NO329532B1 - Ventil for hoye differansetrykk i et bronnhull - Google Patents

Abstract

Den foreliggende oppfinnelsen tilveiebringer en robust, slitesterk og driftssikker sylindrisk ventil med lukkbare, radielt rettede åpninger til bruk ved sementering, injeksjon, herunder fracking, og produksjon i miljø med høye trykk og differansetrykk. Ventilen kan utstyres med skraperinger for å fjerne avleiringer og lignende når den skal lukkes etter bruk. Magneter eller andre egnede midler indikerer om ventilen er i åpen eller lukket posisjon.

Description

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører en ventil for høye differansetrykk i et brønnhull.

Bakgrunn for oppfinnelsen

Produksjon av olje og gass, geotermiske anvendelser og brønnboring etter vann omfatter boring gjennom berg, jord eller andre geologiske formasjoner. Olje, kondensat, gass, vann, geotermisk oppvarmet vann osv kalles i det følgende produksjonsfluid, og kan, f eks ved produksjon av hydrokarboner og i geotermiske anvendelser, omfatte flere faser. Formasjonene som inneholder produksjonsfluid er oftest delt i lag eller strata. Boringen kan foregå vertikalt gjennom ett eller flere strata for å komme ned til ønsket lag, og deretter muligens horisontalt langs ett eller flere lag eller strata for å tilveiebringe mest mulig effektive brønner.

Boring i geologiske formasjoner foregår ved at en borekrone i enden av en bore-streng roteres og drives i ønsket retning gjennom geologiske lag eller strata og danner et brønnhull. Når et forhåndsbestemt stykke brønnhull er utboret, trekkes borestrengen med borekrone tilbake, og brønnhullet fores med foringsrør (casing, liners). Derved dannes et ytre ringrom mellom foringsrøret og formasjonen. Det er vanlig å sementere foringsrøret fast i formasjonen ved å fylle hele eller deler av det ytre ringrommet med sementeringsmasse. Et helt eller delvis sementert foringsrør stabiliserer formasjonen, og gjør det samtidig mulig å isolere visse lag eller områder bak foringen for produksjon av hydrokarboner, vann eller jordvarme. Det er velkjent for fagfolk på området at f eks epoksy-harpiks-baserte sementeringsmasser i visse tilfeller er bedre egnet enn sementblandinger. Begrepet "sement" og "sementering" skal derfor tolkes generelt som injeksjon av en flytende masse som deretter stivner, for formålet å feste foringsrør i formasjonen og/eller stabilisere formasjonen og/eller danne en barriere mellom ulike soner, ikke utelukkende som bruk av sement.

Når en brønn er boret og utstyrt med foringsrør, må det tilveiebringes en strømnings-vei fra formasjonen rundt foringsrøret og tilbake til overflaten. I noen tilfeller er det mulig å skyte hull i foringsrøret på ønsket dybde eller med bestemte intervaller slik at produksjonsfluid kan trenge inn fra formasjonen. I andre tilfeller kan foringsrøret være utstyrt med forhåndslagede hull eller slisser, og det kan kombineres med omkring-liggende sandskjermer. I mange anvendelser vil kombinasjonen høye hydrauliske trykk og relativt porøse produksjonsstrata medføre en betydelig risiko for skade på formasjonen hvis det skytes hull i foringen. I disse tilfellene er det vanlig å bruke ventilseksjoner med radielt rettede åpninger som åpnes for å tillate radielt utadrettet strøm av sement eller epoksy/resin for stabilisering og feste av foringsrør til formasjonen, for radielt utdrettet strøm av injeksjonsfluid for å opprettholde eller øke det hydrauliske trykket i formasjonen og/eller for radielt innadrettet strøm av produksjonsfluid. Slike ventilseksjoner som er beregnet for innkobling i et rør, gjerne ved hjelp av gjenger av samme type som benyttes ved sammenkobling av rørene de skal kobles inn i, kalles i det følgende "ventil" for enkelhets skyld.

