et vertikalsnitt langs linjen 2-2 på figur 1, gjennom husdelen og fordelingselementet i fordelingsventilen ifølge oppfinnelsen hvor fordelingselementet er i aktivert stilling for separat avledning av fluid fra en av brønnene for testformål. Figur 3 viser et tverrsnitt av det roterbare for-del ingselement . Figur 4 viser et sideriss av det roterbare for-del ingselement .

Fordelingsventilen ifølge oppfinnelsen omfatter to hoveddeler, nemlig en husdel 30 og et inne i husdelen 30 roterbart fordelingselement 60.

På figur 1 er husdelen 3 0 til den nye fordelingsventilen ifølge oppfinnelsen vist i et planriss, dvs sett ovenfra. Ventilens husdel 30 har en stort sett halv-kule-formet konstruksjon. Ifølge den eksemplifiserte utførelse kan fluidstrømmen fra opptil 6 olje/gassbrønner håndteres med fordelingsventilen ifølge oppfinnelsen. I ventilhus-veggen er det derfor anordnet 6 innløpsåpninger 34,36,38,40,42,44 med tilhørende rørtilskruingsflenser 32 for tilkopling av'en brønnledning til huset fra hver brønn, for innledningen av brønnfluidet til ventilhusets 3 0 indre. I tillegg omfatter ventilhuset en parkeringsposisjon 33 som fordelingselementet 60 innstilles mot når det ikke skal ut-tas fluid for testing fra en av brønnene. Parkeringsposi-sjonen innebærer forøvrig at det er ingen åpning gjennom huset fra noen brønn inn til kanalen gjennom fordelingselementet. I det eksemplifiserte tilfelle danner de 6 inn-løpene 34-44 og blindposisjonen 33 syv (7) posisjoner for innstilling av fordelingselementet. De syv innløpene/blindposisjonen 34-44,-33 er anordnet stort sett med innbyrdes lik avstand langs husets tilhørende periferiflate. Inn-løps/bl ind-posisj onene er anordnet stort sett symmetrisk langs periferiflaten om en sentral utløpsåpning 46 fra huset 30. Den sentrale testprøve-utløpsåpning 46 danner et toppunkt i den halvkule som huset 3 0 danner.

Idet det også henvises til figur 2 omfatter huset 3 0 videre et bunnparti 4 8 som danner et sete ved 62 hvori det roterbare fordelingselement 60 kan dreies. Bunnpartiet 48 har en ringform for dannelse av et sentralt bunnutløp 24 fra ventilhuset 30. Det vil framgå at bunnpartiet 48 be-finner seg i den del av hus-halvkuleformen som stort sett danner den største diameterflate. Det er foretrukket at en akse (vist ved X - X på figur 3) går gjennom sentrum av topp-utløpet 46 henholdsvis bunnutløpet 24 fra huset. Aksen skjærer således kulens sentrum. Som det vil framgå av det etterfølgende danner aksen X-X rotasjonsaksen for fordelingselementet 60. Forøvrig viser snittet på figur 2 også to av brønninnløpene 34 henholdsvis 42 gjennom motsvarende åpninger i husets 3 0 vegg.

Husets 3 0 indre danner et kammer hvis indre kontur stort sett samsvarer til den ytre grunnkontur til et for-del ingselement 60 som på dreibar måte innplasseres i husets kammer. De motsvarende elementene kammeret/fordelingselementet kan ha flere alternative innbyrdes roterbare former, og kan f.eks. ha en stort sett rund kontur (som en sylindrisk terning), slik Oil State Industries har utført sin fordelingsventil, men er fortrinnsvis halvkuleformet slik det er eksemplifisert i foreliggende oppfinnelse og vist på figurene.

Det innvendig anordnete bevegelige fordelingselement 60, framgår separat av figurene 2 og 3 og er på figur 2 vist innsatt innvendig i husets 3 0 kammer.

