NO329437B1 - Kuleventilenhet - Google Patents

Abstract

Kuleventilenheten (10) inkluderer et ventilhus (12), en kule (14), en setering (30), en holdering. (40) og en aktuatorhylse (50) som omgir kulen og er aksialt bevegelig inne i ventilhuset for rotasjon av kulen mellom den åpne posisjon og den stengte posisjon. Et flertall av tetninger tetter mot seteringen, aktuatorhylsen, holderingen og ventilhuset. Aktuatorhylsen (50) opprettholder fluidtrykk inne i ventilhuset. Hver av kulen, holderingen og seteringen er dannet av et selektivt materiale for å øke levetiden til kuleventilenheten. Hver pinne (80, 82) i et par av pinner strekker seg i et spor inne i kulen, og hull i hylsen, og paret av pinner og kulen roterer fortrinnsvis i forhold til hylsen når hylsen beveges aksialt inne i ventilhuset.

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører kuleventiler, og mer bestemt en kuleventil til bruk i et olje- og gassproduksjonssystem, og særlig inne i en produk-sjonsrørhenger i et produksjonstre.

Olje- og gassproduksjonsindustrien har historisk sett stolt på sluseventiler for regulering av fluidstrøm. Kuleventiler er selvsagt i utstrakt bruk innen andre industrier, eksempelvis i rørsystemer for håndtering av forskjellig fluider. Kuleventiler har nå og da blitt brukt i olje- og gassproduksjonsindustrien, men en kuleventil er generelt ikke ansett som så pålitelig som en sluseventil, hvilket skyldes bekymringer angående pålitelig tetning mellom setene og det ene eller flere av ventilhuset, ventilaktuatoren og/eller kulen. Sluseventiler er imidlertid generelt sett ganske omfangsrike og kostbare sammenlignet med kuleventiler. I olje- og gass-produksjonssystemer er størrelsen av ventilen ofte et vesentlig anliggende siden området rundt produksjonstreet er begrenset, og produksjonstreet inkluderer tall-rike utstyrsdeler, så som omfangsrike sluseventiler, som må pålitelig vedlikehol-des, og om nødvendig byttes ut.

Relevante patenter som beskriver kjent teknikk inkluderer Beazley 5.313.979; Kemp 4.911.408; Kemp 4.899.980; Halpine 4.113.231; Moran 4.147.327; Scaramucci 4.254.793; Mohrfeld 4.815.700; Godfrey et al. 5.338.001; Milberger et al. 4.317.490; Noack et al. 5.551.665; Morgan 5.575.336 og Muchow 4.386.756. US-patentnr. 6.293.513 beskriver en kuleventil som har et konvekst sete. US-patent nr. 6.176.316 beskriver en undervanns brønnhodeenhet med kuleventiler anordnet inne i de vertikale boringer i tresammenstillingen som er montert i produksjonsstrømmen. US-patent nr. 5.575.363 beskriver en sikkerhetsventil til bruk i et horisontalt tre. Enheten inkluderer en sylindrisk spole som holdes for rotasjon rundt sin lengdeakse i ventilhuset. US-patent nr. 4.415.037 beskriver en kuleventilenhet som er designet til å eliminere i stykker rivning av den ringformede elastomeriske tetning som er i inngrep med omkretsen av kulen som respons på overdreven stor belastning. UK patentsøknad nr. 2.358.207 beskriver en undervanns brønnhodeenhet som bruker et par kroneventiler, et par reguleringsventiler, en kryssløpsventil og en ringformet hovedventil og en annen kroneventil. Søknad WO 00/15943 beskriver en kuleventil som er tiltenkt å bli avlastet fra et ventilsete under rotasjon. Søknad WO 01/53654 beskriver en hylseventil og en hydraulisk aktuert kuleventil som er anordnet i ringromsboringen i et produksjonsrørhenger-hus.

Ulempene ved kjent teknikk overvinnes ved den foreliggende oppfinnelse, og en forbedret og relativt kompakt kuleventilenhet vil heretter bli beskrevet, hvilken særlig har anvendbarhet i et olje- og gassproduksjonssystem.

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører en kuleventilenhet, omfattende:

et ventilhus som har en innløpsport, en utløpsport, en passasje mellom disse for overføring av fluid, og i det minste det ene av en hydraulikkport for åpning av ventilen og en hydraulikkport for stenging av ventilen. En kule inne i ventilhuset innehar en gjennomgående port og en sfærisk utvendig overflate. Kulen er roterbar inne i ventilhuset for rotasjon mellom en åpen posisjon og en stengt posisjon. En setering er plassert inne i ventilhuset for tettende inngrep med den sfæriske utvendige overflate av kulen når kulen er i den stengte posisjon og fluidtrykk er oppstrøms eller nedstrøms kulen. En holdering er tilveiebrakt for inngrep med den utvendige overflate av kulen når kulen er i den stengte posisjon, og for å holde kulen når fluidtrykk er oppstrøms kulen. En aktuatorhylse omgir kulen og er aksialt bevegelig inne i ventilhuset for å rotere kulen mellom den åpne posisjon og den stengte posisjon, idet hydraulisk trykk i den minst ene hydraulikkport beveger aktuatorhylsen aksialt inne i ventilhuset. Videre omfatter kuleventilenheten en første tetning mellom seteringen og aktuatorhylsen, en andre tetning mellom holderingen og aktuatorhylsen, en tredje tetning mellom aktuatorhylsen og ventilhuset, en fjerde tetning mellom seteringen og ventilhuset, en femte tetning mellom holderingen og ventilhuset, og der den fjerde tetning har en diameter som er større enn den første tetning, slik at fluidtrykk innenfor seteringen utøver en kraft på den første tetning, og den fjerde tetning, hvilken overføres til seteringen i en aksial retning mot kulen.