Det er også vanlig å innføre et produksjonsrør i foringsrøret. Det indre ringrommet mellom foring og produksjonsrør fylles med en egnet væske eller slam, og brukes hovedsakelig til å opprettholde eller øke hydraulisk trykk. Produksjonsrøret brukes i slike tilfeller som returvei, og frakter produksjonsfluidet til overflaten. Ved bruk av produksjonsrør inne i en foring er det selvsagt også nødvendig å forsyne produk-sjonsrøret med åpninger for produksjonsfluid, og det kan være nødvendig å isolere produksjonssoner fra væsken eller slammet i det indre ringrommet mellom produk-sjonsrør og foring. Isolasjon mellom ulike soner kan utføres med mekaniske plugger, såkalte "packers", i stedet for med sementeringsmasse. Slike mekaniske plugger er mest brukt i det indre ringrommet mellom produksjonsrør og foring, fordi det kan være problematisk å oppnå tilstrekkelig tetning mot formasjonen, særlig hvis formasjonen er porøs. Ventiler som tilsvarer ventilene beskrevet ovenfor kan være koblet inn i produksjonsrøret, og kan åpnes når de er på plass i en produksjonssone.

Ved sementering, injeksjon og produksjon i brønner som beskrevet over, vil mulig-heten for store differansetrykk mellom ulike soner øke med økende dybde. Både produksjon av hydrokarboner fra strata dypt under en havbunn og geotermiske anvendelser kan involvere store trykk. Inndeling i soner og injeksjon av væske eller gass for å øke produksjonstrykket kan medføre tilsvarende store differansetrykk.

Såkalt "fracking" stiller ekstra store krav til ventilens konstruksjon, robusthet og slite-styrke. Ved fracking injiseres en blanding som inneholder f eks 4% små, keramiske kuler i formasjonen under høyt trykk. Sprekker i formasjonen blir fylt, og muligens utvidet av disse kulene. Når trykket senere reduseres, blir kulene værende i sprekken og holder den åpen. Hensikten er å bedre tilsiget av produksjonsfluid fra formasjonen.

US 3 768 562 A viser en ventil for innkobling i rør bestående av et sylindrisk ventilhus med sementeringsporter gjennom veggen og en glidbart anbrakt konsentrisk ventilhylse med hylse porter. Ventilen er åpen når hylseportene er i samme aksiale posisjon som sementeringsportene, og lukket når hylseportene er aksialt forskjøvet fra sementeringsportene. Ventilhylsen har videre flere sett med O-ringer eller tilsvarende pakninger plassert rundt omkretsen av ventilhylsen og glidbart anlagt mot en indre glideflate i ventilhuset. Ett sett pakninger er plassert mellom sementeringsportene og hylseportene når ventilen er lukket. En radialt rettet fjærkraft fra et skjørt med fjærende fingre plassert på ventilhylsen hindrer utilsiktet åpning av ventilen ved at en aksialt rettet kraft må overvinne den radialt rettede fjærkraften fra de fjærende fingrene for å åpne ventilen. I US 3 768 562 A er ventilhylsen ikke rotasjonshindret i ventilhuset. US 3 768 562 A viser derfor en indre ringformet fordypning på inner-veggen av ventilhuset i området der sementeringsportene befinner seg, og en ytre ringformet fordypning i ytterveggen av ventilhylsen i området der sementeringsportene befinner seg. Hvis sementeringsportene og hylseportene er i samme aksiale posisjon men vinkelforskjøvet fra hverandre, vil disse fordypningene danne en strømningsvei gjennom portene i ventilhylsen og ventilhuset.

Et første problem med ventilen i US 3 768 562 A er at ventilhylsen kan roteres i ventilhylsen, slik at det må lages ringformede fordypninger i ventilhus og hylse for å gi en strømningsvei dersom portene forskyves tangentielt i forhold til hverandre. Hvis sementeringsventilen i US 3 768 562 A skal benyttes ved høye differansetrykk, er det et andre problem at det bare er tilveiebrakt ett sett pakninger eller første tetningsmidler mellom portene når ventilen er lukket. Disse første tetningsmidlene kan nærmere bestemt være rimelige O-ringer eller lignende som ikke tåler svært høye differansetrykk, og som lett blåses ut når ventilen åpnes ved høye trykkdifferanser. Hvis det er store trykkdifferanser over ventilen, kan de første tetningsmidlene alternativt være dyrere pakninger som tåler høye differansetrykk over tid, og som ikke blåses ut når ventilen åpnes.