Figur 3 og 4 viser fordelingselementet 60 i tverrsnitt henholdsvis sideriss. Fordelingselementet 60 (fremstilt av et egnet metall) er utformet utfra et halvkuleformig ut-gangspunkt. Fordelingselementet 60 omfatter en ringformig sokkeldel 45 med en tverrsnittsflate stort sett svarende til halv-kulens diameter-flate. Sentralt gjennom sokkeldelen 4 5 er det utformet en åpning 56 for utstrømning av fluidet fra ventilen. Til et perifert kantparti 51 av den ringformige sokkeldel 45 er fordelingselementets 60 fordelingskanalseksjon 53 anordnet. Fordelingskanalseksjonen 53 utgjør en massiv seksjon 50 hvorigjennom det er utformet en bøyd kanal 53, idet kanalen omfatter et innløp 54 og et utløp 55. Det vil fremgå av figur 3 at innløpet 54 og ut-løpet 55 danner en vinkel v-|_ på ca 60° med hverandre, dvs dette er vinkelen som innløpsstrømmen 42 danner med testut-løpet 46 fra huset 30. Selve fluidstrømmen vendes eller av-bøyes således 360° - 60° = 300°. Innløpsåpningen 54 til kanalen er posisjonert slik at den, med fordelingselementet montert i huset 30, vil flukte med brønninnløpene 34-44 samt den nevnte parkeringsposisjon 33, alt etter hvordan fordelingselementet er dreie-posisjonert. Kanalens utløps-åpning 55 er posisjonert konsentrisk til kuleformens topp-punkt slik at utløpet flukter med husets sentrale utløps-åpning 46.

Den massive fordelingskanalseksjonen 50 omfatter i den øvre seksjon et oppadragende halsparti 57 med sirkelformig tverrsnitt og ytterperiferi og innrettet til å innsettes dreibart i husets 30 sentrale utløpsåpning 46.

Den massive fordelingskanalseksjon 50 utgjør kun en

andel av halvkulef ormen, og har en ytterkontur 52 som kule-formen tilpasset til husets indre kammervegger. Som det vil ses av figur 3, har den del av den massive fordelingskanalseksjon 50 som vender mot fordelings-elementets fluid-blandekammer 59 avrundete og jevne former, dette for å unngå turbulens i fluidstrømmene gjennom fordelingsventilen.

Fortrinnsvis er vinkelen v^mellom innløpet 54 og ut-løpet 55 i området ca 45 - 90°, særlig foretrukket innenfor området 50 - 70°, og aller mest foretrukket ca 60° som er antydet på figuren.

Sokkeldelen 45 er dreibart opplagret i setet 62 i det ringformige bunnparti 48 i huset 30. Husets bunnutløp 24 flukter med fordelingselementets bunnutløp 56 og har stort sett samme åpningsareale.

Det massive kanaldannende parti 50 utgjør kun en andel av et halvkulevolum for i minst mulig grad å influere den naturlige fluidgjennomstrømning gjennom ventilens blande-kammer 59, når fordelingselementet står i den parkerte stilling. Dette betyr at det er ønskelig at fordelingselementet utformes slik at kammeret 59 blir størst mulig, samtidig som at fordelingsventilen kan funksjonere til-fredsstillende .

De to vinkel forholdene mellom innløp henholdsvis utløp er også vesentlige parametre for å få til en tilfredsstil- lende drift av fordelingsventilen. Når det gjelder testsystemet er dette vinkelforhold angitt ovenfor.

Når det gjelder vinkelforholdet mellom innløpet 34-44 fra brønnene til huset 3 0 og hovedutløps-strømmen 80 fra huset 3 0 danner disse en vinkel på v2med hverandre. Fortrinnsvis er vinkelen v2i området ca 90 - 135 °, særlig foretrukket innenfor området 115 - 13 0°, og aller mest foretrukket ca 120° (dvs at strømmen avbøyes 60 grader). slik det er antydet på figur 2.

