NO333665B1 - Tilbakeslagsventil - Google Patents

Abstract

Den foreliggende oppfinnelsen tilveiebringer en tilbakeslagsventil omfattende en klaff (3)og et ventilhus, ventilhuset omfatter et første og et andre element (1,2) koblet sammen, hvert element omfatter to ender hvor den ene enden har en funksjon egnet for å føye de to elementenes ene ender sammen, det ene elementet (1) omfatter videre et sete (16) for klaff (3), det andre elementet omfatter klaff (3), klaffen er dreibar rundt en bolt (13).

Description

Teknisk område

Den foreliggende oppfinnelsen angår hydraulisk fjernstyrte overstyrbare tilbakeslagsventiler, bruken av slike i brønntesting, samt en fremgangsmåte for testing av teststrenger ved bruk av nevnte tilbakeslagsventiler.

Bakgrunnen for oppfinnelsen

I henhold til Norsok-kravene (D-SR-007) som er satt i forbindelse med brønntes-ting, er det et krav om en tilbakeslagsventil montert mellom drepeventilen på overflate-testtreet og riggens sementeringsenhet.

Bakgrunnen for kravet om en tilbakeslagsventil er som følger: hvis brønnen må drepes underveis i test-operasjonen, må drepeventilen på overflate-testtreet åpnes slik at det kan pumpes brønndrepingsslam fra sementeringsenheten gjennom drepeventilen og ned i brønnen. I det øyeblikket drepeventilen åpnes, vil den nevnte tilbakeslagsventilen hindre hydrokarboner i å strømme ned mot sementeringsenheten. Hydrokarboner i form av gass vil være ekstremt farlig å få inn i en sementeringsenhet.

Denne tilbakeslagsventilen, vanligvis en klaffventil, har pr. i dag en manuell meka-nisk overstyringsfunksjon. En stålstang med gjenger skrus inn i ventilhuset og dyt-ter klaffen av setet og etterlater seg en passasje der væsken kan pumpes forbi eller bli avblødd.

Overstyringsfunksjonen er nødvendig for å tillate trykktesting og tilhørende avblø-ding av teststrengen ihht. brønntesteprogram og -prosedyrer.

Når testestrengen er verifisert ok, er påfølgende operasjon å perforere brønnen og deretter strømme hydrokarboner til overflaten.

Før teststrengen blir påført trykk, må imidlertid den manuelle mekaniske overstyringsfunksjonen kobles ut, slik at tilbakeslagsventilen fungerer som tiltenkt, altså hindre tilbakestrømning fra teststrengen til sementeringsenheten. Utkobling av overstyringsfunksjonen skjer ved at overnevnte stålstang skrus ut av posisjon og trekker seg av klaff-elementet og tillater dermed klaffen å tette mot setet.

Tilbakeslagsventilen er barriere nummer to etter drepeventilen på overflate-testtreet, dvs. at tilbakeslagsventilen skal fungere som en barriere mot sementeringsenheten i tilfelle drepeventilen ikke holder tett, se tidligere forklaring. Fra det te punktet i operasjonsprogrammet skal altså den mekaniske overstyringsfunksjonen ikke være operasjonell.

For å koble bort denne mekaniske overstyringsfunksjonen må det personell opp i ridebeltet og fysisk koble ut funksjonen via en gjengestang og skiftenøkkel.

Denne operasjonen krever altså at personell går i ridebeltet og jobber innenfor den såkalt definerte røde sone. Man har i utgangspunktet ikke lov til å planlegge operasjoner i rød sone. Pr. i dag så er det imidlertid ikke mulig å komme unna denne operasjonen. Denne operasjonen krever følgelig internt avvik hver gang den skal utføres. Det er alltid en risiko for fallende gjenstander når det arbeides i ridebeltet, og er det i tillegg litt grov sjø, er dette en farlig operasjon. Det tar ca. 30 minutters operasjonstid hver gang overstyringsfunksjonen på denne tilbakeslagsventilen skal kobles av eller på.