US 4 669 541 A viser rotasjonslåste hylser som gjør de ringformede fordypningene overflødig.

US 6 763 892 B2 viser en tilsvarende ventil som løser problemet med høye trykkdifferanser og utblåsing av ved at ventilhylsen kan settes i en mellomposisjon mellom fullt åpen og fullt lukket. I denne mellomposisjonen utlignes trykket mellom innsiden og utsiden av ventilen langsommere enn om hylsen skulle gå direkte fra lukket til åpen tilstand, slik at pakningene ikke blåses ut når ventilen åpnes mot en høy trykkdifferanse. Midler for å utjevne trykk som i US 6 763 892 B2 gjør ventilen mer komplisert å lage, og dermed dyrere. Alternativet er å utstyre ventilen med dyrere pakninger som tåler høyere differansetrykk.

Ett problem med kjente ventiler av typen beskrevet ovenfor, er at de ikke er tilstrekkelig tette for både gass, damp og væske til å være egnet til bruk i dagens høytrykksanvendelser. Dette begrenser bruk av slike ventiler i miljø der gass eller damp under høyt trykk stiller særlige krav til tetning.

Et annet problem ved kjente ventiler av typen beskrevet ovenfor, er at pakninger blåses ut eller rives med av fluidstrømmen når de åpnes og det på forhånd er et stort differansetrykk over ventilen. En ventil som ødelegges på denne måten kan ikke lenger stenges. Trykksjokket som oppstår ved en slik hendelse kan også ødelegge utstyr lenger nedstrøms i brønnen, dvs nærmere overflaten. For å unngå at ventiler ødelegges på denne måten, må trykkdifferansen mellom ulike soner i brønnen derfor holdes innen marginer ventilen tåler.

Et ytterligere problem med kjente ventiler er at det avsettes debris, dvs større eller mindre faste partikler som føres med strømmen, på flater i ventilen, eller oppstår ujevnheter som følge av korrosjon eller såkalt "scaling". Slike ujevnheter kan medføre dårligere tetning, og dermed redusert driftssikkerhet.

Et ytterligere problem med eksisterende ventiler, er at de inneholder mange deler, noe som gjør dem relativt dyre å fremstille.

Et ytterligere problem med kjente ventiler er at de mangler midler for å indikere direkte om de er i åpen eller lukket posisjon.

Oppsummering av oppfinnelsen

Dette løses i følge oppfinnelsen ved å tilveiebringe en ventil for innkobling i rør, omfattende et hovedsakelig sylindrisk ytre ventilhus med radielt rettede sideporter og en indre ventilhylse aksialt bevegbart og rotasjonshindret anbrakt i ventilhuset, hvor ventilhylsen omfatter første tetningsmidler, andre tetningsmidler og tredje tetningsmidler, hvilke tetningsmidler alle er anbrakt rundt hele omkretsen av ventilhylsen og i kontakt med en indre tetningsflate i ventilhuset kjennetegnet ved at ventilhylsen er aksialt bevegbar mellom en første lukket posisjon der sideportene ligger mellom de andre og tredje tetningsmidlene, en andre lukket posisjon der sideportene ligger mellom de første og andre tetningsmidlene, og en åpen posisjon der en ende av ventilhylsen ligger mellom sideportene og de første tetningsmidlene, og at det ikke er tilveiebrakt midler for trykkutjevning over de første tetningsmidlene når ventilhylsen befinner seg i sin andre lukkede posisjon.

Den foreliggende oppfinnelsen tilveiebringer en robust, slitesterk og driftssikker sylindrisk ventil med lukkbare, radielt rettede åpninger til bruk ved sementering, injeksjon, herunder fracking, og produksjon i miljø med høye trykk og differansetrykk. Testing viser at ventilen tåler å åpnes med et differansetrykk på 690 bar (10 000 PSI) uten at pakninger blåses ut eller at ventilen skades på annen måte. Ved test for fracking-formål, ble 6000l/min av en blanding inneholdende små keramiske kuler kjørt gjennom ventilen i 8t. Slitasjen var knapt synlig.

