NO326090B1 - Hylseventil - Google Patents

Abstract

Foreliggende oppfinnelse vedrører en hylseventil (1), der hylseventilen (1) kan benyttes offshore eller onshore for å kontrollere væskestrømmen mellom et hydrokarbonreservoar og et produksjonsrør i en brønn i hydrokarbonreservoaret. Hylseventilen (1) omfatter en ytre og indre hylse (2, 3) som er koaksialt og roterbart anordnet i forhold til hverandre, der det i hver av hylsene (2, 3) er anordnet i det minste en gjennomgående åpning (4, 18). Ved hjelp av en egnet innretning roteres hylsene (2, 3) i forhold til hverandre, slik at de selektivt kan bringes til en åpning lukket eller andre posisjoner derimellom, for derved å kunne regulere fluidgjennomstrømningen gjennom hylseventilen (1).

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en hylseventil, der hylseventilen benyttes offshore eller onshore for å kontrollere væskestrømmen mellom et hydrokarbonreservoar og et produksjonsrør i en brønn i hydrokarbonreservoaret. Hylseventilen omfatter en første og andre hylse som er koaksialt og roterbart anordnet i forhold til hverandre, der det i hver av hylsene er anordnet i det minste en gjennomgående åpning. Ved hjelp av en egnet innretning roteres hylsene i forhold til hverandre, slik at de selektivt kan bringes fra en helt lukket posisjon og til en helt åpen posisjon samt mellomliggende posisjoner, for derved å kunne regulere fluidgjennomstrømningen gjennom hylseventilen.

Et hydrokarbonreservoar kan inneholde både olje, gass og vann. Produksjonsforhol-dene, det vil si mengden av olje, gass og vann og trykket i reservoaret, varierer vanligvis gjennom reservoaret, og endres også i løpet av produksjonstiden. For å kunne regulere produksjonen fra brønnen, det vil si regulere innstrømmingen av olje, gass og vann i brønnen, er det ønskelig å kunne stenge av og åpne for å kunne regulere innstrømning til brønnen forskjellige steder langs produksjonsrøret.

Etter hvert som hydrokarboner utvinnes fra reservoaret, vil det naturlige trykket i formasjonen avta. For å opprettholde trykket og/eller "vaske" formasjonen for hydrokarboner, slik at mest mulig av hydrokarbonene kan utvinnes, injiseres vann eller gass fra brønnen og inn i reservoaret. Her vil det igjen være et ønske om å kunne regulere hvor injeksjonen skal skje, samt også utstrømningen av fluidet.

For å regulere denne inn- og utstrømning i en brønn, kan det benyttes såkalte hylseventiler, der en eller flere hylseventiler vanligvis plasseres langs brønnen. Hylseventilene omfatter to hylser som er anordnet koaksialt og rotasjonsbevegelig i forhold til hverandre. Ved at begge hylser videre er utformet med gjennomgående åpninger, vil en bevegelse av hylsene seg imellom medføre at åpningene bringes inn og ut av kontakt med hverandre, slik at det åpnes henholdsvis stenges for en gjen-nomstrømning gjennom hylseventilen.

Reservoaret det utvinnes hydrokarboner fra kan være både bredt og dypt, og det kan strekke seg over ulike formasjoner, der trykket i disse formasjonene kan være for-skjellig. Produksjonsrøret strekker seg gjennom de forskjellige trykksonene, der en eller flere hylseventiler kan være anordnet i hver sone. På grunn av at hylseventilene er separate, uavhengige enheter, kan hylseventiler i enkelte soner holdes åpne, mens andre holdes stengte. Sonene kan skilles fra hverandre med isolasjonspak-ninger, som plasseres mellom foringsrøret og produksjonsrøret, slik at fluider ikke lekker mellom sonene langs utsiden av produksjonsrøret.

Avhengig av aktuelle brønnforhold kan det forekomme svært høye differensialtrykk over ventilene i brønnen.