Som beskrevet bidrar dagens løsning for tilbakeslagsventil i overflate-testtreet til en økt risiko for operasjonspersonellet som må bevege seg i ridebeltet for å slå av eller på overstyringsfunksjonen til tilbakeslagsventilen. I tillegg medfører en slik manuell funksjon at operasjonstiden blir høy, ca. 30 min for hver gang overstyringsfunksjonen kobles av eller på. I denne tidsperioden må andre operasjoner stå på vent mens personell befinner seg i rød sone.

Et ytterligere problem ved dagens tilbakeslagsventiler er lekkasjer gjennom tilbakeslagsventilen ved null eller lite trykk på brønnsiden.

Ved nåværende kjente teknikk eksisterer det følgelig et stort behov for en løsning som både kan redusere risiko for operasjonspersonell, og korte ned på operasjonstiden, i forbindelse med ut- og påkobling av overstyringsfunksjonen til tilbakeslagsventilen montert mellom drepeventilen og sementeringsenheten på et overflate-testtre. I tillegg er det også ønskelig å minimere, eller fjerne, lekkasjer i forbindelse med null eller lite trykk på brønnsiden.

Det eksisterer ikke tilbakeslagsventiler som har hydraulisk overstyring og samtidig egner seg for bruk som beskrevet over. I litteraturen er det beskrevet en rekke tilbakeslagsventiler for bruk i for eksempel borestrenger, men disse ventilene opp-fyller ikke de nødvendige krav til størrelse (kort lengde) og tilstrekkelig tetning av ventil ved lavt/manglende trykk på brønnsiden. Et felles trekk for tilbakeslagsventiler egnet for bruk i borestrenger er at de ikke har noen begrensninger med hensyn til lengde, og at de er designet med tanke på normalt å være åpne.

EP 0985798 beskriver en tilbakeslagsventil egnet for bruk i en borestreng. Denne ventilen er ment å være åpen ved normal operasjon, og stenges ved for eksempel en utblåsning. For å oppnå en god tetning av ventilen er den avhengig av et tilstrekkelig overtrykk på brønnsiden for å presse klaffen mot ventilsetet. Utfor-mingen av kraftoverføringen fra hydraulikk/fjær-systemet er ikke egnet for å tilføre et jevnt og tilstrekkelig høyt trykk på klaffen slik at ventilen er tett uten overtrykk fra brønnsiden. Nevnte hydraulikk/fjær-system er heller ikke egnet for å oppfylle krav om maksimal lengde på ventilen hvis denne skulle brukes på for eksempel et overflate-testtre.

US 2,780,290 beskriver en tilbakeslagsventil egnet for bruk i en borestreng. Denne ventilen er ment å være åpen ved normal operasjon, og stenges ved for eksempel en utblåsning. Ventilen er ikke egnet for å oppfylle krav om maksimal lengde på ventilen hvis denne skulle brukes på for eksempel et overflate-testtre.

Sammendrag av oppfinnelsen

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en hydraulisk overstyrbar tilbakeslagsventil spesielt egnet for anvendelse på drepesiden av et overflate-tessttre, og en anvendelse av en hydraulisk overstyrbar tilbakeslagsventil på drepesiden av et testtre. Oppfinnelsen er ytterligere definert ved det følgende: En tilbakeslagsventil omfattende et ventilhus, en hovedsakelig sirkulær klaff, et ventilsete for klaffen, et ekspanderbart kammer i fluid kontakt med en tilkoblingsport for hydraulikkvæske, og et stempel med en første og en andre ende, hvor klaffen omfatter et første og et andre tilkoblingspunkt og er dreibart opplagret i det første tilkoblingspunktetidet idet klaffen er i stand til å dreie mellom en lukket posisjon i tett kontakt med ventilsetet og en åpen posisjon som tillater fluid å strømme gjennom ventilen, hvor stempelet er i kontakt med det ekspanderbare kammeret og en forspent komprimerbar anordning, og hvor stempelet ved sin ene ende kan påvirke klaffen via det andre tilkoblingspunktet,karakterisert vedat den komprimerbare anordningen utøver en kraft på stempelet i retning mot ventilsetet og at hydraulikkvæsken kan bevege stempelet i retning fra ventilsetet når tilstrekkelig hydraulikkvæske blir tilført det ekspanderbare kammeret gjennom tilkoblingsporten, og at det andre tilkoblingspunktet er plassert nærmere senter av den sirkulære delen av klaffen enn det første tilkoblingspunktet, slik at klaffen kommer i tett kontakt med ventilsetet når stempelet beveges i retning mot nevnte ventilsete og at klaffen dreies om det første tilkoblingspunktet i retning mot stempelet når stempelet beveges i en retning bort fra ventilsetet.