Ventilen er utstyrt med skraperinger for å fjerne avleiringer og lignende når den skal lukkes etter bruk. Magneter eller andre egnede midler indikerer om ventilen er i åpen eller lukket posisjon.

Kort beskrivelse av figurene

Oppfinnelsen beskrives nærmere i det følgende med referanse til de vedføyde figurene, hvor like referansetall viser til like deler, og hvor:

Fig 1 er et langsgående snitt gjennom en ventil i følge oppfinnelsen

Fig 2 viser området rundt ventilåpningene i større detalj

Fig 3 viser området rundt skraperingene sett fra enden av ventilen

Fig 4 er et isometrisk oppriss av en skrapering

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

Fig 1 er et langsgående snitt gjennom en ventil i følge oppfinnelsen. Ventilen er i figur 1 vist i lukket tilstand. En endedel 1 danner sammen med et ventilhus 2 ventilens ytre skall. Ventilhuset 2 er utstyrt med radielle sideporter. En indre ventilhylse 3 kan beveges aksialt inne i ventilhuset 2 for å åpne eller lukke de radielle sideportene. Den indre ventilhylsen 3 er forhindret fra å rotere i ventilhuset 2, fordi det kan være nødvendig å rotere et åpne-lukke verktøy (ikke vist) hvis det skulle bli sittende fast.

Et fleksibelt låsestykke 4 forbundet med ventilhylsen 3 ligger i Fig 1 an mot en indre skulder langs en omkrets av ventilhuset 2. For å åpne ventilen, må ventilhylsen 3 trekkes mot høyre med tilstrekkelig kraft til å klemme inn låsestykket 4. En tilsvarende skulder er tilveiebrakt for å holde ventilhylsen 3 på plass i åpen posisjon ved hjelp av samme låsestykke 4. Låsestykket 4 hindrer dermed at ventilhylsen 3 rives med av fluid som strømmer i den sentrale utboringen, og dermed åpnes eller lukkes utilsiktet.

Til høyre i Fig. 1 er det vist en støttering 14, en skrapering 15 og spor 16 for åpne-lukkeverktøy. Åpne-lukkeverktøyet (ikke vist) føres ned i røret for å skyve ventilhylsen 3 aksialt mellom lukket og åpen posisjon.

Ventilhuset 2 og ventilhylsen 3 kan utstyres med hver sitt merke (1 b, 3b), f eks innmonterte permanentmagneter. Når ventilen er lukket, som vist i Fig 1, er avstanden mellom de to merkene/permanentmagnetene mindre enn når ventilen er åpen. Et skille mellom f eks 30mm og 200mm mellom disse merkene eller permanentmagnetene er relativt enkelt å detektere, og kan brukes som indikasjon på om ventilen er åpen eller lukket.

Fig 2 er en forstørrelse av utsnittet merket "B" i Fig 1. Monteringsringene 5, 7 og 9 fastholder pakningene 6 og 8. Når ventilen åpnes ved at ventilhylsen 3 skyves til høyre i Fig 1 og 2, vil pakningen 6 ha passert de radielle sideportene 17 mens pakning 8 fortsatt tetter mot innsiden av ventilhuset 2. Pakningen 8 er ofte fremstilt av et stivere materiale enn pakningen 6, og er festet slik at den ikke rives løs av trykkdifferansen over den når pakningen 6 og pakningen 8 er på hver sin side av de radielle sideportene 17.

Sideportene 17 kan utformes med ulike diametre for ulike formål, f eks med større diameter for fracking enn for produksjon. Det indre av ventilen kan også belegges med et hardere materiale f eks til frackingformål.

Skraperinger 10 (10a, 10b) fjerner avleiringer og scaling fra innsiden av ventilhuset 2 når ventilen har stått åpen en stund og skal stenges. En skrapering 10 er vist isometrisk i Fig 4, hvor det fremgår tydelig at skraperingen 10 består av skrapende fliker atskilt av innskjæringer i ringen. Skraperingene 10a og 10b i Fig.2 er begge av typen som er vist i Fig. 4, men rotert i forhold til hverandre slik at flikene på ring 10b overlapper innskjæringene på ring 10a, og skraper delene av ventilhuset 2 som ikke skrapes av flikene på skrapering 10a.