Videre vedrører oppfinnelsen en kuleventilenhet, omfattende:

et ventilhus som har en innløpsport, en utløpsport, en passasje mellom

disse for overføring av fluid fra innløpsporten til utløpsporten, og minst det ene av en hydraulikkport for åpning av ventilen og en hydraulikkport for stenging av ventilen, en kule inne i ventilhuset med en gjennomgående port og en sfærisk utvendig overflate, idet kulen roteres inne i ventilhuset for rotasjon mellom en åpen posisjon og en stengt posisjon, en setering med en overflate med konkav radius

inne i ventilhuset for tettende inngrep med den sfæriske utvendige overflate av kulen når kulen er i den stengte posisjon og fluidtrykk er oppstrøms eller ned-strøms kulen, en holdering for inngrep med den utvendige overflate av kulen når kulen er i den stengte posisjon, og for å holde kulen når fluidtrykk er oppstrøms kulen, idet den ene av holderingen og kulen inkluderer en fluidpassasje for å hindre tettet inngrep mellom kulen og holderingen, en aktuatorhylse som omgir kulen og som er aksialt bevegelig inne i ventilhuset for rotasjon av kulen mellom den åpne posisjon og den stengte posisjon, idet hydraulisk trykk i den minst ene hydraulikkport beveger aktuatorhylsen 50 aksialt inne i ventilhuset, aktueringshylsen er sammenhengende mellom en øvre ende ovenfor kulen og en nedre ende nedenfor kulen, slik at aktueringshylsen opprettholder fluidtrykk inne i ventilhuset når kulen er i den åpne posisjon, og aktuatorhylsen holder en flerhet av styreringer med innbyrdes aksial avstand for å minimalisere metall-mot-metallkontakt mellom hylsen og ventilhuset.

Kuleventilenheten kan inkludere et ventilhus som har en innløpsport, en ut-løpsport, en passasje mellom disse portene for overføring av fluid, en hydraulikkport for åpning av ventilen og en hydraulikkport for stenging av ventilen. En kule som er posisjonert inne i ventilhuset kan ha en gjennomgående port, og roteres mellom den åpne og stengte posisjon som respons på aksial bevegelse av en aktuatorhylse som omgir kulen, og som er bevegelig responsivt på hydraulisk trykk i én av de hydrauliske porter. En setering inne i ventilhuset kan tette mot den sfæriske utvendige overflate av kulen når kulen er stengt og fluidtrykk er opp-strøms eller nedstrøms kulen. En holdering er i inngrep med den utvendige overflate av kulen, og holder kulen når fluidtrykk er oppstrøms kulen.

Et særlig trekk ved oppfinnelsen er å forsyne kuleventilenheten med en første tetning mellom seteringen og aktuatorhylsen, en andre tetning mellom holderingen og aktuatorhylsen, en tredje hylsetetning mellom aktuatorhylsen og ventilhuset, en fjerde tetning mellom seteringen og ventilhuset og en femte tetning mellom holderingen og ventilhuset. Den første tetning og den fjerde tetning er slik dimensjonert at trykket inne i seteringen utøver en aksialt rettet kraft på seteringen, hvilken overføres til kulen. Et beslektet trekk ved oppfinnelsen er at hver av seteringen og holderingen har en hovedsakelig sfærisk konkav overflate for kuleinngrep som passer til inngrep med kulens utvendige overflate. Hver av seteringen og holderingen inkluderer fortrinnsvis også en innvendig konveks overflate i en avstand mellom kuleinngrepsoverflaten og den innvendige diameter i ringen, og en utvendig overflate med konveks radius i en avstand mellom kuleinngrepsoverflaten og den utvendige diameter av ringen. Overflaten med konkav radius på seteringen tilveiebringer en lavtrykkstetning med kulen, og den innvendige overflate med konveks radius på seteringen tilveiebringer høytrykkstetning når diameteren av seteringen øker.

Et vesentlig trekk ved oppfinnelsen er at aktuatorhylsen omgir kulen og er aksialt bevegelig inne i ventilhuset for rotasjon av kulen mellom den åpne posisjon og den stengte posisjon, idet hydraulisk trykk i minst én hydraulikkport beveger aktuatorhylsen inne i ventilhuset. Holderingen som er i inngrep med den utvendige overflate av kulen når kulen er i den stengte posisjon og holder kulen når fluidtrykket er oppstrøms fra kulen hindres i tettende inngrep mellom kulen og holderingen. Fluidpassasjen for å hindre tettende inngrep mellom kulen og holderingen kan være anordnet enten i kulen eller holderingen. Aktueringshylsen er kontinuerlig mellom en øvre ende over kulen og en nedre ende under kulen, slik at aktuatorhylsen opprettholder fluidtrykk inne i ventilhuset når kulen er i den åpne posisjon.

Som et ytterligere trekk ved oppfinnelsen kan både kulen og kuleinngrepsringen fortrinnsvis være dannet av et høyfast materiale, mens seteringen er dannet av et lavfast materiale. Et høyfast belegg kan være anordnet på overflater av seteringen som tilveiebringer tettende inngrep med kulen. En setering kan være dannet av stål, rustfritt stål, et nikkelbasert materiale, et titaniumbasert materiale eller et beryllium koppermateriale, mens kulen og kuleinngrepsringen av holderingen kan være dannet av et keramisk materiale eller et wolfram karbidmateriale.

Enda et annet trekk ved oppfinnelsen kan være at kulen inkluderer radialt motstående flate partier for samvirkning med korresponderende flate partier på aktuatorhylsen. Et par av motstående pinneelementer som hver strekker seg mellom et flatt parti på kulen og et korresponderende flatt parti på aktuatorhylsen er posisjonert inne i et spor i kulen og et korresponderende hull i aktuatorhylsen for å rotere kulen mellom den åpne posisjon og den stengte posisjon som respons på aksial bevegelse av aktuatorhylsen.

Et trekk ved oppfinnelsen kan være at tetninger som tetter både boringens trykk og trykk i hydraulikkfluidet inkluderer en flerhet av tetningselementer i en innbyrdes aksial avstand, med mykere tetningselementer nær fluidtrykket og hardere tetningselementer nedstrøms fra fluidtrykket. Et relatert trekk ved oppfinnelsen er at hver av disse tetningene er toveis tetninger.

Tetningene som er i inngrep med seteringen forårsaker at seteringen beveger seg mot kulen som respons på hydraulikkfluid-trykk inne i det indre av seteringen, mens tetningene som er i inngrep med holderingen ikke resulterer i en vesentlig kraft som presser holderingen mot kulen når fluidtrykk er inne i holderingen.

Et annet trekk ved oppfinnelsen kan være at hver av seteringen og holderingen har en veggtykkelse fra 0,3 til 0,6 ganger radien i boringen gjennom den respektive ring.

Et ytterligere trekk ved oppfinnelsen kan være at aktiveringsfjærer kan brukes til å presse seteringen henholdsvis holderingen mot kulen.