I en utførelsesform er stempelet roterbart koblet til klaffen ved hjelp av et ledd, hvor nevnte ledd er roterbart koblet til klaffen ved det andre tilkoblingspunktet.

I en utførelsesform er den komprimerbare anordningen en fjær eller et gassfylt kammer.

I en utførelsesform utgjør en seksjon av sideveggen til stempelet en del av det ekspanderbare kammeret.

I en utførelsesform er ventilsetet utbyttbart.

I en utførelsesform er klaffen dreibart opplagret i det første tilkoblingspunktet ved hjelp av en gjennomgående aksling.

I en utførelsesform omfatter ventilhuset et første og et andre element som er koblet sammen, hvor hvert element omfatter to ender hvor den ene av disse to ender har en funksjon egnet for å føye de to elementenes ene ender sammen, hvor nevnte funksjon fortrinnsvis består av gjenger, og hvor elementenes andre ender omfatter en flens.

Tilbakeslagsventilen kan også omfatte en hul sylinder som kan styres gjennom ventilen med den hensikt å beskytte klaff, ledd og stempel, dvs. mekanismen inne i ventilen. Dette vil først og fremst være aktuelt når ventilen anvendes i gruspakke-operasjoner.

I et aspekt av oppfinnelsen blir en hydraulisk overstyrbar tilbakeslagsventil anvendt mellom en strømningsventil og en sementeringsenhet på et overflate-testtre. En foretrukket ventil for en slik anvendelse er en tilbakeslagsventil ifølge den foreliggende oppfinnelsen.

Ved ventilhus-elementenes andre ender kan det være en flens, men andre tilkoblingsanordninger kan også brukes. Ved å benytte andre tilkoblingsanordninger enn flenser kan en ventilen brukes på forskjellige områder. Ved å bygge ventilen med "Weco"-koblinger kan den for eksempel brukes i engangsoppdrag offshore eller på landbaserte jobber. I disse tilfellene vil den bli brukt som en sikkerhets ventil.

Tilbakeslagsventilen ifølge oppfinnelsen kan også erstatte en såkalt "Surface Sa-fety"-ventil som i dag brukes under brønntesting. Det er en ventil som skal hindre tilbakestrømning fra prosessanlegget i tilfelle en fleksibel produksjonsslange ryker på boredekk. Ventilen vil da være koblet opp mot et elektronisk nedstengningssys-tem. Signal fra dette systemet vil frigjøre det hydrauliske kontrollinje-trykket og tillate klaffen å stenge. Risikovurdering tilsier at denne nye ventilen er bedre egnet enn dagens valgte sete/sleve ventiler (Gate and Seat). Fordelen med å bruke denne nye klaffventilen er at det ikke stenges trykk mellom overflate-testtreet og brønnhode-kontrollmanifolden. Dagens ventiler stenger dette trykket inne og det medfører at ventilene må åpnes med et veldig høyt differensialtrykk. Dette sliter veldig på ventilen med fare for påfølgende lekkasje og nedetid. Det er og stor fare for hydratdannelse som igjen er meget farlig.

Ventilen ifølge den foreliggende oppfinnelsen vil også kunne lages i eksotisk mate-riale slik at den kan monteres på brønnhoder som er plassert på havbunnen.

Kort beskrivelse av tegningene

Figur 1 viser et typisk overflate-testtre med en manuelt operert tilbakeslagsventil på drepesiden. Figur 2 viser en isometrisk tegning av en tilbakeslagsventil ifølge oppfinnelsen. Figur 3 viser en snittegning av tilbakeslagsventilen i figur 2, med klaff i lukket posisjon. Figur 4 viser en snittegning av tilbakeslagsventilen i figur 2, med klaff i åpen posisjon.