Mutteren 11 er gjengeforbundet med ventilhylsen 3, og fastholder delene 5-10 beskrevet ovenfor. Støtteringer 12 fastholder et tetningselement 13, som tetter ventilen på motsatt side av sideportene 17 i forhold til tetningselementene 6 og 8, dvs slik at sideportene 17 ligger aksialt mellom tetningselementene 6 og 13.

Sideportene 17 kan være fremstilt av et hardt materiale, f eks wolframkarbid, slik at ventilen tåler slitasjen fra de keramiske kulene som brukes ved fracking. Fig. 3 viser et tverrsnitt av ventilen gjennom C-C på Fig 1. Ventilhylsen 3 er glidbart montert i ventilhuset 2, og overlappende skraperinger 10 er fastholdt på ventilhylsen 3 av mutteren 11. Fig 4 viser en skrapering 10 som monteres i ventilhylsen 3 for å skrape bort avleiringer og lignende for å sikre tilstrekkelig tetning.

Oppfinnelsen i følge det vedføyde kravsettet, nærmere beskrevet ovenfor, løser dermed en rekke av problemene med tidligere kjent teknikk.

Claims (6)

1. Ventil for innkobling i rør, omfattende et hovedsakelig sylindrisk ytre ventilhus (2) med radielt rettede sideporter (17) og en indre ventilhylse (3) aksialt bevegbart og rotasjonshindret anbrakt i ventilhuset (2), hvor ventilhylsen (3) omfatter første tetningsmidler (8), andre tetningsmidler (6) og tredje tetningsmidler (13), hvilke tetningsmidler (8,6,13) alle er anbrakt rundt hele omkretsen av ventilhylsen (3) og i kontakt med en indre tetningsflate i ventilhuset (2), karakterisert ved at ventilhylsen (3) er aksialt bevegbar mellom - en første lukket posisjon der sideportene (17) ligger mellom de andre (6) og tredje (13) tetningsmidlene, - en andre lukket posisjon der sideportene (17) ligger mellom de første (8) og andre (6) tetningsmidlene, og - en åpen posisjon der en ende av ventilhylsen (3) ligger mellom sideportene (17) og de første tetningsmidlene (8), og at det ikke er tilveiebrakt midler for trykkutjevning over de første tetningsmidlene (8) når ventilhylsen befinner seg i sin andre lukkede posisjon.

2. Ventil i følge krav 1, karakterisert ved at det første tetningsmiddelet (8) er tilvirket stivere enn de øvrige tetningsmidlene (6,

13).

3. Ventil i følge krav 1, karakterisert ved at det første tetningsmiddelet (8) er fastere innfestet enn de øvrige tetningsmidlene (6, 13).

4. Ventil i følge krav 1, karakterisert ved at ventilhylsen (3) er fast forbundet med et radielt fleksibelt låsestykke (4) som ligger an mot en første indre skulder på den indre tetn i ngsf laten i ventilhuset (2) når ventilen er i sin første lukkede posisjon, og mot en andre indre skulder på den indre tetningsflaten i ventilhuset (2) når ventilen er i sin åpne posisjon, hvorved den aksiale kraften som kreves for å bevege ventilhylsen mellom sine første og åpne posisjoner må være tilstrekkelig stor til å overvinne en radiell fjærkraft fra låsestykket (4).

5. Ventil i følge krav 1, karakterisert ved at minst en skrapering (10) er anbrakt mellom ventilhylsen (3) og den indre tetningsflaten i ventilhylsen (2).

6. Ventil i følge krav 1, karakterisert ved at ventilhylsen (3) omfatter et første merkemiddel (3b), at ventilhuset (2) er fast forbundet med et andre merkemiddel (1b), og at den aksiale avstanden mellom merkemidlene indikerer om ventilhylsen (3) åpner eller lukker for de radielle sideportene (17).