Enda et annet trekk ved oppfinnelsen kan være at aktuatorhylsen holder en flerhet av styreringer i en innbyrdes aksial avstand for å minimalisere kontakt mellom aktuatorhylsen og ventilhuset.

Enda et ytterligere trekk ved oppfinnelsen kan være at ventilhuset er forsynt med både en hydraulikkport for åpning av ventilen og en hydraulikkport for stenging av ventilen for aksial bevegelse av aktuatorhylsen, og at seteringen opprettholder hydraulisk trykk på utsiden av seteringen og at holderingen opprettholder hydraulisk trykk på utsiden av holderingen.

Et ytterligere trekk ved oppfinnelsen kan være at holderingen kan omfatte en kuleinngrepsring for inngrep med den utvendige overflate av kulen, og en tetningsring med et ulikt materiale i en avstand motsatt kulen i forhold til kuleinngrepsringen. En forbindelse mellom kuleinngrepsringen og tetningsringen behøver ikke å tilveiebringe en tetningsintegritet, siden tetningen mellom aktuatorhylsen og tetningsringen er anordnet i en avstand motsatt kulen i forhold til forbindelsen mellom de ulike materialer av holderingen.

Et ytterligere trekk ved oppfinnelsen kan være at det kan være anordnet et ventilasjonshull i kulen for ventilering av trykk fra den utvendige sylindriske overflate av kulen til den gjennomgående port i kulen. Et ventilasjonshull kan også være anordnet i hvert av pinneelementene som forbinder aktuatorhylsen til kulen.

Et ytterligere trekk ved oppfinnelsen kan være at pinneelementene som forbinder kulen til aktuatorhylsen er laget slik at rotasjon av hvert pinneelement i forhold til kulen er begrenset, slik at pinneelementene og kulen roterer som en enhet i forhold til aktuatorhylsen under bevegelse av aktuatorhylsen.

Et annet trekk ved oppfinnelsen kan være at ventilhuset kan være en pro-duksjonsrørhenger for å bære en produksjonsrørstreng i en brønn. I alternative utførelser er ventilhuset en manifoldblokk eller en nedihulls sikkerhetsventil.

En vesentlig fordel ved den foreliggende oppfinnelse kan være at komponentene i kuleventilen er lett tilgjengelige, hvilket muliggjør økonomisk fremstilling, bruk og reparasjon av kuleventilen, hvilken har forbedret levetid og høy pålitelighet sammenlignet med ventiler ifølge kjent teknikk.

En annen fordel ved den foreliggende oppfinnelse kan være at ventilhuset for kuleventilenheten kan anta forskjellige utforminger, så som huset i en produk-sjonsrørhenger, huset for en nedihulls sikkerhetsventil, eller huset av en manifold.

Disse og ytterligere hensikter, trekk og fordeler ved den foreliggende oppfinnelse vil fremgå av den følgende detaljerte beskrivelse, hvor det vil bli vist til figurene på de ledsagende tegninger.

Kort beskrivelse av tegningene:

Figur 1 er et tverrsnittsriss av en kuleventilenhet med de viste komponenter posisjonert inne i et ventilhus. Figur 2 er et forstørret riss av tetningene mellom ventilhuset og en øvre mutter, og mellom den øvre mutter og en setering. Figur 3 er et forstørret riss av tetningen mellom aktuatorhylsen og ventilhuset. Figur 4 er et forstørret riss av tetningen mellom aktuatorhylsen og holderingen. Figur 5 er et forstørret riss av tetningen mellom holderingen og ventilhuset.

Figur 6 viser kulen i den stengte posisjon.

Figur 7 viser kulen i den åpne posisjon.

Figur 8 viser den innbyrdes forbindelse mellom kulen og aktueringshylsen.

Figur 9 viser en nedre ende av seteringen for tetning mot kulen.

Figur 10 viser en øvre ende av holderingen for å holde kulen.

Figur 11 viser et parti av kulen som generelt er vist på figur 1.

Figur 1 viser én utførelse av kuleventilenheten 10 i henhold til den foreliggende oppfinnelse, inkludert ventilhuset 12 og en kule 14 inne i ventilhuset for rotasjon mellom en åpen posisjon og en stengt posisjon, for å regulere fluidstrøm gjennom ventilhuset. Ventilhuset 12 inkluderer en innløpsport 16, en utløpsport 18 og en passasje 20 mellom disse for overføring av fluid mellom innløpsporten til ut-løpsporten. Kulen 14 som er posisjonert inne i passasjen 20 har en gjennomgående port 22 og en sfærisk utvendig overflate 24. Aktuatorhylsen 50 beveger seg for å rotere kulen 14 inne i passasjen 20 mellom den åpne posisjon og den stengte posisjon. Operasjonen av ventilen, og komponenter for å operere ventilen, og komponenter for tetning i ventilen, er omtalt nedenfor.

Fagpersoner innen området vil forstå at i en foretrukket utførelse befinner alle de komponenter som er vist på figur 1 seg inne i ventilhuset, hvilket fortrinnsvis ville være tilfelle hvis komponentene ble installert inne i et ventilhus som var en produksjonsrørhenger for opphenging av en produksjonsrørstreng i en brønn. Ut-formingen av selve ventilhuset kan være forskjellig avhengig av anvendelsen. Ventilen ifølge den foreliggende oppfinnelse er imidlertid særlig utformet for operasjon inne i en fluidstrøm hvor en setering tetter mot den stengte kule når fluidtrykk enten er oppstrøms eller nedstrøms kulen.

Seteringen 30 som vist på figur 1 er et hylseformet element med en kule-seteflate 32. Holderingen 40 er anordnet til inngrep med den utvendige overflate 24 av kulen når kulen er i den stengte posisjon, og til å holde kulen når fluidtrykk er oppstrøms kulen. Ventilens operasjon styres av aksial bevegelse av aktuatorhylsen 50, hvilken som vist omgir kulen 14 og er bevegelig langs aksen 11 i ventilhuset 12 for rotasjon av kulen 14 mellom den åpne posisjon og den stengte posisjon.

Kuleventilenheten 10 som vist på figur 1 inkluderer en første tetning 60 mellom seteringen 30 og aktuatorhylsen 50, en andre tetning 62, som kan være iden-tisk til den første tetning, for tetning mellom holderingen 40 og aktuatorhylsen 50 (se figur 4), og en tredje tetning 64 for tetning mellom aktuatorhylsen 50 og ventilhuset 12 (se figur 3). Den fjerde tetning, som kan være en kombinasjon av tetninger 98 og 99, er omtalt nedenfor.