Figur 5 viser snitt C-C i fig. 3.

Figur 6 viser snitt D-D i fig. 3.

Figur 7 viser et forstørret utsnitt av overstyringsmekanismen til tilbakeslagsventilen vist i fig. 3 og 4.

Figur 8 viser et flytskjema for et overflate-testtre.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

Et overflate-testtre blir benyttet ved testing av olje- og gassbrønner. Figur 1 viser et typisk testtre for montering på et brønnhode. Testtreet omfatter en produksjons-eller strømningsside A og en drepeside B. På drepesiden er det montert en tilbakeslagsventil lia mellom strømningsventilen 4a og en evt. sementeringsenhet 8a for innpumping av drepevæske. For å overstyre tilbakeslagsventiler som benyttes i dag, for eksempel i forbindelse med trykktesting av en brønnteststreng, må en per-son bevege seg opp i ridebeltet og gjøre dette ved hjelp av en manuell oversty-ringsmekanisme. For å unngå denne tids- og kostnadskrevende operasjonen tilveiebringer den foreliggende oppfinnelsen en ny hydraulisk overstyrbar tilbakeslagsventil, og anvendelsen av hydraulisk overstyrbare tilbakeslagsventiler i overnevnte operasjon.

I figur 2 vises en utførelsesform av en tilbakeslagsventil, ifølge den foreliggende oppfinnelsen, fra siden. Ventilhuset omfatter to separate elementer, hann-flens 1 og hunn-flens 2. Flens 1 og 2 er i denne utførelsesformen skrudd sammen ved bruk av 8 x 8 Stub Acme gjenger med O-ring tetning. For å hindre flensene 1 og 2 i å bevege seg under operasjon er det lagt inn en låseskrue 10 (type M10), og flensene blir da låst mot hverandre. Denne måten å koble flensene sammen på vil gjøre vedlikehold enkelt da ventilen ikke trenger maskinell tiltrekking med høyt moment. Hann-flens 1 er innløpsdelen av ventilen, og væskestrømmen vil normalt komme inn fra denne siden. Utførelsesformer med en omvendt konfigurasjon, hvor innløps-delen er utformet som en hunn-flens, er også mulig.

Riggens drepeslange blir koblet inn på innløpsdelen av ventilen, slik at væsken går igjennom klaff 3, figur 3, som tiltenkt uten at hydraulisk trykk er tilført via en kontrollinje koblet til koblingspunkt/port 8(1/4" BSP).

Hann-flensen 1 inneholder også et ventilsete 16. I denne spesifikke utførelsesfor-men er det valgt en løs seteinnsats for å gjøre fremtidig vedlikehold lettere, samt redusere vedlikeholdsutgifter. Videre er det en O-ringstetning 17 mellom ventilsete 16 og hann-flens 1. Denne O-ringen er et lekkasjepunkt hvis den skulle feile. Lek-kasjen er imidlertid intern og vil ikke påvirke ytre forhold eller operasjonsmodus. Anleggsflaten i hann-flens 1, der O-ringen skal tette, kan fortrinnsvis belegges med Inconel, da dette reduserer faren for korrosjon og pitting forårsaket av korrosiv brønnvæske eller kjemikaler.

Hunn-flens 2 er den andre hoveddelen som ventilen er satt sammen av, figur 3. Denne delen inneholder en klaff 3, høyre klaffboks 7 og venstre klaffboks 12. Klaffboks 7 og 12 danner boksen som klaffen 3 opererer inne i. Klaffen 3 er koblet via en arm 5 sammen med stempel 4. I bakkant av, og i kontakt med øvre del av stempel 4 er det en forspenningsfjær 15. I underkant av stempelets øvre del er det en utsparing mellom stempel og ventilhus. Utsparingen danner et kammer 11 som ekspanderer ved tilførsel av hydraulisk trykk. En pakningsboks 6 tetter mellom brønnvæske og hydraulisk tilført væske. I denne utførelsesformen er det valgt en løs pakningsboks 6 for å gjøre fremtidig vedlikehold lettere samt redusere utgifter til vedlikehold. Nedre del av stempel 4 er dreibart koblet sammen med den ene enden av et ledd 5. Den andre enden av leddet 5 er dreibart koblet til klaffen 3 ved tilkoblingspunktet 18. Klaffen omfatter i dette eksempelet et klaffledd for to tilkob-lingspunkter 18, 19 som benyttes ved koblingen av klaffen til henholdsvis leddet 5 og til den gjennomgående akslingen 13.