Et høyt differansetrykk kan i seg selv gi opphav til lekkasje. I tillegg kan differansetrykk forårsake deformering av hylseventilene, hvilket kan bevirke at hylseventilene vil lekke i en stengt stilling.

Problemet forbundet med lekkasje av hylseventilene på grunn av de store differan-setrykkene kan løses med fleksible pakninger av ikke-metallisk materiale. Tempera-turen i reservoaret kan imidlertid være 100 °C eller høyere, og reservoaret kan inneholde bestanddeler som med tiden tærer på eller forringer pakningsmaterialene. Er-faring viser at det i hylseventiler, hvor tetningen er basert på fleksible pakninger av ikke-metallisk materiale og som etter å ha vært i en stengt posisjon en tid, ofte ikke er mulig å oppnå tetning med igjen når ventilen åpnes og deretter stenges igjen.

Fleksible pakninger av ikke-metallisk materiale er således ikke noen fullgod løsning på problemet.

For å unngå fleksible pakninger og problemer som oppstår ved bruk av disse, er det utviklet ventiler med metall-til-metall tetninger.

GB 2 201 979, US 4 782 896 og US 4 921 044 beskriver hylseventiler for regulering av fluidstrøm mellom et hydrokarbonreservoar og en brønn i hydrokarbonreservoaret, der disse hylseventilene omfatter en fast ytterhylse og en innerhylse som er bevegelig mellom stillinger, hvor åpninger i ytterhylsen og innerhylsen kan reguleres fra en helt stengt til en helt åpen stilling. Disse hylseventiler er imidlertid komplekse i sin oppbygging.

På bakgrunn av ovenstående er det en hensikt med oppfinnelsen å frembringe en hylseventil som tåler store differansetrykk, uten at det etter en tids bruk av hylseventilen oppstår lekkasje.

Et annet formål med oppfinnelsen vil være å tilveiebringe en hylseventil der ulem-per og/eller problemer som oppstår med bruk av fleksible pakninger elimineres del-vis eller fullstendig.

Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en hylseventil der differensialtrykket medvirker for å tette av hylseventilen, slik at hylseventilen ikke lekker i en stengt stilling.

Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en hylseventil som er pålitelig og sikker.

Ytterligere et formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en hylseventil der en metall-til-metall tetning oppnås, uavhengig om det eksterne trykket er større enn det interne trykket eller også omvendt.

Nok et formål med oppfinnelsen vil være å tilveiebringe en hylseventil hvor tilste-deværende differensialtrykk aktivt bidrar til å oppnå metall-til-metall tetning som en følge av at en eller flere flater på en innsats i en ytre hylse utsettes for trykk. Formålene oppnås i henhold til oppfinnelsen ved de trekk som er angitt vedrørende an-ordningen som angitt i nedenstående beskrivelse og i de etterfølgende patentkrav.

Hylseventilen ifølge oppfinnelsen omfatter en ytre og indre hylse, der disse er anordnet koaksialt og roterende bevegelig i forhold til hverandre. Hver av hylsene er utformet med minst en gjennomgående åpning, slik at en rotasjon mellom hylsene vil medføre at åpningene i de to hylsene vil kunne bringes i kontakt med hverandre, slik at en ønsket gjennomstrømning gjennom hylseventilen tillates. Hylsene er videre slik utformet slik at det dannes en kanal eller en spalte mellom den ytre hylsens indre overflate og den indre hylsens ytre overflate, hvorved et fluid i den indre hylsen kan strømme mellom den ytre og indre hylsen. I hver av den ytre hylsens åpninger) er det anordnet en innsats, der denne innsatsen tillates en viss bevegelse i hylsens radielle retning. Innsatsen er slik utformet at den utøver et flatetrykk mot den indre hylsen, slik at det oppnås en metall-til-metall tetning når hylseventilen er stengt, for dermed å forhindre at hylseventilen lekker.

De gjennomgående åpningene i den indre hylsen kan være utformet som en eller flere åpninger, en eller flere spalter etc.