Andre komponenter i enheten som er vist på figur 1 inkluderer en femte tetning 66, som bedre vist på figur 5, mellom holderingen 40 og ventilhuset. Tetningen 66 er følgelig fastholdt mellom en nedre avstandsring 68 som omgir holderingen 40 og nedre mutter 70, som kan være gjenget på ventilhuset. Rotasjon av mutteren 70 komprimerer følgelig tetningen 66, siden avstandsringen 68 er fastholdt mot endeflaten 72 på ventilhuset. Under installasjon kan ringen 68 og tetningen 66 posisjoneres inne i passasjen 20 i ventilhuset, deretter posisjoneres bølge-fjæren 74 og holderingen inne i passasjen i ventilhuset. Bølgefjæren 74 virker mellom flensen 42 på holderingen 40 og den nedre mutter 70, som er fastholdt til ventilhuset, og forbelaster derved holderingen mot kulen.

Holderingen, 40 i likhet med seteringen 30, er et hylseformet element. Ringen 40 som vist på figur 1 inneholder både en kuleinngrepsring 44 og en hylseformet tetningsring 46. Den innbyrdes forbindelse mellom den høyfaste ringen 44 og den forholdsvis lavfaste tetningsringen 46 kan være laget ved hjelp av forskjellige utforminger, inkludert en gjenget forbindelse, en presspasning eller sveising. Siden en fluidtett forbindelse mellom delene 44 og 46 ikke er påkrevd, kan det eksistere en glidende forbindelse mellom disse deler.

Det skal igjen vises til figur 1, hvor en nedre stempelmutter 75 er gjenget på en nedre ende av aktuatorhylsen 50, og fastholder tetningsringen 76 og tetningen 62 mellom skulderen 78 på aktueringshylsen og den nedre stempelmutter 75. En øvre mutter 84 fastholder tilsvarende tetningen 60 og tetningsringen 86 mot skulderen 88 på aktuatorhylsen. Et par pinner 80 og 82 forbinder kulen 14 og hylsen 50, som omtalt nærmere nedenfor.

En øvre mutter eller et annet ringformet metallegeme 90 og en tetningshol-derring 94 fullfører enheten, idet ringen 94 har utvendige gjenger 96 for inngrep med motsvarende gjenger på ventilhuset, og komprimerer tetningen 98 mot den øvre mutter 90. Bølgefjæren 102 virker mellom mutteren 90 og flensen 34 på seteringen 30 for å forbelaste seteringen mot kulen på en måte som tilsvarer hvordan bølgefjæren 74 virker mot holderingen. Tetningen 99 tetter mellom mutteren 90 og seteringen 30, slik at kombinasjonen av tetningene 98 og 99, hvilken kan anses som den fjerde tetning, tetter mellom den øvre setering 30 og ventilhuset 12. Bruk av to tetninger 98, 99 og mutteren 90 muliggjør følgelig enkelhet ved fabrikasjon og sammenstilling av komponentene inne i ventilhuset.

Ifølge en foretrukket utførelse har aktiveringsfjærene 74 og 102 en hovedsakelig lik forbelastende kraft for forbelastning av holderingen 40 henholdsvis seteringen 30 mot kulen. Den aksialt frembrakte forbelastende kraft fra hver av disse fjærene er tilstrekkelig til å overvinne friksjonen fra tetningene 62 henholdsvis 60, mellom den respektive ring og aktuatorhylsen.

Som vist på figur 9 inkluderer seteringen 30 en hovedsakelig sfærisk overflate 32 med konkav radius for kuleinngrep for tettende inngrep med den utvendige overflate 24 av kulen 14. Holderingen 40, som vist på figur 10, har en tilsvarende overflate 48 med konkav radius som passer sammen med den utvendige overflate 24 av kulen. Ringene 30, 40 har sfæriske konkave overflater 32, 48 som er gitt konturer for å tilveiebringe en stor tetningsflate med lavt trykk på ringen 30 for inngrep med kulen, og for å minimalisere konsentrerte spenninger ved grenseflaten mellom holderingen 40 og kulen. Hver ring 30 og 40 inkluderer også en overflate 104, 106 med konveks radius i en avstand mellom overflaten 32, 48 med konkav radius og en innvendig diameter i hver ring. I en foretrukket utførelse har hver overflate 104, 106 med konkav radius en radius som er mindre enn én halvpart av en veggtykkelse av den respektive ring. I en foretrukket utførelse har overflaten 106 med konveks radius på holderingen 40 en betydelig større radius, og fortrinnsvis minst 50% større, enn overflaten 104 med konveks radius på seteringen. Overflaten 32 med konkav radius på seteringen tilveiebringer en lavtrykkstetning for tettende inngrep med kulen, og overflaten 104 med konveks radius tilveiebringer et høytrykks tettende inngrep med kulen når seteringen 30 "vokser" eller utvides i diameter på grunn av høytrykks fluidkrefter og krefter som overføres til seteringen 30 fra kulen. De tettende overflater av seteringen 30 som har kontakt med kulen 14 har følgelig en sammensatt kurvatur, bestående av et konkavt parti og én eller flere konvekse partier.

Veggtykkelsen av hver ring 30, 40 bør forstås å være tykkelsen 108 for seteringen 30 og tykkelsen 110 for holderingen 40. Hver av seteringen og holderingen har fortrinnsvis en veggtykkelse 108, 100 fra 0,3 til 0,6 ganger radien 116, 118 av boringen gjennom den respektive ring. Hver ring 30, 40 inkluderer videre en andre overflate 112, 114 med konveks radius i en avstand mellom overflaten med konkav radius og den utvendige diameter av hver ring, idet denne overflaten igjen har en radius som er mindre enn én fjerdedel av veggtykkelsen av den respektive ring.

Som kort omtalt ovenfor styres kulens bevegelse av aksial bevegelse av aktuatorhylsen 50, hvilket utføres ved innføringen av fluidtrykk i åpningsporten 120 eller stengeporten 122. Fagpersoner innen området vil forstå at forskjellige port-arrangementer kan brukes for å tilveiebringe fluidtrykk til hylsen, hvilket vil forflytte hylsen aksialt og rotere kulen. Hvis det er ønskelig kan bevegelse av hylsen i én retning, eksempelvis i retningen for å stenge ventilen, utføres med en forbelast-ningsfjær, slik at fluidtrykk overvinner forbelastningskraften for å åpne ventilen.