Tilførsel av hydraulisk trykk, fra et eget kontrollpanel, gjøres via V4" BSP koblings-punkt/port 8.

Når hydraulisk væske blir tilført via koblingspunkt/port 8, drives stempel 4 bakover mot forspenningsfjæren 15 og komprimerer denne. Tilført hydraulisk væsketrykk overstiger forspenningskraften i fjæren 15. Når denne trykksettingen utfø-

res, beveges klaffen 3 fra normal stengt posisjon, figur 3, over til hydraulisk holdt-åpen posisjon, figur 4. Dvs. at stempel 4 drar, via ledd 5, klaffen 3 opp i åpen posisjon. Denne posisjonen holdes så lenge det tilføres hydraulisk trykk.

Trykkutjevningskanal 9 (1/8" BSP) sørger for at det blir opprettholdt samme trykk i fjærhuset som i forkant av pakningsboksen 6. Denne trykkutjevningen er nødven-dig for å ivareta ventilens funksjonalitet.

Når det hydrauliske trykket frigjøres, ekspanderer forspenningsfjæren 15 og driver den hydrauliske væsken ut av ventilen via koblingspunkt/port 8 tilbake til kontroll-panelet. Samtidig som den ekspanderende forspenningsfjæren 15 driver stempel 4 tilbake, beveges ledd 5 som igjen legger klaffen 3 tilbake på setet 16.

Klaff 3 trykkes mot ventilsete 16 ved hjelp av forspenningsfjæren 15 med en kraft tilsvarende omtrent 100 N.

På denne måten oppnås full tetning mot ventilsete 16 uten at klaff 3 må "set-tes/hjelpes" på ventilsetet 16 ved hjelp av væsketrykk fra brønnen. Dette hindrer lekkasje gjennom tilbakeslagsventilen ved lavt trykk på brønnsiden. Plasseringen av tilkoblingspunkt 18 nærme senter av klaffen hjelper til med å oppnå et jevnt trykk på klaffen og følgelig bedre tetning mot ventilsetet.

Selve klaffen 3 er opplagret i en gjennomgående klaffbolt 13, se figur 5 og 6. O-ringer tetter rundt klaffbolt 13, i tillegg til 2 stk. 1/4" BSP tetningsplugger.

I figur 7 vises et forstørret utsnitt av mekanismen for den hydrauliske overstyringen.

I figur 8 vises et flytskjema for et overflate-testtre hvor en hydraulisk overstyrbar tilbakeslagsventil 7a er montert mellom strømningsventilen 4a på testtreets drepeside og riggens sementeringsenhet 8a. Flytskjemaet viser videre en strømnings-ventil 6a på produksjon/strømningssiden, øvre 3a og nedre 2a brønnventil, krone-ventil 5a, brønntestestreng la, hydraulikklinje 9a og et kontrollpanel 10a for sty-ring av hydraulikken. En fremgangsmåte for verifisering av en brønnteststreng omfatter følgende trinn: - overstyre en tilbakeslagsventil 7a, plassert mellom en strømningsventil 4a og en sementeringsenhet 8a på et overflate-testtre, ved å tilføre hydraulisk trykk til nevnte tilbakeslagsventil 4a gjennom en hydraulikklinje 9a,

- trykkteste brønnteststrengen og

- koble ut overstyringen av tilbakeslagsventilen 7a ved å fjerne det hydrauliske trykket.

