NO327359B1 - Trykkutlignende stempelventil for anvendelse nedihulls - Google Patents

Description

[0001] Denne søknaden krever fordelen av den provisoriske U. S.-patentsøknaden 60/345,350, innlevert 22. oktober, 2001.

[0002] Oppfinnelsens område er nedihulls ventiler, og mer spesifikt stempel-type utligningsventiler anordnet i klaffer i brønnsikringsventiler.

[0003] Brønner inneholder typisk undergrunns sikkerhetsventiler (SSVer) som aktiveres fra overflaten ved hjelp av en styreledning som forløper ned til ventilen. Disse ventilene har en lukkestruktur under spenn, kjent som en klaff. Klaffen er spent til kontakt mot et passformet sete for isolering av en sone i brønnen fra overflaten. Klaffen står vinkelrett på brønnboringens lengdeakse når den er i den lukkede posisjonen. For å åpne ventilen, forårsaker trykk gjennom styreledningen at et strømningsrør blir beveget mot en motkraft. Strømningsrøret danner inngrep med klaffen for å rotere den 90 grader. Strømningsrøret fortsetter fremover mens klaffen posisjoneres bak det.

[0004] I enkelte brønner, med SSVen lukket og formasjonstrykket virkende mot klaffen i den lukkede posisjonen, er det ønskelig å utligne trykket på hver side av klaffen før man forsøker å rotere den ved hjelp av strømningsrøret. En ubalanse i trykket kan forekomme fordi det er gass under lavt trykk ovenfor klaffen og høyt trykk fra formasjonen nedenfor klaffen. Én, kostbar, måte å utligne trykket er å anbringe tungt fluid ovenfor klaffen. En enklere måte er å tilveiebringe en utligningsventil i klaffen, slik at strømningsrøret, når det begynner å bevege seg nedover, treffer stempelet i utligningsventilen først. Dette forårsaker at stempelet beveger seg for å utligne trykket over klaffen før klaffen presses ut av sitt sete av strømningsrøret. Noen eksempler på denne konstruksjonen er gitt i U.S.-patentene 4,475, 699 og 4,478, 286.

[0005] Innretningen av hovedkomponentene i en SSV i den lukkede posisjonen er illustrert i figur 1. SSV 10 har et legeme 12 og en klaff 14 festet i en tapp 16 til legemet 12. Klaffen 14 er spent mot den lukkede posisjonen vist av en fjær 18. Klaffen 14 står i kontakt med et sete 20 i den lukkede posisjonen vist i figur 1. Et strømningsrør 22 beveges av trykk i en styreledning (ikke vist) mot kraften fra en fjær 24. Utligningsventilen 26 er anordnet i klaffen 14 på en slik måte at ved innledende nedadgående bevegelse av strømningsrøret 22, den første kontakten opptrer mellom utligningsventilen 26 og strømningsrøret 22, hvilket resulterer i trykkutligning før strømningsrøret 22 skyver klaffen 14 vekk fra setet 20. Når strømningsrøret 22 er beveget helt ned, som vist i figur 2, befinner klaffen 14 seg bak strømningsrøret 22. Figur 2 illustrerer også den initielle posisjonen til utligningsventilen 26 når klaffen 14 er i den lukkede posisjonen i figur 1. Det kan sees at utligningsventilen treffes ute av senter av strømningsrøret 22. Én grunn til denne ikke-sentrerte kontakten er de begrensede valgmulighetene for plassering av utligningsventilen 26. Figur 3 illustrerer en skisse av undersiden av klaffen 14, og viser boringen 28 tilveiebragt i den tykke delen 30 av klaffen 14. For å oppnå en tilstrekkelig lang boring, ble den tilveiebragt i det lengstutliggende området av den tykke delen 30. Figur 6 illustrerer behovet for ikke-sentrert kontakt. Utligningsventilen 26 omfatter et stempel 32 og en boring 34 som går fra den øvre enden 36 til sideboringer 38. Når den presses ned av strømningsrøret 22, ligger side-boringene 38 nedenfor den nedre enden 40 av klaffen 14, og det etableres en utligningsstrømning. Den ikke-sentrerte kontakten anvendes i denne utførelsen for å unngå å blokkere boringen 34 ved innledende bevegelse av stempelet 32. Figur 2 illustrerer et annet aspekt ved den tidligere utførelsen. Stempelet 32 hadde en skråkant 42 for å unngå kontakt med strømningsrøret 22 når SSVen befant seg i den åpne posisjonen. Dette behovet for en klaring gjorde enden av stempelet 32 usymmetrisk, slik at korrekt orientering var nødvendig for å oppnå den ønskede klaringen til strømningsrøret 22 når SSVen ble åpnet.