Som vist på figur 1 inkluderer hver av tetningene 60, 62, 66, 98 og 99 en flerhet av tetningselementer med innbyrdes aksial avstand. Ifølge den foreliggende oppfinnelse er de mykere tetningselementer anordnet nær fluidtrykket, og de hardere tetningselementer befinner seg aksialt nedstrøms fra fluidtrykket. Ved antag-else av at kulen er stengt og at trykket er nedstrøms for kulen, inkluderer tetningen 62 for eksempel tetningselementer 62A, 62B med en innbyrdes aksial avstand, hvilke er dannet av en relativt myk elastomer, og én eller flere tetningselementer 62M, 62N som er dannet av et hardere tetningselement, så som en plast eller et mykt metall. Hver av disse tetningene tetter også hydraulikkfluid-trykk som er tilveiebrakt i én av portene 120,122. Som vist på figur 2, 4 og 5 er hver av disse tetningene også en toveis tetning, det vil si at hver tetning inkluderer fluidaktiverte tetningselementer, idet ett av disse tetningselementene aktiveres med fluidtrykk (enten boringens trykk eller hydraulisk trykk) uten hensyn til om hvorvidt trykket er oppstrøms eller nedstrøms tetningen. Hver av disse tetningene inkluderer også stablede tetningselementer eller tetningselementer med innbyrdes aksial avstand, idet tetningselementene for hver tetning fortrinnsvis er i et felles hulrom i ventilen. Hver av tetningene 60, 62 holdes på en respektiv skulder av aktueringshylsen når fluidtrykk påføres, uansett om dette er skulderen 78, skulderen 88 eller skulderen som er dannet av mutteren 75 eller 84. Hver av tetningene 66, 98 og 99 holdes også på en skulder av ringen 72, mutter 70, mutteren 90 eller holderringen 94 når boringstrykk påføres, idet hver skulder er festet til ventilhuset. Tetningene kan funksjonere ved forhøyede temperaturer på 121,1 °C eller høyere.

Som vist på figur 1 og 3 tilveiebringer tetningen 64 en pålitelig tetning mellom aktuatorhylsen 50 og ventilhuset 12. Tetningen 64 omfatter fortrinnsvis en flerhet av styreringer 170,172 og 174 med innbyrdes aksial avstand, idet hver av disse ringene, uten hensyn til om de er fremstilt av en plast, metall eller et annet materiale, minimaliserer metall-mot-metall kontakten mellom hylsen 50 og huset 12. Tetningen 64 beveges sammen med aktuatorhylsen under operasjon av ventilen, og utsettes følgelig for hydraulikkfluid-trykket inne i portene 120, 122. En liten mengde lekkasje forbi tetningen 64 er tillatt, siden den nedstrøms side av tetningen 64 er ventilert når hydraulisk trykk påføres på oppstrøms side av tetningen.

Den første og fjerde tetning tetter, det vil si tetningen 60 og tetningene 98, 99, tetter mot en utvendig diameter av seteringen. Den utvendige diameter av tetningen 99 er større enn den innvendige diameter av tetningen 60, slik at boringens trykk ovenfra utøver en kraft på den første og fjerde tetning, hvilken overføres til seteringen i en aksial retning, mot kulen. Holderingen har tilsvarende minst to tetninger 62, 66 som tetter mot holderingen. Den innvendige diameter av tetningen 62 er hovedsakelig lik den innvendige diameter av tetningen 66, slik at hovedsakelig ingen aksialkraft overføres til kulen ved hjelp av det nedstrøms fluidtrykk.

Aktueringshylsen 50 er en sammenhengende massiv hylse mellom den venstre side av kulen, som vist på figur 1, hvilken tetter mot tetningen 60, og den høyre side av kulen som tetter mot tetningen 62, slik at aktueringshylsen opprettholder fluidtrykk inne i ventilhuset. Hullene i aktuatorhylsen som er omtalt nedenfor avsluttes følgelig før den utvendige overflate av aktuatorhylsen. Aktueringshylsen 50 holder dermed fluidtrykk inne i sitt indre, og er responsivt overfor hydraulisk trykk fra utsiden av kuleventilenheten, overført gjennom én av portene 120, 122.

Kulen 14 er fortrinnsvis dannet av det høyfaste materialet. Den funksjonelle del av holderingen 40, hvilket er kuleinngrepsringpartiet 44, som vist på figur 10, er tilsvarende dannet av et høyfast materiale. Seteringen 30 er på den annen side dannet av et forholdsvis lavfast materiale, selv om, som vist på figur 9, den opp-strøms setering kan inkludere et pålagt relativt tynt høyfast belegg 130, med et høyfast belegg som har en tykkelse som er mindre enn ca 2,54 mm, og fortrinnsvis mindre enn ca 0,203 mm. Kulen og ringen 44 kan følgelig være laget av et keramisk materiale eller et wolfram karbidmateriale med en trykkfasthet som er større enn 2068,4 MPa, en strekkfasthet som er større enn 1379,0 MPa og en elastisitetsmodul som er større enn 344,7 GPa. Seteringen 30 kan fremstilles av et materiale som er mykere enn det foretrukne materiale i kulen, med en flytegrense som er mindre enn 1034,2 MPa og en elastisitetsmodul som er mindre enn ca 206,8 GPa. Seteringen 30 og tetningsringen 46 kan være dannet av én eller flere av stål, rustfritt stål, et nikkelbasert materiale, et titanbasert materiale eller et beryllium koppermateriale. Holderingen er følgelig fortrinnsvis dannet av to deler 44 og 46 av forskjellige materialer, idet det hardere materialet har kontakt med kulen og det mykere materialet tilveiebringer trykk inneslutning. I en foretrukket utførelse som vist på figur 10 er en forbindelse mellom de to materialer flyttet til mellom kulen og tetningen 62, slik at tetningsintegritet mellom de to forskjellige deler ikke er påkrevd. Når kulen er stengt og ventilen er overflommet nedstrøms boringens trykk, har fraværet av en tetning ved forbindelsen mellom de to forskjellige materialer ingen vesentlig konsekvens.