Innsatsen som er anordnet i den ytre hylsen er utformet med en gjennomgående åpning i sin aksielle lengderetning, der denne åpningen er tilpasset for å korrespondere med en eller flere åpninger i den indre hylsen. Et fluid tillates dermed å strømme gjennom innsatsen når hylseventilen er anbrakt i en åpen stilling. Innsatsens indre ende, dvs enden som ligger an mot den indre hylsens overflate når det er dannet en metall-til-metall tetning, er utformet komplementært til den indre hylsens overflate. I en avstand motsatt fra den indre enden, dvs mot en ytre ende av innsatsen, er innsatsens ytre overflate utformet med en radielt utadragende flens, der flensen strekker seg mot innsiden av den ytre hylsens åpning, slik at det dannes en spalte mellom den ytre hylsens åpning og innsatsens flens. Gjennom denne spalten vil fluid som befinner seg i den indre hylsen kunne strømme. Innsatsen er videre på sin innside, ved den indre enden, utformet med en utsparing som strekker seg i hele innsatsens omkretsretning.

I åpningen til den ytre hylsen er det anordnet en utsparing, der denne utsparing sammen med innsatsens flens danner et kammer. I dette kammer er videre minst ett spennelement anordnet, slik at spennelementet, ved å være plassert mellom et an-leggsparti i utsparingen og på flensen, presser innsatsen innover mot den indre hylsen.

Metall-til-metall tetningen som oppstår gjennom at innsatsen i den ytre hylsen presses ned mot den indre hylsens overflate tilveiebringes ved at innsatsens overflater utsettes for et differensialtrykk, samt at spennelementene utøver et trykk mot innsatsen. Spennelementene som er anordnet i kammeret vil gi et konstant bidrag til fiatetrykket som innsatsen utsettes for og således vil dette bidrag være uavhengig av differensial trykket i hylseventilen. Gjennom sin utforming vil innsatsen være utsatt for påvirkning av både det ytre og det indre trykket i hylseventilen. Dette medfører at hylseventilen, basert på maksimalt differensialtrykk den utsettes for og ønsket bidrag fra spennelementene, enkelt og korrekt kan dimensjoneres slik at det oppnås en metall-til-metall tetning som ikke vil lekke i en lukket stilling.

Spennelementet som er plassert i kammeret som dannes av den ytre hylsens utsparing og flensen til innsatsen kan utgjøres av en skruefjær, en fjær som omfatter et elastomerisk materiale, den kan utgjøres av én eller flere bladfjærer, en eller flere tallerkenfjær, eller en kombinasjon av disse. I en foretrukket utførelse utgjøres spennelementet av en stabel av tallerkenfjærer.

Når hylseventilen er i en stengt posisjon vil den radialt bevegelige innsatsen påvirkes av en kraft som tilveiebringes ved at det trykksatte fluid som befinner seg på utsiden av den ytre hylsen strømmer inn i innsatsen. Da innsatsens gjennomgående åpning er utformet symmetrisk om sin lengdeakse, vil ikke det ytre trykket påvirke innsatsen i innsatsens radielle retning. Ved at arealet av en ytre overflate på innsatsen, som påvirkes av et trykk i innsatsens aksielle retning, er større enn et areal på den innvendige utsparingen i innsatsen som utsettes for det ytre trykk, men hvor dette er motsatt rettet, er større, vil det utbalanserte arealet medføre at det ytre trykket vil gi et bidrag som vil trykke innsatsen innover mot den indre hylsen. Innsatsen vil imidlertid også bli påvirket av et indre trykk, der dette er trykket som er tilstede i den indre hylsen. Her vil fluidet som befinner seg i den indre hylsen strømme ut av hylsen og inn i mellomrommet mellom den indre og ytre hylsen og videre gjennom kanalene som dannes av innsatsens flens og den ytre hylsens åpning, for således å fylle kammeret, der også spennelementene er anordnet. Også i dette tilfellet vil symmetri i innsatsen og i åpningen i den indre hylsen ikke gi et bidrag som vil påvirke innsatsen i dens radielle retning. Ved at arealet av de flater som utsettes for et trykk som gir et bidrag i innsatsens aksielle retning er forskjellige, der arealet av flatene som tvinger innsatsen innover mot den indre hylsen er større enn arealet av flatene som tvinger innsatsen ut av anlegg fra den indre hylsen, vil det fås et utbalansert areal som gir et bidrag som vil trykke innsatsen innover mot den indre hylsen. Spennelementene som er anordnet i kammeret som dannes av den indre utsparingen i den ytre hylsen og innsatsens flens vil også bidra til at innsatsen presses innover mot den indre hylsen.