Ifølge oppfinnelsen er det vesentlig at samtlige inn-løp 34-44 til blandekammeret 59 danner samme vinkel v2med fellesutløpet 80 fra huset 30. Dette utgjør en vesentlig forskjell fra ventilløsningen til Oil States Industries. Videre er det en vesentlig forskjell at de to utløpsstrøm-mene med utførelsen ifølge oppfinnelsen ledes i diametralt motsatte retninger, mens de ifølge Oil States Industries sin utførelse ledes i nesten samme retning ut av huset. Med den foreliggende utførelse ifølge oppfinnelsen får alle fluidstrømmene inn til huset 3 0 tilnærmet samme strømnings-motstand, mens i Oil States Industries sin løsning vil mot-standen mot strømningen variere sterkt, alt etter hvor inn-løpene er plassert på huset i forhold til utløpet. Rent strømningsmessig representerer således fordelingsventilen ifølge oppfinnelsen et stort fremskritt i forhold til den løsning som er presentert av Oil States Industries. Videre er den aktuatordrevne dreie-innretning ved utførelsen ifølge oppfinnelsen inkorporert med selve testutløpsrøret 46. Derved vil ikke testutløpsrøret oppta unødig volum av blandekammeret.

Tester har vist at når en fordelingsventil er utformet med de nevnte vinkelf orhold v^_ = 60° hw v2= 120°, gir dette optimale strømningsforhold gjennom fordelingsventilen, og uten at det oppstår problematiske turbulenser i ventilen. Det vil ses at dersom vinkelen v2øker oppover mot 13 5°, så vil vinkel envlminske tilsvarende. Summen av vinklene v^_ + v2er lik 18 0°. Det er foretrukket å benytte en fordelingsventil hvor innløpene henholdsvis utløpene er utformet slik at vinkelen v2ligger mest mulig opp mot det rette løp, dvs opp mot 13 5°. Dette betyr at v2blir ganske spiss, dvs 4 5°, men det er vinkelparameteren v2som er den viktigste i en slik strømningsmessig sammenheng, og som det må tas mest hensyn til når ventilen konstrueres.

Generelt vil en stor vinkelverdi (stump vinkel) mellom innløp/utløp gi gunstige strømningsforhold, mens en liten vinkel (spiss vinkel) gir mindre gunstige strømningsfor-hold.

Ifølge en alternativ utførelse danner det massive kanaldannende partiet 50 en andel av et kuleskall hvori det er utformet åpninger for innsetting og festing av et bøyd rør som så danner kanalen 53.

Fordelingselementet dreies om aksen X-X som forløper gjennom husets toppunkt (ved 46) og midtpunktet i sokkel-delens 45 diametrale tverrsnitt. Kanalen 53 (og åpningen 55) vil da hele tiden være strømningsforbundet med utløpet 46 som leder til testsystemet. Ved dreining av fordelingselementet 60 vil åpningen 54 i tur og orden danne strøm-ningsf orbindelse mellom brønnledningene 1-6 og fordelings-elementkanalen 53. Fordelingselementets 60 test-åpnings-utløp omfatter en svivelforbindelse med den ledning som leder fluidet videre til testesystemet slik at fordelingselementet 60 kan rotere 360 grader inne i huset 30.

For å unngå uønskede lekkasjer er fordelingselementets 60 halsparti 57 dreibart og tettende forbundet med husets utløp 46 ved hjelp av pakninger 70, se figur 2. Videre er det anordnet tetninger/pakninger 74 mellom husets bunnparti 48 og fordelingselementets 60 sokkeldel 45.

Videre er det innvendig i huset 30, i forbindelse med hver innløpsåpning 34-44, anordnet tetningsmidler i form av ringpakninger for å unngå lekkasjer. Særlig for, når fluidet f.eks. fra en brønn via innløp 42 ledes til testsystemet, jfr. figur 2, å hindre at fluid fra de 5 andre brønnene trenger inn i test-fluidstrømmen. Med ventilen i parkert stilling ved 33 er det vesentlig at tetningen fungerer slik at fluid ikke lekker inn i testsystemet. Ifølge en alternativ løsning kan en slik pakning være anordnet i selve metallgodset rundt innløpsåpningen 54 til kanalen 53.