Som omtalt nedenfor kan hver av tetningsringen 30 og kulen 14 være laget enten av metall eller et keramisk materiale, hvilket tilveiebringer mulighet for at den oppstrøms setering tilveiebringer hvilket som helst av en metall-mot-metall-tetning, en tetning med metall-mot-keramisk materiale, eller en tetning med keramisk materiale mot kulen.

Figur 6 viser kuleventilenheten i kulens stengte posisjon. Det hydrauliske trykk i porten 122 presser aktuatorhylsen 50 mot seteringen. Figur 7 viser kuleventilenheten i den stengte posisjon, hvor fluidtrykk i porten 120 presser aktuatorhylsen nedover mot holderingen for å åpne kulen.

Som vist på figur 8 inkluderer kulen 14 radialt motstående flate partier 140, 142 som samvirker med tilsvarende flate partier 141, 143 på aktueringshylsen 50 under operasjon av ventilen. Et pinneelement 144, 146 strekker seg fra hvert flate parti inn i et spor 148 i kulen og et hull 150 i aktueringshylsen. Fagpersoner innen teknikken vil forstå at sporene i kulen og hullene i aktueringshylsen er slik konfigu-rert at kulen roteres mellom den åpne posisjon den stengte posisjon når aktueringshylsen beveges aksialt i forhold til ventilhuset. Mer bestemt inkluderer hvert pinneelement en flat eller ikke-sylindrisk overflate for inngrep med en lignende flat eller ikke-sylindrisk overflate på kulen for å begrense rotasjon av hvert pinneelement i forhold til kulen. Hvert pinneelement inkluderer også et sylindrisk parti som strekker seg inn i hullet 150 i aktueringshylsen, idet det sylindriske parti på pinneelementet og sporet i aktueringshylsen samvirker for å muliggjøre rotasjon av pinneelementet i forhold til aktueringshylsen under aksial bevegelse av hylsen, slik at kulen og pinneelementene effektivt roterer sammen når aktueringshylsen beveger seg fra den stengte til den åpne posisjon. Ved å tilveiebringe flate partier og hindre pinneelementene i å rotere i forhold til kulen under operasjon av ventilen, sammenkoplet med å tillate rotasjon mellom den sylindriske ende av pinneelementene og hylsen under ventilens operasjon, er et høyt dreiemoment tilgjengelig for kulen nær enden av aktueringshylsens slag, det vil si under den avsluttende stenging og initiale åpning av kulen. Dette arrangementet tilveiebringer en kompakt kuleventilenhet som er designet med en minimal aksial bevegelse av hylsen for å rotere kulen mellom den åpne og den stengte posisjon.

En foretrukket aktuatorhylse 50 inkluderer således en langstrakt midtsek-sjon 166 som inkluderer overflater 141, 143 for nær sammenføring med flate partier 140,142 på kulen, og en innvendig sylindrisk overflate nærved den utvendige diameter av kulen. Hver av pinnene 144, 146 roterer i et hull 150 som er maskineri: i hylsen 50 motsatt hver flate overflate på kulen, slik at kulen passer tett sammen med hylsen.

Kulen 14 har fortrinnsvis en symmetrisk posisjonert boring 22 med en enhetlig diameter. Kulen 14 inkluderer fortrinnsvis en ventilasjonsboring 152 som vist på figur 8, for ventilering mellom den gjennomgående port 22 og den utvendige overflate 24 av det kuletrykk som er innestengt mellom den første og andre tetning og mellom ringene 30, 40 og kulen. Ventilasjonsboringen 152 har fortrinnsvis en akse som står hovedsakelig 90° på en akse i den gjennomgående port 22 i kulen, og har fortrinnsvis en diameter som er mindre enn ca 20% av diameteren i den gjennomgående port i kulen. En buet endeflate 162 ved hver ende av kulen, som vist på figur 11, fra boring 22 til den utvendige sfæriske overflate 24 av kulen, har fortrinnsvis en konveks radius som er mindre enn 10% av radien i den gjennomgående boring i kulen.

Paret av pinneelementer 144, 146 har en felles rotasjonsakse 164 som fortrinnsvis står vinkelrett på en akse 11 i aktuatorhylsen 50.1 en foretrukket utførelse er en aksial bevegelse av aktuatorhylsen mindre enn ca 1/3 av diameteren i den gjennomgående port gjennom kulen for å oppnå 90° rotasjon av kulen. Hver av koplingspinneelementene 144, 146, som vist på figur 8, inkluderer også et lite ventilasjonshull 164 for å hindre trykkaktuering på grunn av trykklåsing ved begge ender av pinneelementet. Koplingspinnene 144, 146 er fortrinnsvis laget av et materiale med en flytegrense som er større enn 1379,0 MPa. Under sammenstilling av ventilen posisjoneres hver av pinnene 80, 82 inne i et korresponderende spor i aktuatorhylsen 50, og kulen 14 posisjoneres deretter inne i aktuatorhylsen, slik at paret av pinneelementer posisjoneres inne i sporene i kulen.

Når kulen er stengt og fluidtrykket er oppstrøms, er det et større kontakt-trykk på kulen enn når et likt fluidtrykk kommer nedenfra, siden seteringen virker som et stempel som påfører aksial kraft på kulen som respons på oppstrøms trykk. Når kulen er stengt og testtrykk utøves ovenfra, testes det øvre sete, hvilket er det samme sete som tetter mot kulen når fluidtrykk er ovenfor eller nedenfor kulen. Holderingen bærer fortrinnsvis mer aksial last ved grenseflaten mellom kulen og holderingen enn seteringen gjør, siden seteringen også virker som et stempel som frembringer en ytterligere aksial kraft på kulen, hvilken overføres til holderingen, mens holderingen ikke utøver trykk på kulen, slik at kun trykket nedenfor en stengt kule utøver kraft på seteringen. Ved å tilveiebringe et ventilasjonshull i kulen eller ved å tilveiebringe en utsparing i holderingen, kan tettende inngrep mellom kulen og holderingen lett og med hensikt forhindres.

Forskjellig modifikasjoner av kuleventilen vil for de som har fagkunnskap innen teknikken være åpenbare fra den foregående beskrivelse. For eksempel kan kuleventilenheten være forsynt med en fjær eller et annet forbelastningselement for mekanisk forbelastning av hylsen til en aksial posisjon. Forbelastningskraften alene eller i forbindelse med hydraulisk trykk kan brukes til å flytte ventilen til en posisjon, og hydraulisk trykk kan da brukes til å flytte ventilen til den motsatte posisjon. En fjær kan følgelig forbelaste aktuatorhylsen slik at kulen vanligvis er stengt, og kulen åpnes kun som respons på hydraulisk trykk i hydraulikkporten for åpning av ventilen.