[0006] Den ikke-sentrerte kontakten mellom strømningsrøret 22 og stempelet 32 tenderte til å skape et mot klokken virkende moment på stempelet 32, og resulterte i økt slitasje på andelen 44 nærmest det ikke-sentrerte kontaktpunktet. For å be-kjempe dette slitasjeproblemet ble stempelet 32 først tilvirket og målt. Deretter ble boringen 28 maskinbearbeidet til ca. 0,0254 mm større enn diameteren til stempelet 32, og begge overflatene ble glattet til 8 RMS. Problemet var at hver stempel 32 ble spesialtilpasset for hver boring 28, slik at det ikke var mulig å opprettholde et lager av reservedeler som man kunne stole på at ville fungere tilfredsstillende. Selv med kostbar maskinbearbeiding skapte problemet med overdreven slitasje som følge av ikke-sentrert kontakt et problem med hensyn til pålitelighet og vedlikehold. Følgelig er målet for foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe konstruksjonstrekk for å minimere eller på annen måte håndtere problemet med slitasje som følge av ikke-sentrert kontakt. Et annet mål med oppfinnelsen er å unngå den ikke-sentrerte kontakten som forårsaker slitasjen mens utligningsventilen 26 fortsatt fungerer tilfredsstillende. Fagmannen vil forstå hvordan oppfinnelsen oppnår disse målene fra en gjennomgang av den detaljerte beskrivelsen av den foretrukne utførelsesformen, som er gitt nedenfor.

[0007] En utligningsventil for en klaff i en SSV er beskrevet. I én utførelsesform er stempellegemet dekket av et glatt materiale i boringen i klaffen for å motvirke slitasje forårsaket av ikke-sentrert kontakt mot stempelet av strømningsrøret. I en annen utførelsesform har strømningsrøret og stempelet innbyrdes passformede, skrådde overflater for å redusere resultantmomentet om stempelet som følge av ikke-sentrert kontakt med strømningsrøret. I en annen utførelsesform treffer strømningsrøret stempelet i senteret for å unngå at det dannes et resultantmoment som vil kunne forårsake slitasje i boringen i klaffen eller på stempelet.

[0008] Figur 1 er et elevert seksjonssnitt av en SSV fra tidligere teknikk, i den lukkede posisjonen,

[0009] Figur 2 er et seksjonssnitt gjennom SSVen i figur 1, sett oppover, når SSVen er i den åpne posisjonen,

[0010] Figur 3 er en skisse av nedihullssiden av klaffen vist i figur 1, og viser posisjoneringen av boringen for utligningsventil-stempelet,

[0011] Figur 4 illustrerer klaffen ifølge foreliggende oppfinnelse, og viser hylse-lageret og den skrå kontakten med strømningsrøret,

[0012] Figur 5 viser den utførelsesformen av strømningsrøret som kontakter stempelet i eller nær senteret, og

[0013] Figur 5a er en alternativ utførelse til den i figur 5, og viser en øvre innskjæring på stempelet.

[0014] Figur 4 illustrerer to løsninger på problemet med utilbørlig slitasje på stempelet 46. Et lager 48, som kan være i én eller flere deler, kan være anordnet over stempelet 46 i boringen 50. Lageret er fortrinnsvis tilvirket av PEEK eller grafittfylt Teflon. I denne løsningen treffer strømningsrøret 52 fortsatt stempelet 46 ute av senter, men resultantmomentet forårsaker ikke slitasje på stempelet 46 eller boringen 50. Dette er på grunn av den glatte naturen til lageret 48. Klaringen mellom lageret 48, stempelet 46 og boringen 50 kan gjøres større enn den ca. 0,0254 mm store klaringen anvendt i tidligere teknikk der boringen 28 ble maskinbearbeidet etter måling av stempelet 32. Den glattingen som tidligere ble utført kan også minimeres ved bruk av et lager, så som 48. Andre materialer kan anvendes i lageret 48, idet de med en glatt beskaffenhet er foretrukket. Naturligvis må man i valget av materialer ta hensyn til de omkringliggende brønnforholdene, så som temperatur og kompatibilitet med brønnfluidene på stedet. Lageret 48 kan være i to eller flere stykker, delt i lengderetningen for å dekke 360 grader rundt stempelet 46.