Ovenstående utforming gir dermed en hylseventil der et utbalansert areal på en ytre overflate på innsatsen som utsettes for et trykk utvendig av den ytre hylsen er lik arealet av et utbalansert areal i kammeret, som utsettes for et trykk innvendig fra den indre hylsen, der summen av disse arealene er like stort arealet av den indre enden av innsatsen som danner et flatetrykk mot overflaten av den indre hylsen, uavhengig av retning av trykkdifferansen mellom det utvendige og innvendige trykket.

Med et utbalansert areal skal det i foreliggende søknad forstås differansen mellom arealene to motsatt rettede krefter virker på; på tilsvarende måte skal differensialtrykket forstås å være differansen mellom det indre og ytre trykk hylseventilen utsettes for.

Hylseventilen kan være av en type hvor den indre og ytre hylsen er relativt til hverandre bevegelige, ved at den ytre eller indre hylsen er dreibar om produksjonsrørets lengderetning, den ytre eller indre hylsen kan være forskyvbar i produksjonsrørets lengderetning, eller også som en kombinasjon av ovenstående, der den ytre og indre hylsen eksempelvis kan være bevegelig langs en skruelinje i produksjonsrørets lengderetning. Den indre eller ytre hylsen kan videre være formet som en del av produksjonsrøret. Den ytre og indre hylsen kan ha én eller flere åpninger som kor-responderer med motsvarende åpninger med hverandre. De to hylsenes relative bevegelighet kan gjennomføres ved hjelp av et fjernstyrt verktøy som drives av en elektrisk eller hydraulisk motor, eksempelvis via kveilerør eller elektriske kabler. I begge tilfelle kan bevegelsen overføres til den indre hylsen via et gripeverktøy med spennbakker som aktiveres elektrisk eller hydraulisk. De to hylsenes bevegelighet i forhold til hverandre kan også gjennomføres med innretninger som er integrert i hylseventilen, eksempelvis en hydraulisk motor eller lignende. I tillegg til at hylseventilen er bevegelig mellom posisjoner hvor de to hylsenes åpninger er i kontakt eller ikke i kontakt med hverandre, kan hylseventilen også være bevegelig til mellomliggende posisjoner, slik at fluidstrømmen kan innstilles til mellomposisjoner mellom en stengt og fullt åpen strøm. Hylsenes åpninger kan dessuten være anordnet i rekker langs hylsene, og være anordnet symmetrisk rundt hylsene.

Oppfinnelsen skal nå forklares nærmere i tilknytning til en beskrivelse av en be-stemt utførelse, og med henvisning til tegningene, hvor:

fig. 1 viser en i lengderetning gjennomskåret hylseventil,

fig. 2 viser et tverrsnitt av en stengt hylseventil, og

fig. 3 viser et tverrsnitt av en forstørret del av hylseventilen, der hylseventilen er

lukket.

Figur 1 viser en i lengderetning gjennomskåret hylseventil 1 ifølge foreliggende

oppfinnelse. Hylseventilen 1 omfatter en ytre hylse 2 og en indre hylse 3, der disse er anordnet bevegbart i forhold til hverandre. På hver av hylsene 2, 3 er det anordnet fire åpninger 4, 18, slik at det ved rotasjon av enten den ene eller den andre hylsen 2, 3 vil medføre at åpningene 4, 18 vil overlappe hverandre i større eller mindre grad, for derved å tillate en gjennomstrømning gjennom hylseventilen 1. På figuren ses det videre at det i hver åpning 4 i den ytre hylsen 2 er anordnet en radielt bevegelig innsats 5, der dennes virkemåte og funksjon skal forklares nærmere under

henvisning til figur 2.