Ved å tilveiebringe et spor i kulen som samvirker med pinnen og et hull i hylsen for mottak av en motstående ende av pinnen, er høyt dreiemoment tilgjengelig for kulen nær enden av aktueringshylsens slag, som omtalt ovenfor, mens det fortsatt opprettholdes en kompakt design av kuleventilen. I en annen utførelse kan et par spor var anordnet i aktuatorhylsen og hullene anordnet i kulen. I denne utførelse vil pinneelementene fortsatt være rotasjonsmessig fastholdt til kulen, og vil bevege seg langs lengden av sporene i hylsen under aktuering. For mottak av de motstående ender av pinnene er det følgelig foretrukket at spor er anordnet i kulen og at hull er anordnet i hylsen, selv om sporene kan være anordnet i aktuatorhylsen og hullene være anordnet i kulen.

Ventilhuset slik det er omtalt ovenfor er et produksjonshengerhus som er designet til å bære en produksjonsrørstreng i en brønn. Som angitt har den foreliggende oppfinnelse anvendbarhet for annet olje- og gassproduksjonsutstyr, inkludert nedihulls sikkerhetsventiler og overflateventiler, som hver har et ventilhus, og multiple ventilsystemer, så som manifolder, som kan bruke en enhetlig blokk som rommer flere kuler, og manifolder hvor ett eller flere av ventilhusene er strukturelt og strømningsteknisk innbyrdes forbundet, slik at systemet virker som en manifold.

Ventilen slik den er omtalt ovenfor viser periodisk til fluidtrykk inne i boringen 20 og ventilhuset til venstre for kulen 14 som oppstrøms trykk, og trykk til høyre for kulen 14 som nedstrøms trykk. Tilsvarende er forskjellige komponenter i ventilen omtalt med hensyn på venstre side av enheten, slik den er vist på figur 1, som den øvre ende av enheten, mens de komponenter som befinner seg på høyre side er omtalt som nedre komponenter. Uttrykkene "oppstrøms", "nedstrøms", "øvre" og "nedre" er ikke ment i en begrensende betydning, siden arrangementet av ventilen inne i et system vil bestemme posisjonen av komponentene i forhold til hverandre. Tilsvarende blir ventilen slik den her er omtalt til bruk inne i huset i en produksjonsrørhenger testet med oppstrøms trykk, det vil si at fluidtrykk fra ovenfor kulen overføres for å sjekke tetningsintegritet mellom seteringen og kulen. Ved normale produksjonshengeroperasjoner vil den installerte ventilen inneholde fluidtrykk fra brønnen, hvilket vil være fra den høyre side eller nedstrøms ende av enheten, som vist. Uttrykket "oppstrøms" er i vid forstand ment å bety den ende av enheten som rommer seteringen, mens uttrykket "nedstrøms" i vid forstand betyr den ende av enheten som rommer holderingen, uten hensyn til hvilken retning boringens trykk påføres på ventilen.

Den foregående offentliggjøring og beskrivelse av oppfinnelsen er illustrativ og forklarende for foretrukne utførelser. Det vil forstås av de som har fagkunnskap innen teknikken at forskjellige forandringer i størrelse, form av materialene, så vel som i detaljene ved den viste konstruksjon eller kombinasjon av trekk som her er omtalt kan gjøres uten å avvike fra oppfinnelsens idé, hvilken er angitt i de følg-ende krav.

Claims (16)

1. Kuleventilenhet (10), omfattende: et ventilhus (12) som har en innløpsport (16), en utløpsport (18), en passasje (20) mellom disse for overføring av fluid, og i det minste det ene av en hydraulikkport for åpning av ventilen (10) og en hydraulikkport for stenging av ventilen (10); en kule (14) inne i ventilhuset (12) med en gjennomgående port (22) og en sfærisk utvendig overflate, idet kulen (14) er roterbar inne i ventilhuset (12) for rotasjon mellom en åpen posisjon og en stengt posisjon; en setering (30) inne i ventilhuset (12) fortettende inngrep med den sfæriske utvendige overflate (24) av kulen (14) når kulen (14) er i den stengte posisjon og fluidtrykk er oppstrøms eller nedstrøms kulen (14); en holdering (40) for inngrep med den utvendige overflate (24) av kulen (14) når kulen (14) er i den stengte posisjon, og for å holde kulen (14) når fluidtrykk er oppstrøms kulen (14); en aktuatorhylse (50) som omgir kulen (14) og som er aksialt bevegelig inne i ventilhuset (12) for å rotere kulen (14) mellom den åpne posisjon og den stengte posisjon, idet hydraulisk trykk i den minst ene hydraulikkport beveger aktuatorhylsen (50) aksialt inne i ventilhuset (12); en første tetning (60) mellom seteringen (30) og aktuatorhylsen (50); en andre tetning (62) mellom holderingen (40) og aktuatorhylsen (50); en tredje tetning (64) mellom aktuatorhylsen (50) og ventilhuset (12); en fjerde tetning mellom seteringen (30) og ventilhuset (12); en femte tetning (66) mellom holderingen (40) og ventilhuset (12); og den fjerde tetning har en diameter som er større enn den første tetning (60), slik at fluidtrykk innenfor seteringen (30) utøver en kraft på den første tetning (60), og den fjerde tetning, hvilken overføres til seteringen (30) i en aksial retning mot kulen (14).

2. Kuleventilenhet (10) som angitt i krav 1, hvor hver av seteringen (30) og holderingen (40) har en hovedsakelig sfærisk overflate med konkav radius for kuleinngrep for parende inngrep med den sfæriske utvendige overflate (24) av kulen (14).

3. Kuleventilenhet (10) som angitt i krav 2, hvor hver av seteringen (30) og holderingen (40) har en innvendig overflate med konveks radius i en avstand mellom kuleinngrepsoverflaten og en innvendig diameter av ringen, idet hver innvendige overflate med konveks radius har en radius som er mindre enn én halvdel av en veggtykkelse av den respektive ring.