[0015] I stedet for eller i tillegg til anvendelse av lageret 48, kan strømningsrøret 52 ha et skråsnitt 54 i området fra omtrent 10 grader eller mindre. Stempelet 46 rundt boringen 56 kan ha et skråsnitt 58, som fortrinnsvis motsvarer skråsnittet 54 i strømningsrøret 52. Ved at skråsnittet 58 tilveiebringes rundt boringen 56, gjøres den øvre enden 60 symmetrisk ved periferien, slik at orienteringen av denne er likegyldig når den installeres. Skråsnittet 58 reduserer også problemet med klaring til strømningsrøret 52 når klaffen 62 skyves til den åpne posisjonen. Tidligere, som illustrert i figur 2, var det en skråkant 42 som måtte være orientert i en spesifikk retning for å gi klaring til strømningsrøret 22 i den åpne posisjonen vist. Nå, som vist i figur 4, er ikke lenger orienteringen noe problem, ettersom den øvre enden 60 fortrinnsvis er symmetrisk ved sin periferi. Skråsnittet 58, i kombinasjon med symmetrien, gjør at klaringen, så som vist i figur 2, eksisterer uavhengig av orienteringen til stempelet 46 etter installering. Videre, ved å tilveiebringe skråsnittet 58 rundt boringen 56, kan man minimere det mot klokken virkende momentet, representert ved pilen 64, forårsaket av den ikke-sentrerte kontakten mellom stempelet 46 og strømningsrøret 52. Dette er fordi at en horisontal kraftkomponent, representert ved pilen 66, dannes i kontaktflaten mellom skråsnittet 58 og skråsnittet 54. Jo større vinkelen er, desto større blir den horisontale kraft-komponenten 66. Det er imidlertid begrensninger på denne vinkelen, for dersom den gjøres for stor, så vil problemet med slitasje bare skifte side i forhold til den tidligere utførelsen, som vist i figur 6. Samtidig anvendelse av et lager 48 vil imidlertid øke det tillatelige området av kontaktflatevinkler til så mye som omtrent 25-30 grader mellom strømningsrøret 52 og stempelet 46.

[0016] Figur 5 illustrerer en annen mulighet, som kan anvendes alene eller sammen med den ene av eller begge mulighetene beskrevet i figur 4.1 dette tilfellet treffes stempelet 68 i eller nær sitt senter av strømningsrøret 70. Boringen 72 kan være stengt av i den øvre enden 74 med en plugg 76, eller være åpen slik at den blokkeres av strømningsrøret 70. Sidepassasjer 78 gjør det mulig for strømning som kommer inn i boringen 72 fra sidepassasjer 80 å strømme ut når stempelet 68 forskyves av strømningsrøret 70. Som følge av at kontakten skjer i eller nær senteret, vil momentet forårsaket av ikke-sentrert kontakt reduseres, om ikke forsvinne. Ved å kombinere med de andre trekkene, som vist i figur 4, kan samme resultat bli oppnådd med en mer ikke-sentrert kontakt på måten beskrevet tidligere. Sidepassasjene 78 muliggjør sentrert kontakt med strømningsrøret 70 uten blokkering av utligningsstrømningen. Et annet alternativ til denne frem-gangsmåten er å tilveiebringe slisser 75 i den øvre enden 74 av stempelet 68 (se figur 5a). Dette reduserer risikoen for blokkering av sidepassasjene 78 (se figur 5) i boringen 72.

[0017] Fagmannen vil forstå at i de illustrerte utførelsesformene, stempelet spennes mot en posisjon som vil hindre en utligningsstrømning gjennom den inntil den blir forskjøvet av strømningsrøret, før strømningsrøret kommer i kontakt med klaffen for å rotere denne 90 grader. Stempelet er sleidbart fastholdt i klaffen på en slik måte at den ikke faller ut. Disse kjente trekkene har ikke blitt diskutert i detalj, ettersom de er kjente for fagmannen og ikke er fokus for foreliggende oppfinnelse.

[0018] Mens den foretrukne utførelsesformen har blitt beskrevet ovenfor, vil fagmannen forstå at andre mekanismer er tenkelige for å utføre oppgaven til foreliggende oppfinnelse, rammen til hvilke er begrenset av de etterfølgende kravene, korrekt tolket for sin bokstavelige og ekvivalente ramme.

Claims (19)

1. Nedihulls sikkerhetsventil, omfattende: et legeme (12); en klaff (14) og et tilpasset sete (20) i nevnte legeme (12), idet nevnte klaff (14) er dreibart anordnet mellom en lukket posisjon mot nevnte sete (20) og en åpen posisjon ute av fra nevnte sete (20); et strømningsrør (22, 52, 70) bevegelig i en aksiell retning og for selektivt inngrep med nevnte klaff (14) for å drive den til dens åpne posisjon; karakterisert ved: et stempel (32,46, 68) med en lengdeakse i en rett boring gjennom nevnte klaff (14), idet nevnte strømningsrør (22, 52, 70) innledningsvis kontaker nevnte stempel (32, 46, 68) hovedsaklig i linjeføring med sin lengdeakse for trykkutligning gjennom nevnte klaff (14) utelukkende gjennom nevnte boring.