Ved å benytte overnevnte fremgangsmåte vil operasjonstiden kunne reduseres fra 30 min til maksimalt 3-4 min. Det skal også legges merke til at tilbakeslagsventilen 7a nå kan opereres parallelt med annen operasjon, dvs. at det ikke lenger brukes riggtid. De økonomiske konsekvensene av en slik fremgangsmåte vil være i størrel-sesorden 125000,- til 165000,- NOK per gang tilbakeslagsventilen opereres.

Claims (10)

1. En tilbakeslagsventil omfattende et ventilhus (1,2), en hovedsakelig sirkulær klaff (3), et ventilsete (16) for klaffen (3), et ekspanderbart kammer (11) i fluid kontakt med en tilkoblingsport (8) for hydraulikkvæske, og et stempel (4) med en første og en andre ende, hvor klaffen omfatter et første (19) og et andre (18) tilkoblingspunkt og er dreibart opplagret i det første tilkoblingspunktet (19), idet klaffen er i stand til å dreie mellom en lukket posisjon i tett kontakt med ventilsetet (16) og en åpen posisjon som tillater fluid å strømme gjennom ventilen, hvor stempelet (4) er i kontakt med det ekspanderbare kammeret (11) og en forspent komprimerbar anordning (15), og hvor stempelet (4) ved sin ene ende kan påvirke klaffen (3) via det andre tilkoblingspunktet (18), karakterisert vedat den komprimerbare anordningen (15) utøver en kraft på stempelet (4) i retning mot ventilsetet (16) og at hydraulikkvæsken kan bevege stempelet (4) i retning fra ventilsetet når tilstrekkelig hydraulikkvæske blir tilført det ekspanderbare kammeret gjennom tilkoblingsporten (8), og at det andre tilkoblingspunktet (18) er plassert nærmere senter av den sirkulære delen av klaffen enn det første tilkoblingspunktet (19), slik at klaffen (3) kommer i tett kontakt med ventilsetet (16) når stempelet (4) beveges i retning mot nevnte ventilsete og at klaffen dreies om det første tilkoblingspunktet (19) i retning mot stempelet (4) når stempelet beveges i en retning bort fra ventilsetet (16).

2. Tilbakeslagsventil ifølge krav 1, hvor stempelet er roterbart koblet til klaffen ved hjelp av et ledd (5), hvor nevnte ledd er roterbart koblet til klaffens andre tilkoblingspunkt (18).

3. Tilbakeslagsventil ifølge krav 1 eller 2, hvor den komprimerbare anordningen (15) er en fjær eller et gassfylt kammer.

4. Tilbakeslagsventil ifølge krav 1-3, hvor en seksjon av en sidevegg (20) av stempelet (4) utgjør en del av det ekspanderbare kammeret (11).

5. Tilbakeslagsventil ifølge ethvert av de foregående krav, hvor setet (16) er utbyttbart.

6. Tilbakeslagsventil ifølge ethvert av de foregående krav, hvor klaffen er dreibart opplagret i det første tilkoblingspunktet (19)ved hjelp av en gjennomgående aksling (13).

7. Tilbakeslagsventil ifølge ethvert av de foregående krav, hvor ventilhuset omfatter et første og et andre element (1,2) som er koblet sammen, hvor hvert element omfatter to ender hvor den ene enden har en funksjon egnet for å føye de to elementenes ene ender sammen, hvor nevnte funksjon fortrinnsvis består av gjenger, og hvor elementenes andre ender omfatter en flens.

8. Tilbakeslagsventil ifølge krav 6, hvor nevnte komprimerbare anordning (15) strekker seg gjennom det ene av nevnte elementer (1,2) og inn i dettes flens.

9. Tilbakeslagsventil ifølge ethvert av de foregående krav, videre omfattende en hul sylinder som kan styres gjennom ventilen med den hensikt å beskytte klaff (3), ledd (5) og stempel (4).

10. Anvendelse av en hydraulisk overstyrbar tilbakeslagsventil ifølge krav 1-8, hvori tilbakeslagsventilen er plassert mellom en strømningsventil og en sementeringsenhet på et overflate-testtre.