4. Kuleventilenhet (10) som angitt i krav 3, hvor den innvendige overflate med konveks radius på holderingen (40) er minst 50% større enn den innvendige overflate med konveks radius på seteringen (30), for å fordele høye kontaktkrefter som påføres fra kulen (14) på holderingen (40).

5. Kuleventilenhet (10) som angitt i krav 3, hvor hver av seteringen (30) og holderingen (40) har en utvendig overflate med konveks radius i en avstand mellom kuleinngrepsoverflaten og en utvendig diameter av ringen, idet hver overflate med konveks radius har en radius som er mindre enn én firedel av en veggtykkelse av den respektive ring.

6. Kuleventilenhet (10) som angitt i krav 2, hvor seteringen (30) har en innvendig overflate med konveks radius i en avstand mellom overflaten med konkav radius og en innvendig diameter av seteringen (30), idet overflaten med konkav radius på seteringen (30) tilveiebringer lavtrykkstetning og den innvendige overflate med konveks radius på seteringen (30) tilveiebringer høytrykkstetning når seteringens (30) diameter øker som respons på høyt fluidtrykk.

7. Kuleventilenhet (10) som angitt i krav 1, hvor hver av seteringen (30) og holderingen (40) har en veggtykkelse fra 0,3 til 0,6 ganger en radius i en boring gjennom den respektive ring.

8. Kuleventilenhet (10) som angitt i krav 1, videre omfattende: et ventilhus (12) som inkluderer både hydraulikkporten for åpning av ventilen (10) og hydraulikkporten for stenging av ventilen (10); og at hver av den første tetning (60) og den fjerde tetning omfatter en flerhet av ringformede tetningselementer.

9. Kuleventilenhet (10) som angitt i krav 1, hvor hver av den andre tetning (62) og den femte tetning (66) omfatter en flerhet av tetningselementer, idet en diameter i en andre tetning (62) hovedsakelig er lik en diameter i den fjerde tetning, slik at fluidtrykk fra innsiden av holderingen (40) hovedsakelig ikke utøver noen aksialkraft på det nedre seteelement.

10. Kuleventilenhet (10) som angitt i krav 1, videre omfattende: første og andre aktiveringsfjærer for å presse seteringen (30) henholdsvis holderingen (40) mot kulen (14), idet de første og andre aktiviseringsfjærer har en hovedsakelig lik forbelastningskraft for å overvinne friksjon fra den første henholdsvis andre tetning.

11. Kuleventilenhet (10) som angitt i krav 1, hvor ventilhuset (12) er en produk-sjonsrørhenger for å bære en produksjonsrørstreng i en brønn.

12. Kuleventilenhet (10), omfattende: et ventilhus som har en innløpsport (16), en utløpsport (18), en passasje (20) mellom disse for overføring av fluid fra innløpsporten (16) til utløps-porten (18), og minst det ene av en hydraulikkport for åpning av ventilen (10) og en hydraulikkport for stenging av ventilen (10); en kule (14) inne i ventilhuset (12) med en gjennomgående port (22) og en sfærisk utvendig overflate (24), idet kulen (14) roteres inne i ventilhuset (12) for rotasjon mellom en åpen posisjon og en stengt posisjon; en setering (30) med en overflate med konkav radius inne i ventilhuset (12) for tettende inngrep med den sfæriske utvendige overflate (24) av kulen (14) når kulen (14) er i den stengte posisjon og fluidtrykk er oppstrøms eller nedstrøms kulen (14); en holdering (40) for inngrep med den utvendige overflate (24) av kulen (14) når kulen (14) er i den stengte posisjon, og for å holde kulen (14) når fluidtrykk er oppstrøms kulen (14), idet den ene av holderingen (40) og kulen (14) inkluderer en fluidpassasje for å hindre tettet inngrep mellom kulen (14) og holderingen (40); en aktuatorhylse (50) som omgir kulen (14) og som er aksialt bevegelig inne i ventilhuset (12) for rotasjon av kulen (14) mellom den åpne posisjon og den stengte posisjon, idet hydraulisk trykk i den minst ene hydraulikkport beveger aktuatorhylsen (50) aksialt inne i ventilhuset (12); aktueringshylsen (50) er sammenhengende mellom en øvre ende ovenfor kulen (14) og en nedre ende nedenfor kulen (14), slik at aktueringshylsen (50) opprettholder fluidtrykk inne i ventilhuset (12) når kulen (14) er i den åpne posisjon; og aktuatorhylsen (50) holder en flerhet av styreringer med innbyrdes aksial avstand for å minimalisere metall-mot-metallkontakt mellom hylsen og ventilhuset (12).

13. Kuleventilenhet (10) som angitt i krav 12, hvor ventilhuset (12) inkluderer hydraulikkporten for åpning av ventilen (10) og hydraulikkporten for stenging av ventilen (10), og seteringen (30) opprettholder hydraulisk trykk på utsiden av seteringen (30) og holderingen (40) opprettholder hydraulisk trykk på utsiden av holderingen (40).

14. Kuleventilenhet (10) som angitt i krav 12, hvor holderingen (40) omfatter: en kuleinngrepsring for inngrep med den utvendige overflate (24) av kulen (14) når kulen (14) er i den stengte posisjon, idet kuleinngrepsringen er dannet av et høyfast materiale; en tetningsring i en avstand motsatt kulen (14) i forhold til kuleinngrepsringen, idet kuleinngrepsringen og tetningsringen er forbundet ved en forbindelse; og en tetning mellom holderingen (40) og aktuatorhylsen (50) som er i en avstand motsatt kulen (14) i forhold til forbindelsen.

15. Kuleventilenhet (10) som angitt i krav 12, hvor hver av seteringen (30) og holderingen (40) har en innvendig overflate med konveks radius i en avstand mellom kuleinngrepsoverflaten og en innvendig diameter i ringen, idet hver innvendige overflate med konveks radius har en radius som er mindre enn én halvdel av veggtykkelse av den respektive ring.

16. Kuleventilenhet (10) som angitt i krav 12, hvor seteringen (30) har en innvendig overflate med konveks radius i en avstand mellom overflaten med konkav radius og en innvendig diameter i seteringen (30), idet overflaten med konkav radius på seteringen (30) tilveiebringer lavtrykks tetning og den innvendige overflate med konveks radius på seteringen (30) tilveiebringer høytrykks tetning når seteringens (30) diameter øker som respons på høyt fluidtrykk.