2. Ventil ifølge krav 1, videre omfattende et lager (48) i nevnte boring for kontakt med nevnte stempel (32,46, 68) for å lette frem- og tilbakegående bevegelse av denne i nevnte boring.

3. Ventil ifølge krav 2, der klaringen mellom nevnte stempel (32, 46, 68) og nevnte boring er større enn 0,0254 mm.

4. Ventil ifølge krav 1, der nevnte stempel (32, 46, 68) omfatter en strømningsvei derigjennom, idet nevnte strømningsvei er blokkert inntil nevnte strømningsrør (22, 52, 70) forskyver nevnte stempel (32, 46, 68).

5. Ventil ifølge krav 4, der en andel av nevnte strømningsvei forløper langs lengdeaksen til nevnte stempel (32, 46, 68).

6. Ventil ifølge krav 5, der nevnte strømningsvei omfatter minst én første sidepassasje avstengt av nevnte klaff (14) inntil nevnte stempel (32, 46, 68) blir beveget av nevnte strømningsrør (22, 52, 70).

7. Ventil ifølge krav 6, der nevnte stempel (32, 46, 68) omfatter en lukket øvre ende hvor nevnte strømningsrør (22, 52, 70) treffer den og minst én andre sidepassasje for å gjøre det mulig for utligningsstrømning fra nevnte første sidepassasje å strømme ut fra nevnte boring i nevnte klaff (14).

8. Ventil ifølge krav 6, der nevnte stempel (32, 46, 68) omfatter minst én fordypning der hvor nevnte strømningsrør (22, 52, 70) er i kontakt med den for å tjene som en andre sidepassasje for å gjøre det mulig for utligningsstrømning fra nevnte første sidepassasje å strømme ut fra nevnte boring i nevnte klaff (14).

9. Ventil ifølge krav 2, der nevnte lager (48) er delt i lengderetningen.

10. Ventil ifølge krav 2, der nevnte stempel (32, 46, 68) omfatter en øvre endeavfasing skrånende symmetrisk rundt nevnte lengdeakse.

11. Ventil ifølge krav 10, der nevnte avfasede ende av nevnte stempel (32, 46, 68) er ute av kontakt med nevnte strømningsrør (22, 52, 70) etter at nevnte strømningsrør (22, 52, 70) har skjøvet nevnte klaff (14) til nevnte åpne posisjon, uavhengig av orienteringen til nevnte stempel (32, 46, 68) om sin lengdeakse.

12. Ventil ifølge krav 10, der nevnte strømningsrør (22, 52, 70) omfatter en nedre avfaset ende med en skråflate som er hovedsaklig lik nevnte øvre avfasede ende av nevnte stempel.

13. Ventil ifølge krav 10, hvori nevnte stempel (32, 46, 68) omfatter en gjennomgående passasje med en øvre utgang linjeført med nevnte langsgående akse.

14. Ventil ifølge krav 13, der nevnte strømningsrør (22, 52, 70) kommer i kontakt med nevnte stempel (32, 46, 68) på en måte som ikke fullstendig blokkerer nevnte utgang.

15. Ventil ifølge krav 12, der nevnte skråflater på nevnte strømningsrør (22, 52, 70) og nevnte stempel (32, 46, 68) skrår opptil omtrent 30 grader, målt fra nevnte stempels lengdeakse.

16. Ventil ifølge krav 1, hvori nevnte stempel (32, 46, 68) omfatter en øvre endeavfasing som er skrådd symmetrisk rundt nevnte lengdeakse, i det nevnte avfasing som kommer i kontakt med en hovedsakelig sammenpassende avfasing på nevnte strømningsrør (22, 52, 70), idet stempelet (32, 46, 68) når den forflyttes av strømningsrøret (22, 52, 70) direkte utlikner trykket over klaffen (14) før nevnte klaff (14) beveges vekk fra nevnte sete (20).

17. Ventil ifølge krav 16, der nevnte avfasede ende av nevnte stempel (32, 46, 68) er ute av kontakt med nevnte strømningsrør (22, 52, 70) etter at nevnte strømningsrør (22, 52, 70) har skjøvet nevnte klaff (14) til nevnte åpne posisjon, uavhengig av orienteringen til nevnte stempel (32, 46, 68) rundt sin lengdeakse.

18. Ventil ifølge krav 16, der nevnte strømningsrør (22, 52, 70) omfatter en nedre avfaset ende med en skråflate som er hovedsaklig lik den til nevnte øvre avfasede ende av nevnte stempel.

19. Ventil ifølge krav 16, der: nevnte stempel (32, 46, 68) omfatter en passasje derigjennom med en øvre utgang linjeført med nevnte lengdeakse; og nevnte strømningsrør (22, 52, 70) kontakter nevnte stempel (32, 46, 68) på en måte som ikke fullstendig blokkerer nevnte utgang.