I en noe forstørret hylseventil 1 på figur 2 er det vist detaljer ved innsatsen 5, der innsatsen 5 tillates en radiell bevegelse i den ytre hylsen 2. Innsatsen 5 består av en maskinert hylse, der en indre ende 6 av innsatsen 5 samvirker med en overflate 7 på den indre hylsen 3, slik at det dannes en metall-til-metall tetning når det er et differensialtrykk i hylseventilen 1; den indre enden 6 kan ses å være krummet med sam-me radius som den indre hylsens overflate 7, slik at metall-til-metall tetningen som oppnås ved at hylseventilen 1 utsettes for et differensialtrykk vil være tett. Innsatsen 5 er videre på sin ytre overflate 9 i en avstand ovenfor den indre enden 6 utformet med en utadragende flens 19, der denne flensen 19 sammen med en utsparing 11 på den ytre hylsens innside samvirker og danner et kammer 12 i den ytre hylsen 2, slik at innsatsen 5 bare tillates en viss radiell bevegelse. På sin innside er innsatsen 5, ved den indre enden 6 utformet med en utsparing 21 som strekker seg i hele innsatsens 5 omkretsretning.

I kammeret 12 mellom den ytre hylsen 2 og innsatsens 5 flens 19 er det anbrakt ett eller flere spennelementer 8. Spennelementene 8 er anordnet mellom utsparingens II kant 10, som står normalt på den ytre hylsens 2 innvendige åpning 4, og en kant 20 på innsatsens 5 flens 19, slik at innsatsen 5 vil skyves innover mot den indre hylsen 3 på grunn av kraften fra spennelementene 8.

For å forhindre lekkasje mellom innsatsen 5 og åpningen 4 i den ytre hylsen 2 er det ovenfor kammeret 12 i mellom innsatsen 5 og den ytre hylsen 2 anordnet en eller flere pakninger 13.1 en utførelse av oppfinnelsen er pakningene 13 lagt i en utsparing 22 i den ytre hylsen 2, men en utsparing 23 kan også anordnes i innsatsens 5 ytre overflate 9, slik som vist på figur 3.

På figur 3 er hylseventilen 1 videre vist i en stengt posisjon, idet den indre hylsen 3 er rotert og stoppet slik at åpningene 18 til den indre hylsen 3 befinner seg mellom åpningene 4 til den ytre hylsen 2. På grunn av differensialtrykket og spennelementene 8 er innsatsen 5 presset ned til anlegg mot den indre hylsen 3, slik at det oppnås en tett metall-til-metall tetning mellom den ytre og indre hylsen 2, 3.

For at et ønsket flatetrykk mellom den indre hylsen 3 og innsatsen 5 skal oppnås, må innsatsen 5 være slik utformet at det utbalanserte areal 24 som utsettes for et ytre trykk er like stort som det utbalanserte areal 17 som utsettes for et indre trykk, idet den indre enden 6 av innsatsen 5, som utøver et flatetrykk på overflaten 7 av den indre hylsen 3, da har et areal som er summen av de utbalanserte utvendige og innvendige areal som er utsatt for et trykk.

Dette er vist på figur 3, der et utbalansert areal 24 på innsatsens 5 ytre overflate 14 utsettes for et trykk som vil frembringe en kraft som presser innsatsen 5 innover til anlegg mot den indre hylsens 3 overflate 7. Samtidig med at det ytre trykk presser innsatsen 5 nedover, vil også et indre trykk i den indre hylsen 3 bidra til en kraft

som vil presse innsatsen 5 innover mot den indre hylsen 3. Dette vil skje ved at hylseventilen 1, som er vist i en lukket posisjon på figuren, vil tillate at fluidet som