Kuleventilens dreie-posisjonering reguleres og styres av et aktuator-system, vist ved 76, og som vil være vel-kjent for en fagmann.

Ventilen ifølge oppfinnelsen er en flerport selektor-ventil med en rekke innløp og kun to utløp, og som vil gi brukeren to valgmuligheter.

Den ene mulighet er at fluidet fra samtlige brønner (hvor innløpene kan ha tverrsnitts strømningsdimensjon på 15cm (6")) passeres gjennom utløpet (dimensjon 40 cm (16") mens testutløpet (dimensjon på 20 cm (8")) er lukket. Fordelingselementet 60 er da i den parkerte stilling 33.

Den andre mulighet er at fluid fra 5 av brønnene ledes til prosessanlegget gjennom fordelingselementet 60, mens den 6. brønn strømmer gjennom testutløpet 46. I denne funk-sjon dreie- posisjoneres fordelingselementet fluktende mot det brønninnløp som skal testes.

Ifølge oppfinnelsen er det således frembrakt et nytt fordelingsventilarrangement som vil avhjelpe alle de ulemper som innledningsvis er opplistet i forbindelse med det tidligere kjente arrangement.

Claims (9)

1. Anordning ved fordelingsventil for fluider, og omfattende et hus (30) og et innvendig i huset roterbart fluidfordelingselement (60), hvor huset (3 0) omfatter et antall innløp (34-44) fra hver sin fluidkilde og ett hoved-utløp (80) for en felles fluidstrøm som ledes ut av huset (30) , og hvor f luidf ordelingselementet (60) omfatter en kanal (53) for avledning av fluid fra ett innløpene til et separat grenløp (46) som leder ut av huset,karakterisert vedat innløpene (34-44) danner hver for seg samme vinkel med hovedutløpets (80) retning, og hovedutløpet (80) og grenutløpet (46) leder i stort sett motsatte retninger ut av huset (30) .

2. Anordning i samsvar med krav 1,karakterisert vedat innløpene (34-44) danner en vinkel v2med hovedut løpets (80) retning i området ca 90-135 °, særlig foretrukket innenfor området 110 - 130°, og aller mest foretrukket ca 120°.

3 . Anordning i samsvar med krav 1 og 2,karakterisert vedat vinkelen v-^mellom fluidfor-delingselementets innløp (54) og utløp (55) er i området ca

4 5 - 90°, særlig foretrukket innenfor området 50 - 70°, og aller mest foretrukket ca 60°.

4 . Anordning i samsvar med krav 1-3,karakterisert vedat vinkelen er 60° og vinkelen<v>2 er 120°.

5. Anordning i samsvar med et av de foregående krav,karakterisert ved at ventilhuset (30) har en innvendig stort sett konkav halvkuleform med de nevnte antall innløp anordnet med innbyrdes avstand inn til husets periferiflate, at fordelingselementet (60) utgjør en andel av en halvkule med en form som motsvarer ventilhusets innvendige kammer.

6. Anordning i samsvar med et av de foregående krav,karakterisert vedkanalen (53) danner et i fordelingsventilhalvkuleformens toppunkt utformet utløp (55) som flukter (X-X) med den separate utløpskanal (46) gjennom huset.

7. Anordning i samsvar med et av de foregående krav,karakterisert vedat fordelingselementet (50,45) er innrettet til dreining om en akse X-X som for-løper sentralt gjennom utløpet (55) og sentralt gjennom sokkeldelen (45) hovedutløp (56) .

8. Anordning i samsvar med et av de foregående krav,karakterisert vedat huset omfatter på i og for seg kjent måte en parkeringsposisjon (33) hvor fordelingselementets (50) innløp (54) til kanalen 53 av-stenges .

9. Anvendelse av ventilanordning ifølge krav 1-5, som omløpsventil i forbindelse med innløp fra et antall olje-brønner, hvor fluidet fra en brønn ad gangen eventuelt kan avledes til et grenløp.