befinner seg i den indre hylsen 3 strømmer ut gjennom åpningene 18 og videre mellom den indre og ytre hylsen 3, 2, gjennom en spalte 15, for deretter å fylle kammeret 12. Her vil innsatsen 5 være slik utformet at det innvendige trykket som virker på et utbalansert areal 17 på innsatsens 5 flens 19 vil gi en kraft som medvirker at innsatsen 5 presses innover mot den indre hylsen 3, der dette utbalanserte areal 17 er like stort som det utbalanserte arealet 24 på innsatsens 5 ytre flate 14, og hvor samtidig summen av disse to arealene 17, 24 vil være like stort det areal som innsatsen 5 med den indre enden 6 utøver et flatetrykk med mot overflaten 7 av den indre hylsen 3.

Oppfinnelsen er nå forklart med en ikke begrensende utførelsesform. En fagmann vil forstå at man vil kunne utføre en rekke variasjoner og modifikasjoner ved hylseventilen som beskrevet innenfor rammen av oppfinnelsen, slik den er definert i de vedføyde krav.

Claims (9)

1. Hylseventil (1) omfattende en ytre hylse (2) og en i denne anordnet indre hylse (3), der hylsene (2, 3) er roterbare i forhold til hverandre og hvor det i hver av hylsene (2, 3) er anordnet minst et gjennomgående hull (4, 18), hvorved fluidgjennomstrømning gjennom hylseventilen (1) tillates ved overlap-ping av hylsenes (2, 3) gjennomgående åpninger (4, 18), der det i den ytre hylsens (2) gjennomgående åpning (4) er anordnet, sett i forhold til hylse-ventilens (1) lengdeakse, i det minste en radielt bevegelig innsats (5), idet en indre ende (6) av innsatsen samvirker med en overflate (7) på den indre hylsen (3) for å tilveiebringe en tetning, hvor det mellom den ytre hylsen (2) og innsatsen (5) er dannet et kammer (12), hvor det videre i kammeret (12) er anbrakt et spennelement (8), samt en eller flere pakninger (13) anordnet radielt utenfor kammeret (12) mellom den ytre hylsen (2) og innsatsen (5), karakterisert ved at et utbalansert areal på en ytre flate (14) på innsatsen (5), som utsettes for et trykk utvendig av den ytre hylsen (2) er lik arealet av et utbalansert areal (17) i kammeret (11), som utsettes for et trykk innvendig fra den indre hylsen (3), der summen av disse arealene er like stort arealet av den indre enden (6) av innsatsen (5) som skaper et flatetrykk mot overflaten (7) av den indre hylsen (3), uavhengig retning av trykkdifferansen mellom utvendig/internt trykk.

2. Hylseventil ifølge krav 1,karakterisert ved at innsatsen (5) er en sirkulær hylse med en gjennomgående åpning (16).

3. Hylseventil ifølge krav 1,karakterisert ved at spennelementet (8) kan velges blant gruppen av bladfjærer, skruefjærer, tallerkenfjærer, elastomert materiale, flere lag og/eller kombinasjoner av disse.

4. Hylseventil ifølge krav 1,karakterisert ved at de gjennomgående åpninger (18) i hylsen (3) kan være en enkelt åpning, flere mindre åpninger, en eller flere spalter etc.

5. Hylseventil ifølge krav 1,karakterisert ved at det mellom den stasjonære ytre hylsen (2) åpning (4) og innsatsens (5) ytre overflate er anordnet en spalte (15).

6. Hylseventil ifølge krav 1,karakterisert ved at spennelementet (8) er anbrakt i kammeret (12).

7. Hylseventil ifølge krav 1,karakterisert ved at hylsene (2, 3) kan være anordnet med flere gjennomgående åpninger (4, 18), på rad og rekke, vilkårlig mønster etc.

8. Hylseventil ifølge krav 1,karakterisert ved at den indre roterende hylsen (3) er hydraulisk aktiverbar eller aktiverbar ved hjelp av et for formålet eget verktøy.

9. Hylseventil ifølge krav 1,karakterisert ved at en innretning bringer hylseventilen (1) fra en stengt til en åpen stilling eller vice-verca.